4.1. Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Реакции альфа- и бета-распада

Теоретическая справка

Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений.

Радиоактивность данного химического элемента не зависит от того, является ли химический элемент чистым или входит в состав какого-либо химического соединения. Радиоактивность не зависит от внешних условий: температуры, освещения, давления. Это означает, что радиоактивность представляет собой внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента.

Радиоактивный распад – самопроизвольный распад атомов радиоактивного вещества, в результате которого ядра одних химических элементов превращаются в ядра других химических элементов.

Распадающееся ядро $Х$ называется материнским ядром, ядро продукта распада $Y$– дочерним ядром.

Опыты Э. Резерфорда. Пучок радиоактивного излучения радия выходит сквозь узкое отверстие и попадает на фотопластинку (излучение радия происходит во все стороны, но сквозь толстый слой свинца оно пройти не может). После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно тёмное пятно — как раз в том месте, куда попадал пучок. Если пропустить радиоактивное излучение через сильное магнитное поле, то на проявленной пластинке возникает три пятна. Отклонение в разные стороны свидетельствует о разных знаках электрических зарядов частиц. В одном потоке присутствовали только положительно заряженные частицы, в другом — отрицательно заряженные. А центральный поток представлял собой излучение, не имеющее электрического заряда.

Положительный заряд был назван $\alpha$-излучение, оно представляет собой ядра атомов гелия . Отрицательный заряд был назван $\beta$-излучение представляет собой поток быстрых электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Оставшаяся компонента была названа $\gamma$-излучение, оно представляет собой электромагнитное излучение.

Проникающая способность $\alpha$-частиц в твердых телах обычно очень мала, $\beta$-частицы обладают большей проникающей способностью, чем $\alpha$-частицы. А $\gamma$- имеют самую большую проникающую способность. Для защиты от $\gamma$-излучения необходимы защитные стены или оболочки толщиной несколько десятков сантиметров или даже метров.

Превращения атомных ядер, которые сопровождаются испусканием $\alpha$- и $\beta$-частиц, называются соответственно $\alpha$- и $\beta$-распадом. Термина «$\gamma$-распад» не существует, так как $\alpha$- и $\beta$-распад сопровождаются $\gamma$-излучением.

Правила смещения

1. $\alpha$-распад: $_{Z}^{A}\textrm{X}=_{2}^{4}\textrm{He}+_{Z-2}^{A-4}\textrm{Y}$.

Если при радиоактивном превращении испускаются $\alpha$-частицы, то в результате такого превращения образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева на две клетки раньше исходного ядра плюс ядро атома гелия  (или $\alpha$-частица), например

$_{88}^{226}\textrm{Ra}=_{2}^{4}\textrm{He}+_{86}^{222}\textrm{Rn}$.

2. электронный $\beta$-распад: $_{Z}^{A}\textrm{X}=_{-1}^{0}\textrm{e}+_{Z+1}^{A}\textrm{Y}$.

Если при радиоактивном превращении испускаются $\beta$-частицы, то в результате такого превращения образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева в следующей после исходного ядра клетке плюс электрон, например

$_{27}^{60}\textrm{Co}=_{-1}^{0}\textrm{e}+_{28}^{60}\textrm{Ni}$.

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных ядер. На рисунке представлен график изменения количества N радиоактивных ядер с течением времени t.

Согласно графику период полураспада равен _________________________ с.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Видно, что за каждые 20 секунд количество атомов уменьшается в 2 раза, например, в интервале времени от 20 с до 40 с количество атомов уменьшается в два раза с $40 \cdot 10^6$ до $20 \cdot 10^6$. Значит, период полуспада равен 20 с.

Ответ: 20 с.

