Радиоактивные превращения атомных ядер

На прошлом уроке мы познакомились с явлением радиоактивности. Мы узнали, что некоторые атомы способны самопроизвольно испускать три вида излучений, представляющих собой потоки частиц. Это $\alpha$-частицы, $\beta$-частицы и $\gamma$-кванты (рисунок 1).

Опыты показали, что разные виды радиоактивного излучения могут проявляться самостоятельно. И если при излучении $\gamma$-квантов атом просто переходит из возбужденного состояния в основное (рисунок 2), то при испускании $\alpha$-частиц и $\beta$-частиц в атомах происходят более существенные изменения.

Например, еще в 1903 году (до обнаружения атомных ядер) Эрнест Резерфорд и химик Фредерик Содди обнаружили, что радиоактивный элемент радий в процессе испускания $\alpha$-частиц превращается в совершенно другой элемент — радон. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что такие превращения происходят и при испускании $\beta$-частиц.

На данном уроке мы подробно рассмотрим, как именно происходят такие ядерные превращения. Мы узнаем, какие изменения происходят в ядре при разных видах излучения ($\alpha$-распаде и $\beta$-распаде) и как записывать эти процессы с помощью специальных ядерных уравнений.

Изменение ядра при радиоактивных превращениях

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную (ядерную) модель атома (рисунок 3).

Благодаря этому стало понятно, что при радиоактивных превращениях изменяется именно ядро, а не электронная оболочка. Ведь если бы изменилось только количество электронов, то атом превратился бы в ион того же самого химического элемента (рисунок 4).

Опыты же показывали, что при испускании атомом $\alpha$- и $\beta$-частиц происходит его превращение в атом совсем другого химического элемента с другими физическими и химическими свойствами. 

После открытия протонов и нейтронов, составляющих атомное ядро (рисунок 5), ученые выяснили, что изменения происходят именно с этими частицами. А точнее — с их количеством в атоме элемента, который испускает радиоактивное излучение.

Так, процесс испускания атомом $\alpha$-частиц назвали $\alpha$-распадом, а $\beta$-частиц — $\beta$-распадом. 

{"questions":[{"content":"При радиоактивных превращениях изменения происходят в [[fill_choice_big-43]].","widgets":{"fill_choice_big-43":{"type":"fill_choice_big","options":["ядре атома","электронной оболочке атома"],"answer":0}}}]}

Альфа-распад

Что происходит с атомом химического элемента при $\alpha$-распаде? Мы знаем, что атом испускает $\alpha$-частицу (рисунок 6).

Каждая $\alpha$-частица — это атом гелия, потерявший оба своих электрона. Можно сказать, что это просто ядро атома гелия: два протона и два нейтрона.

Откуда взялись эти два протона и два нейтрона? Они отделились от ядра радиоактивного атома. После испускания такой частицы исходный атом будет иметь на два протона и два нейтрона меньше, чем у него было изначально.

Это значит, что меняется сам химический элемент. Ведь его свойства определяются именно количеством протонов в ядре. Чтобы точно и наглядно описать такие изменения, в физике используются ядерные уравнения. В них показывают:

• какое ядро было изначально,
• какую частицу оно испустило,
• в какое ядро произошло радиоактивное превращение.

Для этого вводятся специальные обозначения: массовое число, зарядовое число. Давайте рассмотрим, как правильно записывать такие реакции и что означают все числа в ядерных уравнениях.

{"questions":[{"content":"$\\alpha$-частица — это [[fill_choice_big-47]].","widgets":{"fill_choice_big-47":{"type":"fill_choice_big","options":["атом гелия, потерявший два электрона","обычный атом гелия","отрицательный ион атома гелия","электрон"],"answer":0}}}]}

Ядерное уравнение альфа-распада

$^A_Z\text{X} \space \to \space ^{A−4}_{Z−2}\text{Y} \space + \space ^4_2\text{He}$

Разберем все обозначения из этого уравнения.

