У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро - [37]
Приложение А
Альфа· и бета-распад
Радиоактивный распад характерен для определенных элементов, у которых комбинация протонов и нейтронов, соединенных сильным ядерным взаимодействием, представляется энергетически нестабильной. Большинство элементов, имеющих более 81 протона, радиоактивны: то есть радиоактивность возникает в основном в тяжелых атомах, хотя и более легкие элементы, например углерод, имеют радиоактивные изотопы, как в случае с углеродом-14. Мы можем говорить о радиоактивности, потому что в названных элементах происходит спонтанное, не вызванное внешними причинами испускание субатомных частиц.
Чтобы представить последовательность превращений, происходящих внутри ядра атома во время радиоактивного распада, физики и химики используют два числа: атомное и массовое. Атомное (зарядовое) число обозначается Z и указывает на количество протонов в ядре. Каждый элемент характеризуется специфическим и уникальным Z например, 6 — атомное число для углерода, 14 — для кремния. Общее количество частиц в ядре, включающее в себя протоны и нейтроны, называется массовым числом, обозначаемым А. В итоге:
Z — количество протонов,
А — количество протонов и нейтронов (общее количество частиц в ядре),
A-Z— количество нейтронов.
Резерфорд открыл существование альфа-излучения и бета-излучения, α-частицы представляют собой ядра гелия (то есть они состоят из двух протонов и двух нейтронов). Когда элемент испускает альфа-частицу, это означает, что он теряет два протона, таким образом элемент изменяется, его атомное число уменьшается (-2), и происходит превращение элемента. Например, уран обладает 92 протонами, а когда он испускает альфа-частицу, то превращается в торий, обладающий 90 протонами.
Бета-распад (β) представляет собой внутренне более сложное физическое явление и возникает, когда нейтрон превращается в протон или наоборот. При этом взаимном обмене возникают новые частицы. Бета-распад подтверждает, что фундаментальные частицы, "хотя и имеют определенные свойства, не являются постоянными структурами, и одна из них может превращаться в другие".
Бета-распад классифицируется по двум типам в соответствии с механизмами распада: β -распад и β>+-распад. При β -распаде электрон испускается непосредственно из атомного ядра, это не связано с ионизацией одного из электронов, составляющих электронное облако, окутывающее ядро. Один из нейтронов ядра (я) отделяется и превращается в протон (р*), остающийся в ядре, и электрон (е), который испускается. В ходе этого процесса возникает электронное антинейтрино (ν,). Процесс можно представить как:
n → р* + е>- + v>e.
При изменении числа протонов (+1) изменяется атомное число, и элемент становится другим. При этом массовое число не изменяется (атом теряет нейтрон, но получает протон). Именно это происходит с изотопом тория >234>90Th. После бета-распада, при котором испускается электрон, атом превращается в один из изотопов протактиния, который обозначается >234>91Ра.
Второй тип бета-распада обозначается β+-распад, при нем возникает позитрон (е*), который является античастицей, имеющей одинаковую с электроном массу и при этом отрицательный заряд. В данном случае ядро теряет протон, а вместо него появляются нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Это вновь означает, что количество частиц в ядре не меняется (вместо протона появляется нейтрон), но происходит трансмутация элемента, потеря протона заставляет его изменить химическую идентификацию. В ситуации с азотом >13>7Ν, который при испускании позитрона превращается в изотоп углерода, обозначаемый >13>6C, β>+-распад можно представить так:
р+ → n + е>+ + v>е.
Гамма-излучение отличается от процессов альфа- и бета-распада тем, что при нем испускаются не частицы, а электромагнитное излучение, фотоны с высокой энергией. Гамма-излучение происходит на разных фазах радиоактивных процессов по разным причинам: например, когда ядерная частица переходит из возбужденного состояния в основное. При этом виде излучения не происходит изменения компонентов ядра (или атома). Однако, в связи с высоким уровнем энергии, возникающая радиация имеет существенный проникающий характер и наиболее вредна, так как способна вступать во взаимодействие с клетками и вызывать их изменения при взаимодействии с цепочкой ДНК.
По своим характеристикам альфа-, бета- и гамма-излучение различаются по проникающей способности и ионизации. Так как бета-излучение состоит из электронов или позитронов, имеющих меньшую массу по сравнению с альфа-частицами, возникающая энергия приобретает больший момент силы. Альфа-излучение состоит из двух протонов и двух нейтронов и легко поглощается материей. Масса протона или нейтрона почти в 2000 раз больше массы электрона, таким образом вероятность столкновения и сила взаимодействия значительно больше. Это объясняет, почему проникающая способность альфа-лучей гораздо меньше. Гамма-излучение по сути не является потоком массивных частиц, это электромагнитная волна, похожая на видимый свет, но несущая значительно больше энергии.
На графике представлена тенденция по изменению атомного и массового числа, являющаяся результатом процессов альфа и бета-распада. В конце цели распада находится свинец (РЬ), его нерадиоактивный изотоп.
