Конспект урока: Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Причины радиоактивности. Альфа- и бета-распады. Правила смещения

• Причины радиоактивности
• Альфа-распад. Правило смещения при альфа-распаде
• Бета-распад. Правило смещения при бета-распаде

• знать причины радиоактивности
• знать, что такое альфа-распад
• знать, что такое бета распад
• знать, как меняются массовое и зарядовое числа изотопа при альфа- и бета-распадах

• Сформулируйте закон радиоактивного распада.
• Какие силы называются ядерными?
• Сколько протонов и нейтронов находится в атоме гелия ${}_{2}^{4}He$?

Причина радиоактивности

Атомное ядро, как и любая система, стремится перейти в состояние с меньшей энергией, избавляясь от её избытка. Отсюда следует, что радиоактивные спонтанные превращения происходят тогда, когда энергия распадающегося ядра больше суммы энергий продуктов распада. Именно поэтому радиоактивные распады всегда сопровождаются выделением энергии.

Энергия взаимодействия нуклонов в ядре обусловлена наличием двух взаимно-подавляющих сил: силы кулоновского взаимного отталкивания между одноимённо заряжёнными протонами и ядерных сил притяжения между всеми нуклонами. Среди ядер с заданным массовым числом самыми стабильными будут те, энергия которых минимальна. Данное условие выполняется при определённом соотношении между зарядовым числом и числом нейтронов. 

В случае когда это соотношение нарушено из-за превышения числа протонов, то силы их взаимного отталкивания уже не могут быть скомпенсированы силами ядерного притяжения, поскольку имеющихся нейтронов для этого недостаточно. В результате ядро находится в неустойчивом положении и стремится избавиться от излишка энергии. Менее устойчивыми являются и ядра с избытком нейтронов. Это обусловлено тем, что масса нейтрона больше массы протона, а увеличение массы ядра приводит, соответственно, к увеличению его энергии.

Ядра, имеющие избыточную энергию, могут «избавиться» от неё двумя способами. Во-первых, в результате деления ядра на более устойчивые части. Во-вторых, за счёт изменения, соответственно, протонов и нейтронов в ядре.

Альфа-распад. Правило смещения

Рассмотрим некоторые наиболее распространённые радиоактивные реакции. К самопроизвольному (спонтанному) делению ядер относится альфа-распад.

Альфа-распадом называется самопроизвольный распад атомного ядра на альфа-частицу (ядро атома гелия ${}_{2}^{4}He$) и ядро-продукт. Альфа-радиоактивны почти исключительно ядра тяжёлых элементов с порядковым номером $Z > 82$. При вылете альфа-частицы из ядра число протонов в ядре уменьшается на два и продукт альфа-распада оказывается ядром элемента с порядковым номером на две единицы меньшим исходного, массовое число ядра-продукта меньше массового числа исходного ядра на четыре единицы.

Такое ядерное превращение можно записать следующим образом:

${}_{Z}^{A}X \rightarrow {}_{Z — 2}^{A — 4}Y + {}_{2}^{4}H e$.

Например, продуктом альфа-распада ядра изотопа урана ${}_{92}^{238}U$ является ядро изотопа тория ${}_{90}^{234}T h$:

${}_{92}^{238}U \rightarrow {}_{90}^{234}T h + {}_{2}^{4}H e$.

Распадающееся ядро называют материнским, а новое ядро, образовавшееся в результате вылета альфа-частицы, — дочерним.

Образующийся при альфа-распаде изотоп расположен в таблице Д. И. Менделеева на две клетки ближе к её началу, чем исходный. Это правило называют правилом смещения при альфа-распаде.

Правило смещения при альфа-распаде

При альфа-распаде исходного изотопа образуются альфа-частица и изотоп, массовое число которого на четыре, а зарядовое число на два меньше, чем у исходного изотопа.

Бета-распад. Правило смещения

Ко второму способу радиоактивного распада относятся бета-распады двух типов.

Феномен электронного бета-распада, который обозначается как $\beta^{-}$-распад, представляет собой самопроизвольное превращение одного бета-радиоактивного атомного ядра в другое путём испускания электрона. Данное явление обусловлено способностью протонов и нейтронов к взаимным превращениям. Суммарная масса протона и электрона меньше массы нейтрона, значит, запас полной энергии нейтрона больше запаса энергии протона и электрона. Таким образом нейтрон может самопроизвольно превращаться в протон $p$ с испусканием электрона и электронного антинейтрино $\overline{\nu}$:

${}_{0}^{1}n \rightarrow {}_{1}^{1}p + {}_{- 1}^{0}e^{-} + {}_{0}^{0}\overline{\nu}_{e}$.

