Радиоактивность, виды распадов

На этой странице вы узнаете

• Кто такой Шредингер и почему его кот такой известный? 
• Почему лишний вес ядра приводит к радиоактивности?
• Как долго Чернобыль будет радиоактивным? 

Наверное, вы уже слышали про распады. Существуют два известнейших распада: распад Советского Союза и распад атомных ядер. С первым из них вы можете познакомиться в разделе истории, а сейчас мы с вами разберем распад атомных ядер.

Явление радиоактивности

Мы уже частично говорили о явлении радиоактивности в статье «Основы ядерной физики: строение ядра, ядерные силы». Там мы ввели понятие дефект масс. Однако значение дефекта масс для каждого элемента разное. Выяснилось, что для более тяжелых элементов, например, урана, дефект масс имеет небольшое значение. Что это значит?

Урану тяжело оставаться в равновесном состоянии. Это приводит к излучению атомом разных частиц. Это явление получило название радиоактивность.

Радиоактивность — способность атома самопроизвольно распадаться на частицы и атомы поменьше, проявляется у атомов с большим зарядовым числом Z.

Ядерные реакции. Деление и синтез ядер

В статье «Принцип относительности Эйнштейна и основные соотношения» мы говорили, что понятия энергии и массы являются эквивалентными, а значит, одно может превращаться в другое, и обратно. Оказывается, что на уровне атомов и элементарных частиц такие превращения имеют особую значимость. Чтобы освободить энергию внутри ядра, необходимо провести ядерную реакцию. 

Ядерная реакция — процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра.

Итак, в результате ядерной реакции у нас появляются внешние частицы, провоцирующие ядерную реакцию. Но мы знаем, что атомные и субатомные элементы обладают массой и зарядом. Следовательно, сами элементы будут также изменяться. Атом одного элемента может перейти в атом другого несколькими способами: 

• бомбардировка и синтез — столкновение частиц/атомов;
• распад — разложение атома на частицы/атомы поменьше.

Рассмотрим, как происходят некоторые из распадов. 

Альфа-распад

Альфа-частица — это два протона и два нейтрона. 

Иначе говоря, это атом гелия. Альфа-частицу записывают следующим образом: 

Сам альфа-распад можно схематично изобразить так:

Альфа-распад урана-235 будет происходить таким образом: 

У нас образовался новый элемент — изотоп тория-231. Можем сделать вывод, что при альфа-распаде атом опускается в таблице Менделеева на две позиции назад. 

Тогда в общем виде уравнение альфа-распада принимает следующий вид: 

Бета-распад

Бета-частица — это электрон. 

Бета-частицу записывают следующим образом:

Аналогично с альфа-распадом, бета-распад схематично выглядит так: 

Для примера бета-распада возьмем всё тот же изотоп урана-235:

В отличие от альфа-распада, атом поднимается на 1 позицию вверх: 

Уравнение бета-распада в общем виде: 

Гамма-распад

Гамма-частица — это частица, не имеющая ни массы, ни заряда.

Из определения гамма-частицы возникает вопрос: для чего она нужна? На самом деле, гамма-частица несет в себе информацию о выделении энергии. Если в уравнении есть гамма-частица, значит, атом выделяет энергию. Гамма-частицу обозначают символом γ. Сам химический элемент при гамма-распаде не изменяется.

Законы сохранения зарядового и массового числа 

Мы рассмотрели три основных распада, для каждого из которых существует свое уравнение. Пока что кажется, что продукты распада невозможно знать заранее, а определить их реально только зная наизусть таблицу Менделеева и уравнения каждого распада. А может вы уже заметили закономерность и легко напишите уравнения любых реакций и распадов?

Итак, начнем издалека. У каждого элемента таблицы Менделеева существует зарядовое (Z) и массовое (A) числа. Протоны и нейтроны являются частицами с относительной массой, равной единице, поэтому сумма количества протонов и нейтронов определяет массовое число. Из этих двух частиц зарядом обладают только протоны, поэтому их количество определяет зарядовое число.

