[latexpage]В 1896 году французский физик А. Беккерель открыл явление названное позднее радиоактивностью. Беккерель обнаружил, что некоторые соли урана могут самопроизвольно испускать лучи, при попадании которых на фотопластинку, она засвечивалась.
В дальнейшем французскими физиками супругами М. Склодовская-Кюри (приехавшая из Польши) и П. Кюри было установлено, что этим свойством обладают атомы и других элементов, также ими было открыто несколько радиоактивных элементов. Именно по предложению супругов Кюри способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению назвали радиоактивностью. Именно тогда начинается бурное развитие физики атомного ядра и одни из выдающихся открытий того времени связаны с именем английского ученого Эрнеста Резерфорда.
Э. Резерфорд поставил своей задачей установить: каков состав радиоактивного излучения? Какие частицы вылетают из ядра при его распаде? Для ответа на эти вопросы, Резерфорд поместил пучок вылетающих из ядра частиц в сильное магнитное поле. Схема этого опыта представлена на рисунке ниже.
При проведении опыта Резерфорд установил, что пучок радиоактивного излучения расщепляется на три части, которые сам Резерфорд назвал α-, β- и γ-лучами. В дальнейшем было установлено, что:
- α-лучи — это поток полностью ионизированных атомов гели (или, проще говоря, ядер гелия) $_{2}^{4}\textrm{He}$,
- β-лучи оказались потоком быстрых электронов $_{-1}^{0}\textrm{e}$ (электронный $\beta ^{-}$-распад),
- γ-лучи — поток квантов электромагнитного излучения, обладающих большой энергией.
В 1934 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри обнаружили, что при радиоактивном распаде одного из изотопов фосфора образуются «положительно заряженные электроны». Эти частицы были названы — позитроны. Позитрон — это частица, масса которой равна массе электрона, а заряд равен модулю заряда электрона. Этот вид радиоактивного излучения называется позитронный $\beta ^{+}$-распад.
Существует также еще один вид превращения ядер с участием β-частиц — это так называемый К-захват. Ядро атома захватывает электрон, в результате протон превращается в нейтрон и сопровождается эта реакция испусканием нейтрино (квант нейтрального излучения, нейтральная фундаментальная частица с небольшой массой)
Сформулируем правила, согласно которым изменяются массовое и зарядовое числа атомного ядра при его α-распаде (испускании α-частиц) и β-распадах (испускании электронов и позитронов). Эти правила называются также правилами смещения.
Правило смещения для α-распада: при α-распаде ядро атома теряет положительный заряд $2e$, а его масса уменьшается примерно на 4 а.е.м., в результате элемент смещается на две клетки ближе к началу периодической системы химических элементов (ПСХЭ). В символьной форме правило выглядит так:
$_{Z}^{A}\textrm{X}=_{2}^{4}\textrm{He}+_{Z-2}^{A-4}\textrm{Y}$.
Правило смещения для электронного $\beta ^{-}$-распада: при $\beta ^{-}$-распаде нейтрон превращается в протон и из ядра вылетает электрон и антинейтрино (античастица нейтрино). В результате $\beta ^{-}$-распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу ПСХЭ:
$_{Z}^{A}\textrm{X}=_{-1}^{0}\textrm{e}+_{Z+1}^{A}\textrm{Y}+\widetilde{\nu _e}$.
Следует заметить, что этот тип распада всегда сопровождается образованием антинейтрино, поэтому часто в реакциях эту частицу не указывают.
Правило смещения для позитронного $\beta ^{+}$-распада: при $\beta ^{+}$-распаде протон заимствует энергию у соседних нуклонов в результате образуется три частицы- нейтрон, позитрон и нейтрино. В результате $\beta ^{+}$-распада элемент смещается на одну клетку ближе к началу ПСХЭ:
$_{Z}^{A}\textrm{X}=_{1}^{0}\textrm{e}+_{Z-1}^{A}\textrm{Y}+\nu $.