[свернуть]

2. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного большого числа радиоактивных ядер. На рисунке показан график изменения массы находящегося в пробирке радиоактивного изотопа с течением времени. Определите период полураспада этого изотопа.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Так как за время равное периоду полуспада количество атомов уменьшается в 2 раза, то и масса радиоактивного вещества также уменьшится в два раза. По графику видно, что это произойдет за 1 месяц (масса уменьшается с первоначальных 3 мг до 1,5 мг).

Ответ: 1 мес.

[свернуть]

3. На рисунке представлена цепочка превращений радиоактивного урана-238 в стабильный свинец-206.

Используя данные рисунка, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1. Уран-238 превращается в стабильный свинец-206 с последовательным выделением шести альфа-частиц и шести бета-частиц.
2. Самый малый период полураспада в представленной цепочке радиоактивных превращений имеет полоний-214.
3. Свинец с атомной массой 206 не подвержен самопроизвольному радиоактивному распаду.
4. Уран-234 в отличие от урана-238 является стабильным элементом.
5. Самопроизвольное превращение радия-226 в радон-222 сопровождается испусканием бета-частицы.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — неверно. В цепочек превращений 8 альфа-распадов.

Утверждение 2 — верно. Полоний-214 имеет период полураспада 0,000164 секунды, что меньше, чем у других элементов.

Утверждение 3 — верно. Изотоп свинца-206 является стабильным, т.е. не испытывает радиоактивный распад.

Утверждение 4 — неверно. Оба изотопа испытывают альфа-распад.

Утверждение 5 — неверно. Самопроизвольное превращение радия-226 в радон-222 сопровождается испусканием альфа-частиц.

Ответ: 23

[свернуть]

4. На рисунке представлена цепочка превращений радиоактивного урана-238 в стабильный свинец-206.

Используя данные рисунка, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1. В цепочке превращений урана-238 в стабильный свинец-206 выделяется шесть электронов.
2. Самый большой период полураспада в представленной цепочке радиоактивных превращений имеет уран-234.
3. Свинец-210 является стабильным элементом.
4. Самой высокой энергией обладают альфа-частицы, образуемые в результате радиоактивного распада полония-214.
5. Превращение висмута-214 в полоний-214 сопровождается испусканием ядра гелия.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — верно. В цепочек превращений 6 бета-распадов.

Утверждение 2 — неверно. Самый большой период полураспада у урана-238 (4,47 млрд. лет).

Утверждение 3 — неверно. Изотоп свинца-210 испытывает радиоактивный бета-распад.

Утверждение 4 — верно. При распаде полония-214 энергия альфа-частиц самая большая (7,69 МэВ).

Утверждение 5 — неверно. Превращение висмута-214 в полоний-214 сопровождается испусканием бета-частиц (электронов).

Ответ: 14

[свернуть]

5. При испускании γ-кванта

1. массовое и зарядовое числа ядра не изменяются
2. массовое и зарядовое числа ядра увеличиваются
3. массовое число ядра не изменяется, зарядовое число ядра увеличивается
4. массовое число ядра увеличивается, зарядовое число ядра не изменяется

Нажмите, чтобы увидеть решение

При испускании γ-кванта ни массовое, ни зарядовое числа ядра не меняются. 

Ответ: 1

[свернуть]

6. При α-распаде ядра его зарядовое число

1) уменьшается на 2 единицы
2) уменьшается на 4 единицы
3) увеличивается на 2 единицы
4) увеличивается на 4 единицы

Нажмите, чтобы увидеть решение

При α-распаде ядра его зарядовое число уменьшается на 2 единицы.

Ответ: 1

[свернуть]

7. Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией β-распада?

А. $_{7}^{15}\textrm{N}+_{1}^{1}\textrm{p}=_{6}^{12}\textrm{C}+_{2}^{4}\textrm{He}$
Б. $_{91}^{231}\textrm{Ac}=_{89}^{227}\textrm{Ac}+_{2}^{4}\textrm{He}$

1) только А       
2) только Б    
3) и А, и Б     
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

В результате β-распада образуется электрон. Этого не наблюдается ни в первой реакции, ни во второй. Первая реакции вообще не относится к радиоактивному распаду (бомбардировка атомов азота протонами), вторая — радиоактивный α-распад.