Распады свободных протонов на какие-либо частицы до сих пор не наблюдались.

Электронный бета-распад

При электронном бета распаде, или $\beta^{-}$-распаде, атомное ядро ${}_{Z}^{A}X$ самопроизвольно испускает электрон $e^{-}$ и электрически нейтральную очень лёгкую частицу электронное антинейтрино $\left(\bar{\nu}\right)_{e}$. В данном случае распадающееся ядро превращается в ядро с тем же массовым числом $A$, но с большим на единицу зарядовым числом $Z + 1$:

${}_{Z}^{A}X \rightarrow {}_{Z + 1}^{A}Y + {}_{- 1}^{0}e + {}_{0}^{0}\bar{\nu}_{e}$.

Позитронный бета-распад для свободного протона невозможен. Однако такой распад возможен в ядре, если это ядро обладает избытком энергии. Уравнение такого процесса имеет следующий вид:

${}_{1}^{1}p \rightarrow {}_{0}^{1}n + {}_{1}^{0}e^{+} + {}_{0}^{0}\nu_{e}$.

Позитронный бета-распад

При позитронном бета-распаде, или $\beta^{+}$-распаде, атомное ядро ${}_{Z}^{A}X$ самопроизвольно испускает частицу с характеристиками электрона, но положительным зарядом равным по модулю заряду электрона — позитроном $e^{+}$ — и электрически нейтральную очень лёгкую частицу электронное нейтрино $\nu_{e}$. В данном случае распадающееся ядро превращается в ядро с тем же массовым числом $A$, но с большим на единицу зарядовым числом $Z — 1$:

${}_{Z}^{A}X \rightarrow {}_{Z — 1}^{A}Y + {}_{1}^{0}e + {}_{0}^{0}\nu_{e}$.

Выражения

${}_{Z}^{A}X \rightarrow {}_{Z + 1}^{A}Y + {}_{- 1}^{0}e + {}_{0}^{0}\bar{\nu}_{e}$,

${}_{Z}^{A}X \rightarrow {}_{Z — 1}^{A}Y + {}_{1}^{0}e + {}_{0}^{0}\nu_{e}$

называют правилами смещения при электронном и позитронном бета-распадах соответственно.

Основной отличительной чертой бета-распадов является то, что они обусловлены не сильным и не электромагнитным взаимодействиеи, а ещё одним из типов фундаментальных взаимодействий в природе — слабым.

Бета-распад — процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. Этот процесс, в отличие от альфа-распада, наблюдается при всех значениях массового числа изотопа.

Пример 1

Какой изотоп образуется из урана ${}_{92}^{239}U$ после двух $\beta$-распадов и одного 
$\alpha$-распада?

Решение
 

1. Если в условии задачи не уточняется, какой конкретно бета-распад происходит, то принято предполагать электронный бета-распад. Запишем реакции радиоактивного бета-распада:

1) ${}_{92}^{239}U \rightarrow {}_{93}^{239}U + {}_{- 1}^{0}\left(e^{-} + {}_{0}^{0}\overline{\nu}_{e}\right)$,

2) ${}_{93}^{239}U \rightarrow {}_{94}^{239}U + {}_{- 1}^{0}\left(e^{-} + {}_{0}^{0}\overline{\nu}_{e}\right)$.
 

2. Запишем ядерное превращение при альфа-распаде:

${}_{94}^{239}U \rightarrow {}_{94 — 2}^{239 — 4}Y + {}_{2}^{4}H e$,

${}_{94}^{239}U \rightarrow {}_{92}^{235}U + {}_{2}^{4}H e$.

Ответ: ${}_{92}^{235}U$.

Упражнение 1

1. В результате какого радиоактивного распада плутоний ${}_{94}^{239}P u$ превращается в уран ${}_{92}^{235}U$?
 

2. В результате какого радиоактивного распада натрий ${}_{11}^{22}N a$ превращается в магний ${}_{12}^{22}M g$?
 

3. Написать реакцию $\alpha$-распада урана ${}_{92}^{238}U$ и $\beta$-распада свинца ${}_{82}^{209}P b$.

Контрольные вопросы

1. В чём причина нестабильности радиоактивных ядер?
2. Что называют альфа-распадом?
3. Что называют электронным бета-распадом? А позитронным бета-распадом?
4. Как меняются массовое и зарядовое числа исходного изотопа при: 
а) альфа-распаде; б) бета-распаде?
5. Сформулируйте правило смещения при альфа- и бета-распаде.

Ответы

Упражнение 1

1. $\alpha$-распад

2. $\beta$-распад

Источник: https://onlineschool-1.ru/encyclopedia/11-klass/fizika/radioaktivnost-zakon-radioak/article/