Радиоактивный распад происходит, когда нестабильное ядро высвобождает энергию посредством излучения и становится стабильным ядром. Радиоактивный распад может происходить в виде альфа-частиц, бета-частиц, гамма-лучей, испускания позитронов, захвата электронов и т. д. Несколько примеров радиоактивного распада подробно обсуждаются в этой статье.
Альфа-распад ядра урана-238
Уран-238, наиболее распространенный изотоп урана, подвергается альфа-распаду и образует торий-234. Во время этой реакции нестабильное ядро урана-238 теряет 2 протона и 2 нейтрона с образованием тория-234. Альфа-частицу можно рассматривать как ядро гелия.
Альфа-частицы обладают меньшей проникающей способностью, чем другие формы излучения. Иногда в процессе распада испускаются слабые гамма-лучи. Из всех процессов радиоактивного распада наименее опасен альфа-распад.
Радиоактивный распад можно представить как
Цепь распада уранаКредиты на изображения: Wikimedia Commons
Бета-распад ядра тория-234
Нуклид тория-234 подвергается бета-распаду с высвобождением электрона, и образуется протактиний-234. Этот вид бета-распада известен как бета-минус-распад, поскольку высвобождается энергичный отрицательный электрон.
Процесс распада можно изобразить следующим сбалансированным уравнением:
представляет собой антинейтрино.
Как упоминалось ранее, распад тория-234 до протактиния-234 представляет собой бета-минус-распад. Основной процесс состоит в том, что нейтрон распадается на протон и электрон; и электрон вылетает из ядра, а протон остается внутри ядра.
Альфа-распад ядра полония-210
Полоний является одним из встречающихся в природе радиоактивных элементов и встречается в относительно очень низких концентрациях в земной коре.
Полоний-210, стабильный изотоп полония, распадается на стабильное ядро свинца-206, испуская альфа-частицу. Альфа-частицы, испускаемые полонием-210, способны ионизовать соседний воздух, который, в свою очередь, нейтрализует статическое электричество на поверхностях, контактирующих с воздухом.
Процесс распада можно представить следующим образом:
Полоний-210 находит применение во многих антистатические устройства, которые в основном используются для устранения статического электричества в некоторых устройствах из-за свойства испускаемых альфа-частиц.
Бета-распад ядра йода-131
Ядро йода-131 подвергается бета-распаду и образует стабильное ядро ксенона-131. Это тоже бета-минус-распад.
Реакция распада выглядит следующим образом:
Поскольку испускаются как бета-частицы, так и гамма-лучи, они также известны как бета-гамма-излучатели. Это делает его полезным в области ядерной медицины.
Бета распадКредиты на изображения: Wikimedia Commons
Гамма-распад ядра кобальта-60
Кобальт-60 — радиоактивный изотоп кобальта, не встречающийся в природе.
Фактическая реакция происходит путем бета-распада кобальта-60 с образованием стабильного никеля-60, и это ядро испускает два гамма-луча.
Реакцию можно представить в виде:
Будучи излучателем гамма-излучения высокой интенсивности, кобальт-60 имеет несколько применений, таких как источник излучения для лучевой терапии, облучение пищевых продуктов, стерилизация насекомых-вредителей и так далее.
Позитронное излучение ядра Oxygen-15
Отношение нейтронов к протонам является ключевым фактором, определяющим стабильность любого ядра. Радиоактивный распад происходит для стабилизации ядра.
В кислороде-15 число нейтронов равно 7, что меньше числа протонов, то есть 8. Следовательно, он подвергается эмиссии позитронов и образуется азот-15. Позитронное излучение иначе известно как бета-плюс-распад.
Вот что происходит при испускании позитронов:
Реакцию бета плюс распада кислорода-15 можно представить в виде:
Электронный захват калия-40
Калий-40 является примером встречающегося в природе радиоактивного изотопа калия, но в относительно небольшой доле, около 0.012%.
Электронный захват — это процесс радиоактивного распада, когда в ядре имеется избыток протонов по сравнению с нейтронами в дополнение к недостаточной энергии для испускания позитронов.
При захвате электрона ядро захватывает атомный электрон и, следовательно, протон превращается в нейтрон.
Электронный захват калия-40
Электронный захватКредиты на изображения: Wikimedia Commons
Альфа-распад ядра урана-234
Уран-234 является непрямым продуктом распада урана-238 и немедленно превращается в торий-230 путем альфа-распада.
Испускаемая альфа-частица имеет сравнительно меньшую проникающую способность, и образуется торий-230.
Реакция распада это:
Альфа-распад ядра тория-230
Торий-230 является одним из встречающихся в природе радиоактивных изотопов тория.
Торий-230 является частью ряда распада урана, а радий-226 является продуктом радиоактивного распада этого ядра тория. Во время процесса испускаются альфа-частицы.
Альфа-распад может быть показан как:
Торий-230, являющийся продуктом распада урана-238, встречается в месторождениях урана и в хвостах урановых заводов.
Альфа-распад радия-226
Радий является излучателем альфа-частиц, продуктом распада ряда урана-238 и присутствует в горных породах и почвах в различных количествах.
Радий-226 дает радон-222, радиоактивный инертный газ при испускании альфа-частиц.