• $X$ — исходное (родительское) ядро.
  Записывается химическим символом элемента, как в периодической таблице Менделеева (например, радий — $Ra$, уран — $U$, полоний — $Po$). Обратите внимание, что в ядерных уравнениях мы имеем в виду не атом в целом, а его ядро. Это обусловлено тем, что в радиоактивных распадах определяющие изменения происходят именно в ядре.
• $Y$ — дочернее ядро, образующееся после $\alpha$-распада.
• $A$ — массовое число (общее число протонов и нейтронов).
• $Z$ — зарядовое число (число протонов в ядре).
• $^4_2\text{He}$ — $\alpha$-частица (ядро атома гелия $He$ с двумя протонами и двумя нейтронами).

{"questions":[{"content":"При радиоактивном распаде $\\alpha$-частица [[fill_choice_big-51]].","widgets":{"fill_choice_big-51":{"type":"fill_choice_big","options":["образуется, отделяясь от родительского ядра","уже находится в окружающем пространстве","является продуктом соударения электронов"],"answer":0}}}]}

Массовое число

Рассмотрим подробнее, что представляет собой массовое число $A$. Оно ставится перед буквенным обозначением ядра сверху (рисунок 7).

Вы знаете, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Вместе их называют нуклонами. Масса атома определяется в основном именно ими, потому что масса электрона по сравнению с протоном и нейтроном ничтожно мала.

Масса протона: $m_p \approx 1.6726 \cdot 10^{−27} \space кг$.
Масса нейтрона: $m_n \approx 1.6749 \cdot 10^{−27} \space кг$.
Масса электрона: $m_p \approx 9.109 \cdot 10^{−31} \space кг$.

Так как массы частиц очень малы, выражать их в килограммах при вычислениях очень неудобно. Для упрощения была введена внесистемная единица измерения — атомная единица массы ($а. \space е. \space м.$). Она равна $\frac{1}{12}$ массы атома углерода, в котором 12 нуклонов.

В такой размерности масса протона и нейтрона оказывается примерно равной единице. Это делает запись масс атомов простой и наглядной. Поэтому атомная масса элемента в $а. \space е. \space м.$ обычно почти совпадает с его массовым числом. Мы можем говорить, что она совпадает с точностью до целых чисел.

$m_p \approx 1 \space а. \space е. \space м.$,
$m_n \approx 1 \space а. \space е. \space м.$,
$m_e \approx \frac{1}{1836} \space а. \space е. \space м.$

Так массовое число показывает общее количество нуклонов в ядре, то есть сумму протонов и нейтронов. Чем больше этих частиц, тем больше масса атома.

$A = Z \space + \space N$,
где $A$ — массовое число, $Z$ — количество протонов, $N$ — количество нейтронов.

Массовое число ядра атома данного химического элемента с точностью до целых чисел равно числу атомных единиц массы, содержащихся в массе этого ядра.

При этом само массовое число не имеет единиц измерения. Физический смысл заключается в том, что оно показывает, во сколько раз масса ядра больше $1 \space а. \space е. \space м.$ Также массовое число всегда целое и положительное.

{"questions":[{"content":"Чему равно массовое число натрия $^{23}_{11}\\text{Na}$?[[choice-54]]","widgets":{"choice-54":{"type":"choice","options":["$23$","$11$","$12$","$34$"],"answer":[0]}}}]}

Зарядовое число

Зарядовое число $Z$ ставится перед буквенным обозначением элемента снизу.

Зарядовое число ядра атома данного химического элемента равно числу элементарных электрических зарядов $e$, содержащихся в заряде этого ядра.

Вспомним, что из себя представляет элементарный электрический заряд.

Элементарный электрический заряд $e$ — это фундаментальная физическая величина, минимальная порция заряда, равная $1.602176634 \cdot 10^{−19} \space Кл$.

Элементарным положительным зарядом $+e$ обладает протон, а отрицательным $−e$ — электрон. Нейтрон не имеет заряда.

Получается, что зарядовое число показывает количество протонов в ядре. Именно эта величина определяет, к какому химическому элементу относится атом. Если в ядре один протон — это водород, два протона — гелий, шесть — углерод.

Атом может терять или приобретать нейтроны, образуя разные изотопы (рисунок 9). В этом случае изменяется его массовое число (и атомная масса). А вот зарядовое число остается неизменным. Это значит, что элемент остается тем же самым. А вот если изменяется число протонов в ядре (и, соответственно, зарядовое число), то происходит превращение одного химического элемента в другой.

