Фізика. З поглибленим вивченням фізики. Повторне видання. 9 клас. Засєкіна

§ 34. Правила радіоактивного зміщення

Ви дізнаєтесь

• Звідки в ядрі береться електрон

Пригадайте

• Характеристики радіоактивних випромінювань

Правила радіоактивного зміщення. У § 32 ми зазначали, що певне атомне ядро з відомими A, Ζ, і N називають нуклідом. Відповідно ядро, що здатне до радіоактивного випромінювання, називають радіоактивним нуклідом, або радіонуклідом.

Після дослідження природи радіоактивного випромінювання і встановлення нейтронно-протонної будови ядра атома виникли нові запитання:

• що відбувається з радіонуклідом після того, як він втратить 2 протони і 2 нейтрони (α-частинку);
• якщо радіоактивне випромінювання утворюється внаслідок розпаду атомного ядра, то звідки в ядрі беруться електрони (β-частинки)?

Пошук відповідей на ці та інші запитання утруднений ще й тим, що людина не може бачити мікрочастинки безпосередньо. Для проведення досліджень були використані як експериментальні, так і теоретичні методи досліджень, сконструйовані спеціальні прилади та пристрої, які дали змогу фіксувати й ідентифікувати мікрочастинки. Це дало змогу вивчити особливості ядерних перетворень, що відбуваються під час розпаду радіонуклідів.

Процес радіоактивного розпаду атомних ядер відбувається у строгій відповідності із законами збереження електричного заряду, кількості нуклонів (масового числа), закону збереження енергії. Із цих законів витікають правила радіоактивного зміщення. Застосування цих правил дозволяє визначити, на скільки позицій у періодичній системі хімічних елементів і в якому напрямку зміститься елемент, що утворився в результаті радіоактивного розпаду, в порівнянні з місцем розташування хімічного елемента, що зазнав розпаду.

Правило зміщення для α-розпаду. Під час α-розпаду радіоактивний атом випромінює α-частинку. Саме тому його атомний номер зменшується на 2 одиниці, а масове число — на 4. При цьому елемент зміщується на 2 клітинки до початку періодичної системи хімічних елементів.

Наприклад, під час α-розпаду ізотоп Урану перетворюється на Торій: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂Не. Суми масових чисел (238 = 234 + 4) й атомних номерів (92 = 90 + 2) у правій і лівій частинах схеми перетворення обов’язково мають бути однаковими.

Узагальнено α-розпад можна описати такою схемою:

^A_ZX → ^A-4_Z-2Y + ⁴₂Не.

Правило зміщення для β-розпаду. Під час β-розпаду ядро радіоактивного атома випромінює β-частинку. При цьому його атомний номер збільшується на 1, а масове число не змінюється. Елемент зміщується на 1 клітинку до кінця періодичної системи хімічних елементів.

Узагальнено β-розпад можна описати такою схемою:

^A_ZX → ^A_Z+1Y + ⁰_-1е.

Наприклад, під час β-розпаду радіоактивний ізотоп Гідрогену перетворюється на ізотоп Гелію:

³₁Н → ³₂Не + ⁰_-1е.

Суми масових чисел (3 = 3 + 0) й атомних номерів (1 = 2 + (-1)) у правій і лівій частинах схеми перетворення обов’язково мають бути однаковими.

Якщо механізм α-розпаду дістав просте і природне пояснення, то механізм β-розпаду довгий час залишався не розгаданим. Дійсно, звідки при β-розпаді беруться електрони, адже їх немає у складі ядра атома? Зрозуміло, що β-частинка не є електроном з оболонки атома, тому що видалення електрона з оболонки — це йонізація атома, у результаті якої хімічна природа атома не змінюється. Таким чином, оскільки β-частинка не є складовою ядра і не є електроном, вирваним з оболонки атома, можна припустити, що β-частинка (електрон) утворюється в результаті якогось процесу, що відбувається всередині радіонукліда. І дійсно, у радіоактивному ядрі можливе перетворення нейтрона в протон. У результаті цього утворюється електрон і ще одна частинка (антинейтрино), які вилітають із ядра, а протони й нейтрони, що залишились, утворюють нове ядро. Згодом були відкритті й інші процеси перетворення частинок та виявлені нові частинки (і їхні античастинки), що зумовило появу нового напряму у фізиці — фізики елементарних частинок.

При γ-розпаді частинки не випромінюються. Тому радіоактивні перетворення атомів під час γ-розпаду відбуваються лише за рахунок зміни енергії атомного ядра. А отже, під час γ-розпаду елемент не зміщується в періодичній системі хімічних елементів.

Радіоактивний ряд. Радіоактивний розпад, як правило, супроводжується кількома послідовними перетвореннями. Наприклад, ізотоп Торій-232 розпадається, випромінюючи α-частинку, і перетворюється на Радій-228: ²³²₉₀Th → ²²⁸₈₈Ra + ⁴₂He.

Радій-228 — нестійкий радіонуклід, який також розпадається, випромінюючи β-частинку, і перетворюється на Актиній-228:

²²⁸₈₈Ra → ²²⁸₈₉Ac + ⁰_-1e.

Цей процес послідовного перетворення ізотопів триває доти, поки не утвориться стійкий елемент, у даному випадку Плюмбум-208 (²⁰⁸₈₂Рb).

На малюнку 200 зображено повний ряд радіоактивних перетворень, що починається з Торію-232.

Оскільки в результаті радіоактивних перетворень утворюються нові елементи, то, за аналогією з хімічними реакціями, радіоактивний розпад ще називають ядерною реакцією.

Мал. 200. Ряд радіоактивних перетворень

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. Які закони збереження виконуються під час радіоактивного розпаду?
• 2. У чому суть правил зміщення? Поясніть, як виконуються правила зміщення в такій реакції: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Ra + ⁴₂He.
• 3. Чи зміниться хімічна природа елемента в разі випромінювання ним гамма-променів? Альфа-частинок?
• 4. Які зміни відбудуться з ядром атома Ксенону, якщо воно втратить один нейтрон?