Пример. Радиоактивный изотоп свинца $_{82}^{212}\textrm{Pb}$ испытал один α-распад и два β-распада. Напишите уравнения распада и определите образовавшийся элемент.
Решение. Напишем требуемые уравнения, пользуясь правилами смещения для α-и два β-распадов
$_{82}^{212}\textrm{Pb}=_{80}^{208}\textrm{Hg}+_{2}^{4}\textrm{He}$,
$_{80}^{208}\textrm{Hg}=_{81}^{208}\textrm{Tl}+_{-1}^{0}\textrm{e}$,
$_{81}^{208}\textrm{Tl}=_{82}^{208}\textrm{Pb}+_{-1}^{0}\textrm{e}$.
Как видно, в результате этой серии распадов образуется изотоп свинца, отличающийся от первоначального по массе. При решении задачи решении задачи, мы исходили из того, что происходит именно электронный β-распад, если в задаче хотят показать позитронный β-распад, то это слово непременно встретится в условии задачи.
Пример. Какой изотоп образуется из урана $_{92}^{239}\textrm{U}$ после двух электронных и одного позитронного β-распадов и двух α-распадов?
Решение. Воспользуемся правилами смещения для соответствующих распадов
$_{92}^{239}\textrm{U}=_{93}^{239}\textrm{Np}+_{-1}^{0}\textrm{e}$,
$_{93}^{239}\textrm{Np}=_{94}^{239}\textrm{Pu}+_{-1}^{0}\textrm{e}$,
$_{94}^{239}\textrm{Pu}=_{93}^{239}\textrm{Np}+_{1}^{0}\textrm{e}$,
$_{93}^{239}\textrm{Np}=_{91}^{235}\textrm{Pa}+_{2}^{4}\textrm{He}$,
$_{91}^{235}\textrm{Pa}=_{89}^{231}\textrm{Ac}+_{2}^{4}\textrm{He}$.
Пример. Какой изотоп образуется из тория $_{90}^{232}\textrm{Pu}$ после четырех α-распадов и двух электронных β-распадов?
Решение. Решим данную задачу без написания уравнений. Известно, что при каждом α-распаде зарядовое число уменьшается на 2 единицы, а массовое на четыре а.е.м., с другой стороны при электронном β-распаде зарядовое число увеличивается на единицу, а массовое остается без изменений. Тогда, получим
$Z=90-4 \cdot 2 +2\cdot 1=84$,
$A=232-4 \cdot 4 = 216$,
где $Z$ и $A$ — зарядовое и массовое числа образовавшегося в результате цепочки превращений элемента. Значит образуется изотоп полония-216 — $_{84}^{216}\textrm{Po}$.
Пример. Ядро состоит из 92 протонов и 144 нейтронов. Сколько протонов и нейтронов будет содержать ядро, образовавшееся после испускания двух α-частиц и одной β-частицы?
Решение. Решим задачу рассуждая также, как и в предыдущем примере. Заметим вначале только, что зарядовое число химического элемента претерпевающего данные изменения равны соответственно $Z=92$ (Уран) и $A=Z+N=92+144=236$. Теперь рассчитаем зарядовое и массовое числа для дочернего элемента
$Z=92-2 \cdot 2+1 \cdot 1 = 89$,
$A=236-2 \cdot 4=228$.
Отвечаем на вопрос задачи. Ядро, образовавшееся в результате серии распадов, будет содержать 89 протонов (количество протонов равно зарядовому числу), а также число нейтронов $N=A-Z=228-89=139$.
Пример. Сколько происходит α-распадов и β-распадов при радиоактивном распаде $_{92}^{238}\textrm{U}$, если он превращается в $_{82}^{198}\textrm{Pb}$?
Решение. Определим сначала количество произошедших α-распадов. Достаточно заметить, что при только при α-распадах будет уменьшаться массовое число, причем при каждом таком распаде оно уменьшается на 4 единицы. Используем это
$238-198=40$,
$40:4=10$ — α-распадов.