Зарядовое число показывает, во сколько раз заряд ядра больше единичного (элементарного заряда).

{"questions":[{"content":"Сколько протонов в атоме кальция $^{40}_{20}\\text{Ca}$?[[choice-58]]","widgets":{"choice-58":{"type":"choice","options":["$20$","$40$","$60$","$2$"],"explanations":["","Это атомное число — общее количество нуклонов (протоны + нейтроны) в ядре.","",""],"answer":[0]}}}]}

Альфа-распад атома радия

Рассмотрим $\alpha$-распад на примере превращения атома радия. Для того чтобы узнать массовое и зарядовое числа атома радия, нам нужно заглянуть в периодическую таблицу (рисунок 10).

Номер элемента соответствует зарядовому числу $Z$. Атомную массу округляем до целых чисел и получаем массовое число $A$.

Согласно формуле начинаем записывать ядерное уравнение:
$^{226}_{88}\text{Ra} \space \to \space ^{A−4}_{Z−2}\text{Y} \space + \space ^4_2\text{He}$.

Теперь рассчитываем массовое и зарядовое числа дочернего ядра $Y$:
$A \space − \space 4 = 226 \space − \space 4 = 222$,
$Z \space − \space 2 = 88 \space − \space 2 = 86$.

Записываем ядерное уравнение с рассчитанными массовыми и зарядовыми числами:
$^{226}_{88}\text{Ra} \space \to \space ^{222}_{86}\text{Y} \space + \space ^4_2\text{He}$.

Чтобы узнать, что за ядро $Y$, снова нужно заглянуть в периодическую таблицу. Ищем химический элемент под номером $86$.

Это радон — $Rn$. В итоге наше ядерное уравнение принимает вид:
$^{226}_{88}\text{Ra} \space \to \space ^{222}_{86}\text{Rn} \space + \space ^4_2\text{He}$.

В результате излучения $\alpha$-частицы ядро атома радия теряет приблизительно четыре атомные единицы массы и два элементарных заряда. При этом оно превращается в ядро атома радона.

{"questions":[{"content":"Атомная масса, указанная в периодической таблице и округленная до целых чисел, равна [[fill_choice_big-63]].","widgets":{"fill_choice_big-63":{"type":"fill_choice_big","options":["массовому числу $A$","зарядовому числу $Z$","количеству протонов в ядре","количеству электронов в атоме"],"answer":0}}}]}

Законы сохранения массового числа и заряда

Мы можем записывать ядерные уравнение подобным образом, так как в процессе радиоактивного распада выполняются законы сохранения массового числа и заряда (зарядового числа).

Массовое число и заряд распадающегося ядра атома равны соответственно сумме массовых чисел и сумме зарядов атомов, образовавшихся в результате этого распада.

На примере $\alpha$-распада радия:
массовое число ($226$) и заряд ($88$) распадающегося ядра атома радия равны соответственно сумме массовых чисел ($222 \space + \space 4 = 226$) и сумме зарядов ($86 \space + \space 2 = 88$) ядер атомов радона и гелия, образовавшихся в результате этого распада.

{"questions":[{"content":"При радиоактивном распаде зарядовое число $Z$ родительского ядра равно [[fill_choice_big-67]].","widgets":{"fill_choice_big-67":{"type":"fill_choice_big","options":["сумме зарядовых чисел продуктов распада","разности зарядовых чисел продуктов распада","массовому числу $A$ одного из дочерних ядер","нулю"],"answer":0}}}]}

Бета-распад

Теперь рассмотрим $\beta$-распад. В этом случае исходный атом излучает $\beta$-частицу — электрон.

Но мы говорили, что химический элемент определяет количество протонов в ядре, а не количество электронов в его электронной оболочке. Эти электроны говорят нам лишь о суммарном заряде атома. Он может быть электрически нейтральным, если количество электронов равно количеству протонов. Либо атом будет ионом, когда количество электронов больше или меньше количества протонов в его ядре. Почему тогда при $\beta$-распаде изменяется химический элемент? Как этот электрон влияет на состав атомного ядра?

