Радиоактивность
Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием частиц или электромагнитного излучения. Это одно из основных явлений ядерной физики: свойства радиоактивного распада не зависят от внешних условий, таких как температура, давление и агрегатное состояние вещества.
Что такое радиоактивность
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов \(Z\) определяет заряд ядра и химический элемент, а общее число нуклонов \(A\) называют массовым числом. Нестабильное ядро стремится перейти в более устойчивое состояние. При этом оно превращается в ядро другого элемента или в ядро того же элемента в другом энергетическом состоянии.
Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождаемое испусканием частиц и электромагнитного излучения.
В ядерных превращениях сохраняются электрический заряд, массовое число \(A\), энергия и импульс. Поэтому уравнение распада составляют так, чтобы суммы зарядовых и массовых чисел слева и справа совпадали.
Радиоактивность бывает естественной и искусственной. Естественные радиоактивные изотопы встречаются в природе, а искусственные получают в ядерных реакторах или ускорителях. Один и тот же элемент может иметь устойчивые и радиоактивные изотопы.
Основные виды излучения
В опытах с радиоактивными веществами пучок излучения разделяют магнитным или электрическим полем. Это показывает, что разные виды излучения имеют различные заряд, массу и проникающую способность.
| Вид | Состав | Заряд | Проникающая способность |
|---|---|---|---|
| \(\alpha\) | ядра гелия \(^4_2\mathrm{He}\) | \(+2e\) | малая; задерживается листом бумаги |
| \(\beta\) | электроны или позитроны | \(-e\) или \(+e\) | средняя; задерживается несколькими миллиметрами алюминия |
| \(\gamma\) | фотоны электромагнитного излучения | \(0\) | большая; ослабляется толстым слоем свинца или бетона |
Альфа-излучение состоит из тяжёлых положительно заряженных частиц. Оно сильно ионизирует вещество, но быстро теряет энергию. Бета-излучение состоит из быстрых электронов или позитронов. Гамма-излучение — это коротковолновое электромагнитное излучение, возникающее при переходе возбуждённого ядра в состояние с меньшей энергией.
Какое излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями?
Уравнения радиоактивных превращений
При альфа-распаде из ядра вылетает частица \(^4_2\mathrm{He}\). Массовое число дочернего ядра уменьшается на 4, а зарядовое число — на 2.
При бета-минус-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Массовое число не изменяется, а зарядовое число увеличивается на 1.
При бета-плюс-распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Зарядовое число уменьшается на 1, массовое число остаётся прежним.
Гамма-распад обычно сопровождает альфа- или бета-распад. При нём состав ядра не меняется: возбуждённое ядро испускает фотон и переходит на более низкий энергетический уровень.
Закон радиоактивного распада
Нельзя предсказать, какое именно ядро распадётся в данный момент. Однако для большого количества ядер точно описывается вероятность распада. Число нераспавшихся ядер уменьшается по экспоненциальному закону.
Здесь \(N_0\) — начальное число ядер, \(N(t)\) — число ядер через время \(t\), а \(\lambda\) — постоянная распада. Она характеризует вероятность распада одного ядра за единицу времени. Связь постоянной распада с периодом полураспада имеет вид:
После одного периода полураспада остаётся \(N_0/2\), после двух — \(N_0/4\), после трёх — \(N_0/8\). Активность источника — число распадов за единицу времени; она также уменьшается по экспоненциальному закону.
Единица активности в СИ — беккерель: \(1\ \text{Бк}=1\) распад в секунду. Подробные свойства активности радиоактивного источника и измерение активности с помощью счётчика Гейгера рассматриваются отдельно.
Разобранный пример: определение дочернего ядра
Ядро урана \(^{238}_{92}\mathrm{U}\) испытало два альфа-распада и один бета-минус-распад. Определите массовое и зарядовое числа конечного ядра.
Не уменьшайте массовое число при бета-распаде: электрон имеет массовое число \(0\). При альфа-распаде обязательно вычитайте 4 и 2. Гамма-распад не изменяет ни \(A\), ни \(Z\). Не путайте период полураспада со временем полного распада: теоретически распад никогда не заканчивается полностью.
Сначала отдельно изменяйте \(A\) и \(Z\), затем по итоговому \(Z\) определяйте элемент. В конце проверьте сохранение массового и зарядового чисел в уравнении.
Итоговая проверка
Quick-test
Главное
- Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
- Альфа-распад изменяет \(A\) на \(-4\), а \(Z\) на \(-2\); бета-минус-распад изменяет \(Z\) на \(+1\); гамма-распад не меняет состав ядра.
- Число нераспавшихся ядер подчиняется закону \(N=N_0e^{-\lambda t}\), а период полураспада связан с постоянной распада формулой \(T_{1/2}=\ln2/\lambda\).
- Активность равна числу распадов в единицу времени и измеряется в беккерелях.
- Для решения задач проверяйте сохранение массового и зарядового чисел.