Радиоактивные превращения атомных ядер

Введение

В начале XX века исследования радиоактивности показали, что атомы некоторых химических элементов могут самопроизвольно изменяться. Эти изменения сопровождаются испусканием различных видов излучения и приводят к превращению одного химического элемента в другой. Такое поведение атомов стало убедительным доказательством того, что атомы имеют сложное внутреннее строение, а их ядра могут быть нестабильными.

Изучение радиоактивных превращений атомных ядер имеет большое значение для понимания природы материи. Эти процессы лежат в основе ядерной физики, используются в медицине, энергетике, геологии и космонавтике. Для школьного курса физики важно понять, что представляют собой радиоактивные превращения, по каким законам они происходят и как правильно записываются ядерные реакции.

Что представляют собой радиоактивные превращения атомных ядер

Радиоактивные превращения атомных ядер — это самопроизвольные процессы изменения состава и строения атомного ядра, в результате которых ядро одного элемента превращается в ядро другого элемента. Такие превращения сопровождаются испусканием радиоактивного излучения: альфа-, бета- или гамма-лучей.

Главной причиной радиоактивных превращений является неустойчивость атомного ядра. Если соотношение между числом протонов и нейтронов в ядре нарушено, ядро стремится перейти в более устойчивое состояние, испуская частицы или электромагнитное излучение.

Важно подчеркнуть, что радиоактивные превращения:

• происходят самопроизвольно;

• не зависят от температуры, давления и химического состояния вещества;

• сопровождаются выделением энергии;

• подчиняются строгим законам сохранения.

Реакция распада радия

Одним из классических примеров радиоактивного превращения является распад ядра радия. Радий — радиоактивный элемент, ядра которого нестабильны и со временем превращаются в другие элементы.

При альфа-распаде радий-226 превращается в радон-222 с испусканием альфа-частицы:

В этом процессе:

• ядро радия теряет альфа-частицу (ядро атома гелия);

• массовое число уменьшается на 4;

• зарядовое число уменьшается на 2;

• образуется новое ядро другого химического элемента.

Этот пример наглядно показывает, что радиоактивность связана с превращением элементов, а не просто с излучением энергии.

Правило составления ядерных реакций

Для записи радиоактивных превращений используются ядерные реакции, которые подчиняются определённым правилам. Основным является закон сохранения:

1. Сохранение массового числа
   Суммарное число нуклонов (протонов и нейтронов) до реакции равно суммарному числу нуклонов после реакции.

2. Сохранение зарядового числа
   Суммарный заряд ядер и частиц до реакции равен суммарному заряду после реакции.

При составлении ядерной реакции необходимо:

• указать массовые и зарядовые числа всех ядер и частиц;

• проверить выполнение законов сохранения;

• определить, какой элемент образуется в результате превращения.

Правила смещения

Для упрощения записи радиоактивных превращений были сформулированы правила смещения, которые показывают, как изменяется положение элемента в периодической системе Менделеева.

Существуют два основных правила смещения:

1. Правило смещения при альфа-распаде
   При испускании альфа-частицы:

   • зарядовое число уменьшается на 2;

   • массовое число уменьшается на 4;

   • элемент смещается в периодической системе на две клетки влево.

2. Правило смещения при бета-распаде
   При бета-распаде:

   • зарядовое число увеличивается на 1;

   • массовое число остаётся неизменным;

   • элемент смещается в периодической системе на одну клетку вправо.

Эти правила позволяют быстро определить продукт радиоактивного распада без сложных вычислений.

Составление реакций распада по правилам смещения

Рассмотрим пример бета-распада. Если известно, что ядро тория испытывает бета-распад, то по правилам смещения можно сделать вывод, что:

• зарядовое число увеличится на 1;

• массовое число останется прежним;

• образуется элемент, следующий за торием в таблице Менделеева.

Таким образом, правила смещения являются удобным инструментом для анализа радиоактивных превращений и широко применяются в ядерной физике.

Значение радиоактивных превращений

Радиоактивные превращения:

• доказывают сложное строение атомных ядер;

• объясняют происхождение тепла в недрах Земли;

• используются для получения энергии на атомных электростанциях;

• применяются в медицине для диагностики и лечения заболеваний;

• помогают определять возраст горных пород и археологических находок.

Понимание этих процессов важно не только для науки, но и для практической деятельности человека.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют радиоактивными превращениями атомных ядер?

2. Почему некоторые атомные ядра являются нестабильными?

3. Какие виды радиоактивного распада существуют?

4. В чём заключается альфа-распад радия?

5. Какие законы сохранения выполняются в ядерных реакциях?

6. Что показывают правила смещения?

7. Как изменяются массовое и зарядовое числа при альфа-распаде?

8. Как изменяется зарядовое число при бета-распаде?

9. Почему радиоактивные превращения не зависят от внешних условий?

10. Каково практическое значение радиоактивных превращений?