Ответ: 4

[свернуть]

8. Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией α-распада?

А. $_{92}^{239}\textrm{U}=_{93}^{239}\textrm{Np}+_{-1}^{0}\textrm{e}$
Б. $_{4}^{7}\textrm{Be}=_{2}^{3}\textrm{He}+_{2}^{4}\textrm{He}$

1) только А   
2) только Б    
3) и А, и Б     
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Первая реакция — реакция β-распада, т.к. образуется β-частица (электрон $_{-1}^{0}\textrm{e}$), а вторая — реакция α-распада, т.к. в результате распада образуется α-частица (ядро гелия $_{2}^{4}\textrm{He}$).

Ответ: 2

[свернуть]

9. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение (поток альфа-частиц), бета-излучение (поток бета-частиц) и гамма-излучение. Каковы знак и модуль заряда бета-частиц?

1. положительный и равный по модулю элементарному заряду
2. положительный и равный по модулю двум элементарным зарядам
3. отрицательный и равный по модулю элементарному заряду
4. бета-частицы не имеют заряда

Нажмите, чтобы увидеть решение

Заряд бета-частиц отрицательный, т.к. оно представляет собой поток электронов. Модуль заряда элетрона, а значит и бета-частицы, равен элементарному.

Ответ: 3

[свернуть]

10. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение (поток альфа-частиц), бета-излучение (поток бета-частиц) и гамма-излучение. Какой заряд имеет альфа-частица?

1. отрицательный и равный по модулю элементарному заряду
2. положительный и равный по модулю двум элементарным зарядам
3. отрицательный и равный по модулю двум элементарным зарядам
4. положительный и равный по модулю элементарному заряду

Нажмите, чтобы увидеть решение

Альфа-частица представляет собой поток полностью ионизированных атомов гелия или поток ядер гелия. Ядро имеет положительный заряд. Ядро гелия содержит два протона, значит его заряд будет равен двум элементарным.

Ответ: 2

[свернуть]

11. Ядро тория $_{90}^{230}\textrm{Th}$ превратилось в ядро радия $_{88}^{226}\textrm{Ra}$. Какую частицу испустило при этом ядро тория?

1. нейтрон $_{1}^{0}\textrm{n}$
2. протон $_{1}^{1}\textrm{p}$
3. α-частицу $_{2}^{4}\textrm{He}$
4. β-частицу $_{0}^{-1}\textrm{e}$

Нажмите, чтобы увидеть решение

В результате распада заряд ядра уменьшился на 2 единицы ($90-88=2$), а массовое число на 4 единицы ($230-226=4$). Значит, ядро тория испускает α-частицу $_{4}^{2}\textrm{He}$.

Ответ: 3

[свернуть]

12. Какой из типов радиоактивного излучения представляет собой поток положительно заряженных частиц?

1. α-излучение
2. β-излучение
3. γ-излучение
4. поток нейтронов

Нажмите, чтобы увидеть решение

Альфа-излучение представляет собой поток полностью ионизированных атомов гелия или поток ядер гелия, которые имеют положительный заряд.

Ответ: 1

[свернуть]

13. Радиоактивный препарат помещён в магнитное поле. В этом поле могут отклониться

А. α-лучи.
Б. β-лучи.

Правильным ответом является

1. только А
2. только Б
3. и А, и Б
4. ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

И α-лучи, и β-лучи отклоняются магнитным полем, т.к. представляют собой потоки заряженных частиц, движущиеся в магнитном поле. А на движущуюся в магнитном поле заряженную частицу действует сила Лоренца, вызывая искривление ее траектории.