Радий очень радиоактивен, так как он примерно в миллион раз более радиоактивен, чем уран, а продукт распада радон в настоящее время используется для лечения различных форм рака.
Альфа-распад радия-226Кредиты на изображения: Wikimedia Commons
Альфа-распад ядра полония-218
Полоний-218 распадается в основном в результате альфа-распада, хотя наблюдается, что в некоторых случаях бета-излучение происходит в меньших количествах.
Альфа-распад полония-218 можно представить следующей реакцией:
Альфа-распад ядра Радона-222
Радон-222, высокорадиоактивный газообразный элемент, является наиболее стабильным изотопом радона. Радон-222 является одной из основных причин рака легких, так как это газ и радиоактивность.
Радон-222 подвергается альфа-распаду и образуется полоний-218.
Радон является основным канцерогенным агентом, поскольку его можно вдыхать, а перед выдохом он подвергается распаду с образованием альфа-частиц и/или гамма-лучей, которые могут повредить наши клетки. Следовательно, радон может вызвать рак легких.
Бета-распад свинца-214
Свинец-214 подвергается бета-излучению и образует висмут-214. Тип бета-распада – бета-минус-распад.
Радиоактивный процесс можно представить в виде:
Бета-распад висмута-214
Висмут-214 подвергается бета-распаду с образованием нуклида полония-214. Процесс распада представляет собой бета-минус-распад.
В основе лежит реакция:
Альфа-распад полония-214
Альфа-распад полония-214 дает свинец-210.
Представление реакции распада:
Бета-распад свинца-210
Свинец-210 представляет собой природный радиоактивный нуклид ряда распада урана.
Бета-минус-распад свинца-210 дает висмут-210. Этот процесс сопровождается выделением энергии через гамма-лучи.
Реакцию бета-минус-распада можно представить следующим образом:
Бета-распад висмута-210
Висмут-210 подвергается бета-распаду и образует полоний-210.
Бета-минус-распад можно изобразить следующим образом:
В природе полоний в большей степени содержится в табаке. Будучи альфа-излучателем при курении табака, полоний вдыхается, что приводит к повреждению клеток из-за испускаемых альфа-частиц полония.
Заключение
В этой статье несколько радиоактивных распадов примеры подробно обсуждались. Несмотря на то, что воздействие радиации вредно в некоторых случаях; некоторые процессы радиоактивного распада находят применение в медицине, особенно для лечения рака. Помимо медицинских применений, в некоторых промышленных процессах используется процесс разложения в зависимости от потребностей.
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 $eta$-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, $eta$-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 $eta$-частиц, называются соответственно $alpha$- и $eta$-распадом. Термина «$gamma$-распад» не существует, так как $alpha$- и $eta$-распад сопровождаются $gamma$-излучением.
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
Если при радиоактивном превращении испускаются $eta$-частицы, то в результате такого превращения образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева в следующей после исходного ядра клетке плюс электрон, например
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.
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.
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.
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.
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.
4. На рисунке представлена цепочка превращений радиоактивного урана-238 в стабильный свинец-206.
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.
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).
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
При испускании γ-кванта ни массовое, ни зарядовое числа ядра не меняются.
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
При α-распаде ядра его зарядовое число уменьшается на 2 единицы.
7. Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией β-распада?
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
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.
8. Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией α-распада?
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
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
Заряд бета-частиц отрицательный, т.к. оно представляет собой поток электронов. Модуль заряда элетрона, а значит и бета-частицы, равен элементарному.
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
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.
12. Какой из типов радиоактивного излучения представляет собой поток положительно заряженных частиц?
Альфа-излучение представляет собой поток полностью ионизированных атомов гелия или поток ядер гелия, которые имеют положительный заряд.
13. Радиоактивный препарат помещён в магнитное поле. В этом поле могут отклониться
Правильным ответом является
1. только А
2. только Б
3. и А, и Б
4. ни А, ни Б
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.
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
Радиоактивность вещества зависит только от внутреннего строения атомов вещества и не зависит от температуры, атмосферного давления и иных факторов.
15. Контейнер с радиоактивным веществом помещают в магнитное поле, в результате чего пучок радиоактивного излучения распадается на три компоненты (см. рисунок).
Компонента (2) соответствует
4. протонному излучению
Компонента 2 соответствует гамма-излучению, т.к. видно, что оно не отклоняется магнитным полем.
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
Напишем уравнение реакции электронного бета-распада висмута
Образуется изотоп полония.
17. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите, какое ядро образуется в результате α-распада ядра урана-238.
1. ядро протактиния
3. ядро нептуния
4. ядро плутония
Напишем уравнение реакции α-распада ядра урана-238
Образуется ядро тория.
При α-распаде зарядовое число уменьшается на две единицы, т.е. зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада будет равно 88.
При β-распаде массовое число ядра, полученного в результате этого распада, равно массовому числу ядра, испытывающего β-распад.
При каждом α-распаде зарядовое число уменьшается на две единицы, т.е. зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада будет равно 84.
21. В результате α-распада ядра тория получилось ядро радия-226. Чему было равно массовое число этого изотопа тория?
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.
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.
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.