Радиоактивные превращения
Радиоактивное превращение — самопроизвольное изменение нестабильного атомного ядра, сопровождающееся испусканием частиц или электромагнитного излучения. В этой теме важно научиться определять, как меняются массовое число \(A\), зарядовое число \(Z\) и состав ядра при каждом виде распада.
Основные обозначения и закон сохранения
Ядро обозначают записью \(^{A}_{Z}X\), где \(X\) — химический символ элемента, \(A\) — массовое число, а \(Z\) — зарядовое число. Массовое число равно числу нуклонов: протонов и нейтронов. Число нейтронов определяется разностью \(N=A-Z\).
Радиоактивное превращение — превращение одного атомного ядра в другое с испусканием частицы или фотона. Исходное ядро называют материнским, образовавшееся — дочерним.
В правильно записанном уравнении превращения сохраняются электрический заряд и число нуклонов. Поэтому сумма массовых чисел слева равна сумме массовых чисел справа, а сумма зарядовых чисел также совпадает.
Эти правила похожи на правила составления уравнений ядерных реакций, но радиоактивный распад происходит самопроизвольно. Для более подробного повторения строения ядра сначала полезно обратиться к странице об атомном ядре. Общие свойства явления рассматриваются на странице о радиоактивности.
Альфа-распад
При альфа-распаде ядро испускает альфа-частицу. Альфа-частица — это ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов: \(^{4}_{2}\mathrm{He}\).
После альфа-распада массовое число уменьшается на 4, а зарядовое число — на 2. Следовательно, дочерний элемент находится в периодической системе на две позиции левее материнского. Число нейтронов изменяется на \(N'=(A-4)-(Z-2)=N-2\).
Испускается \(^{4}_{2}\mathrm{He}\); \(A\) уменьшается на 4, \(Z\) уменьшается на 2. Альфа-распад изменяет и состав ядра, и химический элемент.
Подробный разбор вида частицы и изменения ядерных чисел приведён также на странице об альфа-распаде.
Бета-минус-распад
Бета-минус-распад происходит, когда один нейтрон внутри ядра превращается в протон. При этом испускается электрон, который называют бета-минус-частицей, и антинейтрино. В школьных уравнениях антинейтрино обычно не записывают, если требуется только баланс \(A\) и \(Z\).
При превращении нейтрона в протон общее число нуклонов не меняется, поэтому \(A\) остаётся прежним. Число протонов возрастает на единицу, поэтому \(Z\) увеличивается на 1, а дочерний элемент смещается на одну позицию вправо в периодической системе.
В β−-распаде \(n\rightarrow p+e^-\). Поэтому \(A'=A\), \(Z'=Z+1\), а число нейтронов уменьшается на единицу: \(N'=N-1\).
Не следует путать электрон, испускаемый ядром, с одним из электронов электронной оболочки. В процессе распада рождается новая частица, а заряд ядра увеличивается, потому что в ядре появляется дополнительный протон.
Гамма-распад
Гамма-распад — переход возбуждённого ядра в состояние с меньшей энергией с испусканием гамма-кванта, то есть фотона электромагнитного излучения. Состав ядра при этом не меняется.
Звёздочка означает возбуждённое состояние ядра. После испускания гамма-кванта массовое число и зарядовое число остаются прежними: \(A'=A\), \(Z'=Z\). Поэтому новый химический элемент не образуется. Гамма-излучение часто сопровождает альфа- или бета-распад, если дочернее ядро сразу возникает в возбуждённом состоянии.
Гамма-квант — фотон высокой энергии, не имеющий электрического заряда и массы покоя. Он переносит энергию и импульс, но не изменяет число протонов и нейтронов в ядре.
Как изменятся \(A\) и \(Z\) при β−-распаде?
Алгоритм записи превращения
Чтобы записать уравнение распада, удобно действовать по одному плану. Сначала определите вид излучения, затем измените \(A\) и \(Z\), после чего найдите символ дочернего элемента по периодической системе.
- Запишите исходное ядро в виде \(^{A}_{Z}X\).
- Добавьте справа частицу распада: \(^{4}_{2}\mathrm{He}\) для α, \(^{0}_{-1}e\) для β− или \(\gamma\) для γ.
- По законам сохранения найдите массовое и зарядовое числа дочернего ядра.
- Определите химический символ элемента с найденным зарядовым числом \(Z\).
- Проверьте отдельно равенство сумм \(A\) и \(Z\) в левой и правой частях.
| Вид распада | Что испускается | Изменение \(A\) | Изменение \(Z\) |
|---|---|---|---|
| α | \(^{4}_{2}\mathrm{He}\) | \(-4\) | \(-2\) |
| β− | \(^{0}_{-1}e\) | \(0\) | +1 |
| γ | \(\gamma\) | \(0\) | \(0\) |
Не записывайте при β−-распаде \(^{0}_{+1}e\): это позитрон и относится к β+-распаду. Не уменьшайте \(A\) при β−-распаде. При γ-распаде не меняйте химический элемент. Также нельзя определять элемент только по массовому числу: его символ задаётся зарядовым числом \(Z\).
Сложите верхние индексы и отдельно нижние индексы в обеих частях уравнения. Если хотя бы одна сумма не совпадает, в записи есть ошибка.
Разобранный пример
Запишем превращение ядра радия \(^{226}_{88}\mathrm{Ra}\) при последовательном альфа- и бета-минус-распаде: сначала происходит α-распад, затем β−-распад.
Итоговое ядро — \(^{222}_{87}\mathrm{Fr}\). При последовательности α, затем β− массовое число уменьшается на 4, а зарядовое число — на 1.
Если распадов несколько, изменения можно суммировать. Например, при двух α-распадах и одном β−-распаде: \(A'=A-8\), \(Z'=Z-3\). Такой приём особенно удобен в заданиях, где дано начальное и конечное ядро и требуется найти число распадов.
Проверка знаний
Quick-test
Главное
- В записи \(^{A}_{Z}X\) число \(A\) показывает число нуклонов, а \(Z\) — число протонов и порядковый номер элемента.
- При α-распаде: \(A\to A-4\), \(Z\to Z-2\); испускается ядро гелия \(^{4}_{2}\mathrm{He}\).
- При β−-распаде: \(A\) не меняется, \(Z\to Z+1\); нейтрон превращается в протон и испускается электрон.
- При γ-распаде \(A\) и \(Z\) не меняются: возбуждённое ядро испускает фотон.
- Для проверки любого уравнения отдельно сравнивайте суммы массовых и зарядовых чисел.