Иногда вы можете услышать формулировку, что при $\beta$-распаде «электрон вылетает из ядра». Это упрощение. Важно понимать, что этого вылетающего электрона ($\beta$-частицы) нет ни в ядре, ни в самом атоме до распада. На самом деле в ядре происходит интересное превращение. Один из нейтронов превращается в протон и при этом рождается электрон:

$^1_0\text{n} \space \to \space ^1_1\text{p} \space + \space ^0_{−1}\text{e}$.

В случае $\beta$-распада вылетающий из ядра электрон является одним из продуктов этого превращения.

{"questions":[{"content":"Электрон является [[fill_choice_big-71]].","widgets":{"fill_choice_big-71":{"type":"fill_choice_big","options":["элементарной частицей","составляющей атомного ядра","промежуточной частицей, состоящей из еще более мелких частиц"],"answer":0}}}]}

Ядерное уравнение бета-распада

Так как один нейтрон превращается в протон, то в результате образуется новое ядро с тем же массовым числом. А вот атомный номер становится на единицу больше.

$^A_Z\text{X} \space \to \space ^{A}_{Z+1}\text{Y} \space + \space ^0_{−1}\text{e}$

В уравнениях $\beta$-распада вылетающая из ядра $\beta$-частица записывается как $^0_{−1}\text{e}$. Массовое число равно нулю, потому что масса электрона ничтожно мала по сравнению с массой протона или нейтрона. Зарядовое число равно $−1$. Это не означает «минус один протон». Знак «минус» здесь указывает на отрицательный элементарный заряд.

{"questions":[{"content":"В результате $\\beta$-распада образуется дочернее ядро и [[fill_choice_big-75]].","widgets":{"fill_choice_big-75":{"type":"fill_choice_big","options":["электрон","родительское ядро","ядро атома гелия без двух электронов","нейтрон"],"answer":0}}}]}

Бета-распад атома висмута

Рассмотрим в качестве примера $\beta$-распад атома висмута $^{210}_{83}\text{Bi}$. В нашем случае массовое число (210) отличается от атомной массы, которая указана в периодической таблице (209). Это значит, что речь идет об изотопе атома висмута.

Подставим эти данные в ядерное уравнение:
$^{210}_{83}\text{Bi} \space \to \space ^{A}_{Z+1}\text{Y} \space + \space ^0_{−1}\text{e}$.

Атомное число нового ядра после $\beta$-распада остается тем же: $210$.
Рассчитаем зарядовое число нового ядра: $83 \space + \space 1 = 84$.

В периодической таблице находим химический элемент под номером $84$ — это полоний ($Po$).

Тогда наше ядерное уравнением принимает вид:
$^{210}_{83}\text{Bi} \space \to \space ^{210}_{84}\text{Po} \space + \space ^0_{−1}\text{e}$.

В результате излучения $\beta$-частицы ядро атома висмута сохраняет свою атомную массу, но теряет один элементарный заряд. При этом оно превращается в ядро атома полония.

{"questions":[{"content":"При $\\beta$-распаде массовое число дочернего ядра [[fill_choice_big-79]].","widgets":{"fill_choice_big-79":{"type":"fill_choice_big","options":["равно массовому числу родительского ядра","равно зарядовому числу родительского ядра","равно нулю","на 4 единицы меньше массового числа родительского ядра"],"answer":0}}}]}

Правило смещения

Проанализировав превращения ядер при $\alpha$- и $\beta$-распадах, в 1913 году Казимир Фаянс и Фредерик Содди объединили выявленные закономерности в два правила. Их назвали правилами смещения (рисунки 11 и 12).

После $\alpha$-распада элемент смещается на две клетки к началу периодической таблицы.

После $\beta$-распада элемент смещается на одну клетку к концу периодической таблицы.

Так, при $\alpha$-распаде радий превращается в радон (рисунок 13).

А при $\beta$-распаде висмут превращается в полоний (рисунок 14).

{"questions":[{"content":"В результате $\\alpha$-распада химический элемент смещается на [[fill_choice_big-87]] таблицы Менделеева.","widgets":{"fill_choice_big-87":{"type":"fill_choice_big","options":["2 клетки к началу","2 клетки к концу","1 клетку к концу","4 клетки к началу"],"answer":0}}}]}

Радиоактивность: естественная и искусственная

На прошлом уроке мы дали первичное определение естественной радиоактивности. Это способность атомов некоторых химических элементов самопроизвольно испускать радиоактивное излучение. Теперь, зная процессы распада, мы можем дать более точное определение.

