Альфа-распад и бета-распад: способы ядерного распада атомных ядер
Альфа-распад и бета-распад - одни из самых распространенных способов, с помощью которых нестабильные атомные ядра распадаются, испуская определенные частицы. В современном мире широко используются радиоактивные элементы, поэтому важно понимать механизм и последствия ядерных превращений.
Образование альфа-частиц и причины альфа-распада
Внутри тяжелых атомных ядер происходит образование устойчивых структур, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Такие структуры называют альфа-частицами , поскольку они идентичны ядру гелия-4.
α-частица на границе ядра испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны, но больше отталкивание от протонов.
В результате, с некоторой вероятностью альфа-частица преодолевает потенциальный барьер и вылетает из ядра. Этот процесс называется альфа-распадом. Вероятность альфа-распада тем выше, чем меньше энергия отделения α-частицы от ядра и чем больше массовое число ядра:
- Энергия отделения α-частицы уменьшается с ростом Z и A.
- В тяжелых ядрах образуется больше α-частиц.
Правило смещения Содди для α-распада:
ΔZ = -2, ΔA = -4
То есть заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4. Например, при альфа-распаде урана-238 образуется торий-234:
| 238U → | 234Th + 4He |
Механизм бета-распада, типы бета-частиц
В отличие от альфа-распада, бета-распад происходит внутри отдельных нуклонов и вызван слабым взаимодействием. При бета-минус-распаде один из d-кварков в нейтроне трансформируется в u-кварк, в результате чего нейтрон превращается в протон. При этом из ядра вылетает электрон и электронное антинейтрино.
При позитронном распаде, наоборот, происходит превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. Электронный захват аналогичен позитронному распаду, но вместо позитрона ядро захватывает орбитальный электрон с образованием нейтрино.
Правило смещения Содди для β−- и β+-распада:
ΔZ = ±1, ΔA = 0
То есть заряд ядра изменяется на 1, а массовое число остается прежним. К примеру, при бета-минус-распаде трития 3H образуется гелий-3 3He:
| 3H → | 3He + e- + \bar{v}e |
Самым редким вариантом бета-распада является двойной бета-распад. При этом процессе ядро сразу испускает или захватывает два электрона или позитрона, а заряд ядра изменяется на 2.
Прочие типы радиоактивного распада
Помимо альфа- и бета-распада, существуют и другие способы, которыми радиоактивные ядра претерпевают превращения с испусканием частиц и излучения.
- При гамма-распаде ядро испускает высокоэнергетические фотоны.
- Может происходить спонтанное деление тяжелого ядра на два легких осколка.
- Иногда ядро испускает легкие ядра (например, углерода или кислорода) — это кластерный распад.
- Зафиксированы случаи испускания отдельных протонов и нейтронов.
Часто в радиоактивном ряду нуклид испытывает смешанный распад разных типов. К примеру, висмут-212 распадается и альфа-распадом в таллий, и бета-распадом в полоний.
Константа распада для большинства радионуклидов практически не зависит от внешних электронного захвата небольшое влияние могут оказать температура и давление из-за изменения плотности электронного облака атома. Однако в экстремальных условиях внутри звезд скорость разных типов распада может существенно отличаться от лабораторных значений.
Естественная радиоактивность и радиационный фон
Помимо искусственно синтезированных радионуклидов, в земной коре присутствуют несколько естественных радиоактивных семейств, возглавляемых изотопами урана-238, урана-235 и тория-232. Эти элементы имеют периоды полураспада, сопоставимые с возрастом Земли, поэтому они сохранились с момента формирования планеты. Продукты их распада, включая радий, радон и полоний, также радиоактивны.
Основной вклад в естественный радиационный фон вносят изотопы радона, поступающие в атмосферу из почвы. Радон способен мигрировать на большие расстояния.
Кроме наземных источников, существуют космогенные радионуклиды, образующиеся в атмосфере под действием галактических космических лучей. Например, углерод-14 и бериллий-7.
Таким образом, люди постоянно подвергаются воздействию ионизирующего излучения от естественных источников, среди которых радиоактивный распад играет важную роль.
Применение радиоактивных веществ
Радиоактивные изотопы находят широкое применение в различных областях:
- Абсолютное датирование минералов методами уран-свинцовым, уран-гелиевым и другими;
- Радиационная стерилизация медицинских инструментов;
- Облучение пищевых продуктов для увеличения сроков хранения;
- Использование в ядерной энергетике.
При работе с радиоактивными веществами важно соблюдать нормы радиационной безопасности и использовать средства защиты.
Вред и польза радиоактивных веществ для здоровья
Ионизирующее излучение от радиоактивного распада может наносить вред здоровью, если превышены допустимые дозы облучения. Происходят мутации клеток, повреждения ДНК, развивается лучевая болезнь.
Однако в малых дозах радиация может оказывать и полезное действие на организм. Это явление называется гормезисом. Кроме того, радионуклиды применяются в ядерной медицине для диагностики и лечения ряда заболеваний.
Реакции альфа-, бета- распада
При любом виде радиоактивного распада происходит реакции превращения нестабильного материнского ядра в стабильное или менее нестабильное дочерне ядро. Например:
- Реакция альфа-распада урана-238:
238U → 234Th + 4He - Реакция бета-минус-распада трития: 3H → 3He + e- + \bar{v}e
Такие ядерные реакции можно записать и в более общем виде с использованием символов Z и A:
- Альфа-распад: (Z, A) → (Z-2, A-4) + 4He
- Бета-минус-распад: (Z, A) → (Z+1, A) + e- + \bar{v}e
Физика: альфа-, бета- распад
С точки зрения физики, природа альфа-распада и бета-распада существенно различается. Альфа-распад обусловлен электростатическим отталкиванием альфа-частицы от протонов ядра при недостаточном ядерном притяжении. А бета-распад вызван слабым взаимодействием, приводящим к превращениям отдельных нуклонов.
Таким образом, физика этих двух процессов связана с разными типами фундаментальных взаимодействий в природе.
Однако в обоих случаях соблюдается закон радиоактивного распада и правило смещения Содди при переходе от материнского ядра к дочернему.
Альфа-, бета- распад: формула
Скорость радиоактивного распада описывает формула:
- dN/dt = -λN
где N - число нераспавшихся ядер, t - время, λ - формула постоянная распада, характерная для данного радионуклида.
Из этой формулы следует показательный закон убыли радиоактивных ядер со временем. Он одинаково справедлив как для α-, так и для β-распада при одном и том же значении λ.
Период полураспада радионуклида Т определяется по формуле:
- T = ln(2)/λ