При этом зарядовое число после 10 α-распадов должно было уменьшиться на — $10 \cdot 2=20$. На деле же мы видим, что изменение зарядового числа равно $92-82=10$. Так как при каждом β-распаде зарядовое число увеличивается на единицу, получаем, что число β-распадов равно $20-10=10$. Итого — 10 α-распадов и 10 β-распадов.
Пример. Сколько α- и β-частиц выбрасывается при превращении ядра урана $_{92}^{235}\textrm{U}$ в ядро висмута $_{83}^{211}\textrm{Bi}$?
Решение. Будем рассуждать, как в предыдущей задаче, получим
$235-211=24$,
$24:4=6$ (α-распадов),
$6 \cdot 2=12$,
$92-83=9$,
$12-9=3$ (β-распадов).
Задачи для самостоятельного решения
1. Ядро изотопа кобальта $_{27}^{60}\textrm{Co}$ выбросило отрицательно заряженную β-частицу. В какое ядро превратилось ядро кобальта? Напишите ядерную реакцию.
$_{28}^{60}\textrm{Ni}; \; \; \; _{27}^{60}\textrm{Co}=_{28}^{60}\textrm{Ni}+_{-1}^{0}\textrm{e}$.
2. При радиоактивном распаде из ядра $_{92}^{238}\textrm{U}$ испускается α-частица. Напишите формулу ядерной реакции. В ядро какого элемента превращается в процессе распада ядро атома урана?
$_{90}^{234}\textrm{Th}; \; \; \; _{92}^{238}\textrm{U}=_{90}^{234}\textrm{Th}+_{2}^{4}\textrm{He}$.
3. Радиоактивный изотоп золота $_{79}^{196}\textrm{Au}$ может претерпевать как электронный, так и позитронный β-распад. Записать соответствующие реакции.
$ _{79}^{196}\textrm{Au}=_{80}^{196}\textrm{Hg}+_{-1}^{0}\textrm{e}$,
$ _{79}^{196}\textrm{Au}=_{78}^{196}\textrm{Pt}+_{1}^{0}\textrm{e}$.
4. Какой изотоп образуется из лития $_{3}^{8}\textrm{Hg}$ после одного электронного β-распада и одного α-распада?
$_{2}^{4}\textrm{He}$.
5. Некоторый радиоактивный ряд (цепочки последовательных α- и электронных β-распадов, в результате которых из начальных радиоактивных изотопов получаются стабильные ядра), начинается с изотопа, содержащего 235 нуклонов, и заканчивается на изотопе с порядковым номером 82. При этом включает семь α-распадов и четыре электронных β-распадов. Определить недостающие характеристики начального и конечного изотопов ряда. Каким элементам они принадлежат?
Уран $_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow$свинец $_{82}^{207}\textrm{Pb}$.
6. Радиоактивный изотоп $_{90}^{232}\textrm{Th}$ испытал пять α-распадов и три β-распада. Определите образовавшийся элемент.
$_{83}^{212}\textrm{Bi}$.
7. Какой изотоп тория $Th$ является родоначальником радиоактивного ряда, если в результате шести α-распадов и четырех электронных β-распадов из него образуется
стабильный изотоп свинца $_{82}^{208}\textrm{Pb}$?
$_{82}^{238}\textrm{Th}$.
8. Вследствие радиоактивного распада ядро изотопа урана $_{92}^{238}\textrm{U}$ превращается в $_{82}^{206}\textrm{Pb}$. Чему равно количество α-распадов и β-распадов?
8 α-распадов и 6 β-распадов.
9. Изотоп $_{88}^{226}\textrm{Ra}$ превратился в изотоп $_{82}^{206}\textrm{Pb}$. Чему равно количество α-распадов и β-распадов?
5 α-распадов и 4 β-распадов.
10. Изотоп нептуния $_{93}^{237}\textrm{Np}$ — родоначальник радиоактивного ряда, включающего в себя 11 реакций. На каком изотопе висмута $_{83}^{}\textrm{Bi}$ он заканчивается и сколько α-распадов и β-распадов включает?
$_{83}^{209}\textrm{Bi}$, 7 α-распадов и 4 β-распадов.