Радиоактивность — это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Естественная радиоактивность наблюдается у ряда химических элементов и их изотопов, которые существуют в природе. Например, $\alpha$-распад радия ($^{226}_{88}\text{Ra}$) или $\beta$-распад изотопа углерода ($^{14}_{6}\text{C}$).

Но существует еще искусственная радиоактивность. Она возникает, когда ядра облучают частицами (нейтронами, протонами и др.) в лабораторных условиях или в ядерных реакторах. В результате образуются новые нестабильные атомы (изотопы), которые начинают распадаться и испускать радиоактивное излучение.

{"questions":[{"content":"Радиоактивные ядра способны самопроизвольно [[fill_choice_big-96]].","widgets":{"fill_choice_big-96":{"type":"fill_choice_big","options":["превращаться в ядра других химических элементов","накапливать энергию","испускать радиоволны"],"answer":0}}}]}

Это интересно: антинейтрино и другие частицы

Современная запись процесса, происходящего в ядре атома при $\beta$-распаде, выглядит следующим образом:
$^1_0\text{n} \space \to \space ^1_1\text{p} \space + \space ^0_{−1}\text{e} \space + \space ^0_0\bar{\nu}_e$.

В формуле превращения нейтрона мы видим новую дополнительную частицу $\bar{\nu}_e$. Она называется антинейтрино.

Дело в том, что превращение нейтрона в ядре, записанное как $n = p \space + \space e^−$, является не до конца правдивым. Такая запись используется только в качестве упрощения в школьном курсе физики.

Радиоактивные превращения атомных ядер

Эксперименты показали, что электроны при $\beta$-распаде вылетают из ядер с разными энергиями. То есть иногда энергия, которую должен нести электрон, куда-то «пропадает». Получается, что закон сохранения энергии не работает?

Чтобы восстановить законы сохранения, в 1930 году физик Вольфганг Паули предположил существование еще одной частицы, которая уносит часть энергии. В 1956 году эту частицу официально зарегистрировали американские физики Фредерик Райнс и Клайд Коуэн в опытных установках на атомном реакторе. Эту частицу назвали антинейтрино. Она очень легкая и нейтральная. Антинейтрино почти не взаимодействует с веществом, поэтому его было так сложно обнаружить. 

Антинейтрино является анти-частицей нейтрино. Его существование предсказали раньше, а зарегистрировали позже анти-частицы.

Стандартная модель

После обсуждения этих частиц стало ясно, что объяснение $\beta$-распада — всего лишь первое окно в огромный мир частиц. В начале XX века ученые были уверены, что природа устроена достаточно просто. Есть протон, нейтрон и электрон — и на этом все. Да, знаний об этих частицах действительно достаточно, чтобы рассматривать некоторые ядерные процессы, чем мы и занимаемся. Но открытие нейтрино показало, что внутри атома происходят куда более сложные процессы. Это подтолкнуло развитие физики, и с середины XX века ученые стали обнаруживать все новые и новые частицы.

Сегодня науке известно уже более 350 различных частиц. Многие из них нестабильны. Они существуют доли секунды и распадаются на другие частицы. Однако среди всего этого огромного разнообразия только 17 частиц считаются фундаментальными, то есть неделимыми в рамках современной Стандартной модели (рисунок 15). Если учитывать античастицы, тогда 29. Именно эти частицы лежат в основе всего, что существует.

Но исследования продолжаются до сих пор. Физики все еще проверяют, нет ли за пределами известных частиц еще более глубокого уровня строения материи.

Упражнения

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 5

Определите массовое число, заряд ядра и название химического элемента $X$, образующегося в результате следующей реакции $\beta$-распада: $^{14}_{6}\text{C} \space \to \space X \space + \space ^0_{−1}\text{e}$.

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 6

Запишите ядерное уравнение $\alpha$-распада изотопа урана $^{235}_{92}\text{U}$. Какой элемент образуется в результате этой реакции?

Посмотреть ответ

Скрыть

Часто задаваемые вопросы