Ответ: 3

[свернуть]

14. Естественная радиоактивность  элемента

1. зависит от температуры окружающей среды
2. зависит от атмосферного давления
3. зависит от химического соединения, в состав которого входит радиоактивный элемент
4. не зависит от перечисленных факторов

Нажмите, чтобы увидеть решение

Радиоактивность вещества зависит только от внутреннего строения атомов вещества и не зависит от температуры, атмосферного давления и иных факторов.

Ответ: 4

[свернуть]

15. Контейнер с радиоактивным веществом помещают в магнитное поле, в результате чего пучок радиоактивного излучения распадается на три компоненты (см. рисунок).

Компонента (2) соответствует

1. гамма-излучению
2. альфа-излучению
3. бета-излучению
4. протонному излучению

Нажмите, чтобы увидеть решение

Компонента 2 соответствует гамма-излучению, т.к. видно, что оно не отклоняется магнитным полем.

Ответ: 1

[свернуть]

16. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите, изотоп какого элемента образуется в результате электронного бета-распада висмута.

1. изотоп свинца
2. изотоп таллия
3. изотоп полония
4. изотоп астатина

Нажмите, чтобы увидеть решение

Напишем уравнение реакции электронного бета-распада висмута

$_{83}^{209}\textrm{Bi}=_{-1}^{0}\textrm{e}+_{84}^{209}\textrm{Po}$.

Образуется изотоп полония.

Ответ: 3

[свернуть]

17. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите, какое ядро образуется в результате α-распада ядра урана-238.

1. ядро протактиния
2. ядро тория
3. ядро нептуния
4. ядро плутония

Нажмите, чтобы увидеть решение

Напишем уравнение реакции α-распада ядра урана-238

$_{92}^{238}\textrm{U}=_{2}^{4}\textrm{He}+_{90}^{234}\textrm{Th}$.

Образуется ядро тория.

Ответ: 2

[свернуть]

18. Изотоп тория $_{90}^{230}\textrm{Th}$ претерпевает α-распад. Чему равно зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада?

Нажмите, чтобы увидеть решение

При α-распаде зарядовое число уменьшается на две единицы, т.е. зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада будет равно 88.

Ответ: 88

[свернуть]

19. Радиоактивный изотоп натрия $_{11}^{22}\textrm{Na}$ испытывает β-распад. Чему равно массовое число ядра, полученного в результате этого распада?

Нажмите, чтобы увидеть решение

При β-распаде массовое число ядра, полученного в результате этого распада, равно массовому числу ядра, испытывающего β-распад.

Ответ: 22

[свернуть]

20. Чему равно зарядовое число ядра, которое образуется из ядра радия $_{88}^{224}\textrm{Ra}$ после двух последовательных α-распадов?

Нажмите, чтобы увидеть решение

При каждом α-распаде зарядовое число уменьшается на две единицы, т.е. зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада будет равно 84.

Ответ: 84

[свернуть]

21. В результате α-распада ядра тория получилось ядро радия-226. Чему было равно массовое число этого изотопа тория?

Нажмите, чтобы увидеть решение

При α-распаде массовое число уменьшается на 4 единицы, т.е. зарядовое число ядра, испытавшего α-распад будет на 4 единицы больше, чем у радия с массовым числом 226: 226+4=230.

Ответ: 230

[свернуть]

22. В результате β-распада ядра нептуния возникает ядро плутония $_{94}^{240}\textrm{Pu}$. Чему было равно зарядовое число этого ядра нептуния?

Нажмите, чтобы увидеть решение

При β-распаде зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада, больше на единицу, чем зарядовое число ядра, испытавшего распад, т.е. зарядовое число нептуния будет равно 93.

Ответ: 93

[свернуть]

23. Каково зарядовое число ядра, получившегося в результате  электронного β-распада ядра осмия $_{76}^{195}\textrm{Os}$?

Нажмите, чтобы увидеть решение

При β-распаде зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада, увеличивается на единицу по сравнению зарядовым числом ядра, испытывающем распад, т.е. будет равно 77.

Ответ: 77

[свернуть]