Z (зарядовое число) — количество протонов;
A (массовое число) — количество протонов и нейтронов.

Оказывается, что ядерные распады подчиняются законам сохранения зарядового и массового чисел. Это значит, что сумма зарядовых чисел до реакции или распада должна быть равна сумме зарядовых чисел после реакции или распада. Аналогичное утверждение справедливо и для массовых чисел. Давайте запишем явный вид данных законов.

Общий вид реакции запишем как \({^{A_1}_{X_1}}X_1+{^{A_2}_{X_2}}X_2={^{A_3}_{X_3}}Y_1+{^{A_4}_{X_4}}Y_2\), тогда справедливы:

Закон сохранения массы: \(A_1+A_2=A_3+A_4\);
Закон сохранения заряда: \(Z_1+Z_2=Z_3+Z_4\).

Все рассмотренные выше распады строятся на основе данных законов.

Полураспад

Вернемся к понятию радиоактивности. Это самопроизвольный процесс испускания частиц. Значит, если собрать много радиоактивных атомов, то через одно и то же время все атомы распадутся на более мелкие части? К сожалению, нет. Мы не можем точно сказать, распадется ли атом через определенное время или нет. Однако, для большого количества атомов вероятность распада больше, чем для одной частицы. 

Именно поэтому и вводят закон полураспада:

Период полураспада — это время, за которое распадается ровно половина атомов.

Также мы можем найти количество атомов, которые распались. Для этого просто достаточно вычесть из начального количества атомов количество атомов, которое осталось.

Также стоит упомянуть и про массу атомов, подвергающихся распаду. Масса прямо пропорциональна количеству атомов. Тогда мы можем получить закон полураспада для массы:

m = m_0*2^{-\frac{t}{T}}

Из полученных формул можем сделать несколько выводов:

• Зависимость оставшихся атомов от времени является экспоненциальной (зависит от степенной функции).
• В момент времени, равному периоду полураспада, останется ровно половина атомов.
• Даже через довольно долгий промежуток времени атомы все равно будут продолжать распадаться.
• Чем меньше период полураспада, тем быстрее уменьшается активность вещества.

Теперь мы можем построить график зависимости количества атомов N от времени t. Он будет выглядеть следующим образом: 

Для наглядности используем метод «куска» — в момент времени, равному периоду полураспада, останется ровно половина атомов; в момент времени, равному двум периодам полураспада, останется 25% атомов и т.д.

Фактчек 

• Радиоактивность — способность атома самопроизвольно распадаться на частицы и атомы поменьше, проявляется у атомов с большим зарядовым числом Z.
• Бомбардировка и синтез — столкновение частиц/атомов.
• Распад — разложение атома на частицы/атомы поменьше.
• Альфа-частица — это два протона и два нейтрона. Иначе говоря, это атом гелия.
• Бета-частица — это электрон.
• Гамма-частица — это частица, не имеющая ни массы, ни заряда.
• Период полураспада — это время, за которое распадается ровно половина атомов.

Проверь себя

Задание 1.
Определите, сколько нуклонов содержит альфа-частица?

1. 0
2. 2
3. 4 

Задание 2.
Определите, каков заряд бета-частицы?

1. -1 
2. 0
3. 2

Задание 3.
Имеется сосуд с радиоактивными атомами. Определите, когда количество атомов уменьшится в 2 раза?

1. За время t = T/2, где T — период полураспада данного элемента.
2. За время t = T, где T — период полураспада данного элемента. 
3. За время t = 2T, где T — период полураспада данного элемента.

Задание 4.
Имеется сосуд с радиоактивными атомами. Определите, когда в сосуде останется 12,5% атомов? 

1. За время t = T, где T — период полураспада данного элемента. 
2. За время t = 2T, где T — период полураспада данного элемента.
3. За время t = 3T, где T — период полураспада данного элемента. 

Ответы: 1. — 3; 2. — 1; 3. — 2; 4. — 3.