Атом, ядро и радиоактивность

Здесь разобрано, как устроены атомы, чем отличаются виды излучения и как решать задачи на состав ядра, полураспад и ядерные реакции.

В центре атома находится маленькое положительно заряженное ядро, вокруг него — электронная оболочка. Ядро состоит из протонов и нейтронов. При радиоактивном распаде неустойчивое ядро превращается в другое ядро и испускает частицы или излучение. Для большого числа одинаковых радиоактивных ядер можно рассчитать, какая доля в среднем останется через заданное время.

В записи ${}^{A}_{Z}X$ верхнее число $A$ — число всех частиц в ядре, а нижнее $Z$ — число протонов. Эти два числа помогают определить состав ядра и проверить ядерную реакцию. Период полураспада описывает скорость уменьшения числа исходных радиоактивных ядер.

Радиоактивный распад происходит самопроизвольно. Нельзя заранее назвать момент распада отдельного ядра, но для большого числа одинаковых ядер действует закономерность полураспада.

Альфа-частица — ядро гелия из двух протонов и двух нейтронов. При бета-минус-распаде из ядра вылетает электрон, а один нейтрон превращается в протон. Этот электрон образуется при превращении и не прилетает из электронной оболочки. Бета-плюс-распад сопровождается испусканием позитрона — частицы с массой электрона и положительным зарядом. Гамма-излучение — электромагнитное излучение; при его испускании массовое и зарядовое числа не меняются.

Пример: ядро испустило альфа-частицу. Оно потеряло четыре ядерные частицы, в том числе два протона. Поэтому новое массовое число на 4 меньше, а зарядовое — на 2 меньше. При гамма-излучении такого изменения нет.

В опыте поток альфа-частиц направляли на тонкую металлическую фольгу. Большинство проходило почти прямо, небольшая часть сильно отклонялась, а отдельные частицы возвращались назад. Из этого сделали вывод: почти вся масса и положительный заряд атома сосредоточены в очень маленьком ядре.

Пример объяснения: сильное отклонение положительной альфа-частицы возникает, если она проходит близко к положительному ядру и отталкивается от него. Большинство частиц не проходит так близко, поэтому резко не отклоняется. Школьная планетарная модель помогает представить ядро и оболочку, но не описывает все свойства электронов как движение обычных планет.

Протон имеет заряд $+e$, нейтрон электрически нейтрален. Поэтому зарядовое число равно числу протонов. Массовое число включает и протоны, и нейтроны:

Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов. У иона число электронов другое, но ядро при обычной ионизации не меняется.

Пример: у углерода-14 $A=14$, $Z=6$. В ядре 6 протонов и $14-6=8$ нейтронов, в нейтральном атоме 6 электронов. У углерода-12 тоже 6 протонов, но 6 нейтронов. Значит, это изотопы одного элемента.

Период полураспада $T_{1/2}$ — время, за которое в среднем распадается половина исходных радиоактивных ядер. За следующий такой же промежуток распадается половина оставшихся, а не ещё половина начального количества.

Здесь $N_0$ — начальное число ядер, $N$ — число нераспавшихся, $t$ — время. Пример: за три периода от 8000 ядер в среднем останется $8000\div2\div2\div2=1000$. Распадётся $8000-1000=7000$. На графике период можно найти по времени уменьшения числа ядер вдвое, например от 6000 до 3000.

В школьной записи ядерной реакции отдельно складывают верхние массовые числа и нижние зарядовые числа. Суммы до и после реакции должны совпасть. Это помогает найти неизвестную частицу.

Пример: после альфа-распада урана-238 образуется торий-234:

Проверяем: $238=234+4$ и $92=90+2$. В записи бета-минус-распада электрон имеет массовое число 0 и зарядовое число $-1$, поэтому у нового ядра $A$ прежнее, а $Z$ увеличивается на 1. Полное физическое описание бета-распада включает также нейтрино или антинейтрино; в школьных задачах их могут не записывать.

Естественный радиационный фон связан с космическими лучами и радиоактивными веществами в природе. Ионизирующее излучение может выбивать электроны из атомов и изменять вещество. Альфа-, бета- и гамма-излучение различаются проникающей способностью: один экран не одинаково подходит для всех видов.

Пример школьного объяснения: лист бумаги задерживает альфа-частицы, но не обеспечивает такую же защиту от гамма-излучения. При внешнем облучении учитывают длительность воздействия, расстояние и подходящее экранирование. Малую проникающую способность альфа-частиц нельзя понимать как безвредность источника при попадании внутрь организма.

Счётчик частиц регистрирует события прохождения излучения. Дозиметр измеряет или оценивает дозу в пределах своей калибровки. В камере Вильсона вдоль пути заряженной частицы образуются капельки, поэтому её след становится видимым.

В ядерном реакторе деление ядер выделяет энергию и нейтроны. Если новые нейтроны вызывают следующие деления, идёт цепная реакция. На атомной станции выделенная энергия нагревает теплоноситель, затем через турбину и генератор превращается в электрическую.

Пример: в задаче прибор регистрирует отдельные импульсы при пролёте частиц. Это свидетельствует о регистрации излучения, но число импульсов без сведений о приборе и источнике само по себе ещё не даёт дозу в зивертах.

В образце было 6400 радиоактивных ядер. Период полураспада — 3 ч. Сколько исходных ядер в среднем останется и сколько распадётся за 9 ч?

1. Находим число периодов: $n=\frac{9}{3}=3$. Единицы времени одинаковые.
2. Три раза делим остаток пополам: $6400\rightarrow3200\rightarrow1600\rightarrow800$.
3. Находим число распавшихся ядер: $6400-800=5600$.
4. Проверяем сумму: оставшиеся 800 и распавшиеся 5600 дают исходные 6400.

Ответ: в среднем останется 800 ядер, распадётся 5600. Числа относятся к исходному радиоактивному виду, а не к исчезновению вещества из образца.

После двух периодов остаётся четверть начального числа ядер. Нельзя дважды вычесть половину исходного числа и получить ноль. В ядерной реакции недостаточно проверить только массовые числа: зарядовые тоже должны совпасть с учётом знаков.

У натрия-23 зарядовое число 11. Найдите число протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме. Ответ: 11, 12 и 11. Затем объясните, почему после потери одного электрона число протонов останется прежним, а атом станет положительным ионом.

Перечень тем 4.1–4.7 соответствует проекту кодификатора ФИПИ ОГЭ-2027. Объяснения и числовые примеры подготовила редакция FastLearn. Документы и даты проверки указаны в источниках библиотеки.

Решите по одной задаче на состав ядра, график полураспада и неизвестную частицу в реакции. Сверяйте не только ответ, но и то, какую величину требует вопрос: оставшееся число или распавшееся.