15.2: Радіоактивність

Мета навчання

• Визначте та наведіть приклади основних видів радіоактивності.

У главі 3 ми побачили, що атоми складаються з субатомних частинок - протонів, нейтронів та електронів. Протони та нейтрони розташовані в ядрі і забезпечують більшу частину маси атома, тоді як електрони обводять ядро в оболонках і підоболонках і складають розмір атома.

У главі 2 ми також ввели позначення для стислого представлення ізотопу конкретного атома:

\[_{6}^{12}\textrm{C}\nonumber \]

Елементом в даному прикладі, представленим символом С, є вуглець. Його атомний номер, 6, є нижнім рядком поруч із символом і є кількістю протонів в атомі. Масове число, верхній індекс поруч із символом, - це сума кількості протонів і нейтронів в ядрі цього конкретного ізотопу. При цьому масове число дорівнює 12, що означає, що кількість нейтронів в атомі дорівнює 12 − 6 = 6 (тобто масове число атома мінус кількість протонів в ядрі дорівнює числу нейронів). Іноді атомний номер опускається в цьому позначенні, оскільки символ самого елемента передає його характерний атомний номер. Двом ізотопам водню - ² Н і ³ Н - даються власні назви та символи: дейтерій (D) та тритій (T) відповідно.

Атомна теорія в дев'ятнадцятому столітті припускала, що ядра мали фіксовані склади. Але в 1896 році французький вчений Анрі Беккерель виявив, що уранове з'єднання, розміщене біля фотопластинки, робить зображення на тарілці, навіть якщо з'єднання було загорнуто в чорну тканину. Він міркував, що з'єднання урану випромінює якесь випромінювання, яке проходило крізь тканину, щоб оголити фотопластину. Подальші дослідження показали, що випромінювання представляло собою комбінацію частинок і електромагнітних променів, причому його кінцевим джерелом є атомне ядро. Ці еманації в кінцевому підсумку називалися, в сукупності, радіоактивністю.

Існує три основні форми радіоактивних викидів. Перша називається альфа-частинкою, яку символізує грецька буква α. Альфа-частинка складається з 2 протонів і 2 нейтронів і така ж, як ядро гелію. Ми часто використовуємо:

\[_{2}^{4}\textrm{He}\nonumber \]

представляти альфа-частинку. Він має 2+ заряду. Коли радіоактивний атом випромінює альфа-частинку, атомний номер вихідного атома зменшується на 2 (через втрату 2 протонів), а його масове число зменшується на 4 (через втрату 4 ядерних частинок). Ми можемо уявити викид альфа-частинки за допомогою хімічного рівняння. Наприклад, емісія альфа-частинок урану-235 виглядає наступним чином:

\[_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow \; _{2}^{4}\textrm{He}+\: _{90}^{231}\textrm{Th}\nonumber \]

Замість того, щоб називати це рівняння хімічним рівнянням, ми називаємо його ядерним рівнянням, щоб підкреслити, що зміна відбувається в атомному ядрі. Звідки ми знаємо, що продуктом цієї реакції є\(\ce{^{90}_{231}T}\)? Ми використовуємо закон збереження матерії, який говорить, що матерія не може бути створена або знищена. Це означає, що ми повинні мати однакову кількість протонів і нейтронів по обидва боки ядерного рівняння. Якщо наше уранове ядро втрачає 2 протони, залишається 90 протонів, ідентифікуючи елемент як торій. Більш того, якщо ми втратимо чотири ядерні частинки початкового 235, залишилося 231. Таким чином, ми використовуємо віднімання для ідентифікації ізотопу атома Th - в цьому випадку,

\[_{90}^{231}\textrm{Th}\nonumber \]

Хіміки часто використовують імена батьківського ізотопу та дочірнього ізотопу для представлення вихідного атома та продукту, відмінного від альфа-частинки. У попередньому прикладі\[_{92}^{235}\textrm{U}\nonumber \] є батьківським ізотопом і\[_{90}^{231}\textrm{Th}\nonumber \] дочірнім ізотопом. Коли один елемент перетворюється на інший таким чином, він піддається радіоактивному розпаду.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад радону-222 викидом альфа-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп.

Рішення

Радон має атомний номер 86, тому батьківський ізотоп представлений у вигляді\[_{86}^{222}\textrm{Rn} \nonumber \nonumber \].

Ми представляємо альфа-частинку як

\[_{2}^{4}\textrm{He} \nonumber \nonumber \]

Використовуйте віднімання (222 − 4 = 218 і 86 − 2 = 84), щоб ідентифікувати дочірній ізотоп як полоній:

\[_{86}^{222}\textrm{Rn}\rightarrow \; _{2}^{4}\textrm{He}+\: _{84}^{218}\textrm{Th} \nonumber \nonumber \]

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад полонію-208 викидом альфа-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп.

Відповідь

\[_{80}^{208}\textrm{Po}\rightarrow \; _{2}^{4}\textrm{He}+\: _{82}^{204}\textrm{Pb} \nonumber \nonumber \]

\[_{82}^{204}\textrm{Pb} \nonumber \nonumber \]

Другий великий тип радіоактивного випромінювання називається бета-частинкою, що символізується грецькою буквою β. Бета-частинка - це електрон, викинутий з ядра (а не з оболонок електронів навколо ядра) і має 1− заряд. Ми також можемо представити бета-частинку яке−10.Чистий ефект випромінювання бета-частинок на ядро полягає в тому, що нейтрон перетворюється в протон. Загальне число маси залишається незмінним, але оскільки кількість протонів збільшується на одиницю, атомний номер зростає на одиницю. Вуглець-14 розпадається, виділяючи бета-частинку:

\[_{6}^{14}\textrm{C}\rightarrow \; _{7}^{14}\textrm{N}+\: _{-1}^{0}\textrm{e}\nonumber \]

Знову ж, сума атомних чисел однакова з обох сторін рівняння, як і сума чисел маси. (Зверніть увагу, що електрону присвоюється «атомний номер» —1, рівний його заряду.)

Третій основний тип радіоактивного випромінювання - це не частинка, а досить енергійна форма електромагнітного випромінювання, яка називається гамма-променями, символізована грецькою літерою γ. Самі гамма-промені не несуть загального електричного заряду, але можуть вибити електрони з атомів у зразку речовини і зробити її електрично зарядженою (за що гамма-промені називають іонізуючим випромінюванням). Наприклад, при радіоактивному розпаді радону-222 випромінюються як альфа, так і гамма-випромінювання, причому останнє має енергію 8,2 × 10 ⁻¹⁴ Дж на одне розпад ядра:

\[_{86}^{222}\textrm{Rn}\rightarrow \;_{84}^{218}\textrm{Po}+_{2}^{4}\textrm{He}+\gamma\nonumber \]

Це може здатися не великою енергією, але якби 1 моль атомів Rn розпалася, енергія гамма-променів становила б 4,9 × 10 ⁷ кДж!

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад боро-12 викидом бета-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп. Гамма-промінь випромінюється одночасно з бета-частинкою.

Рішення

Батьківський ізотоп B-12,

\[_{5}^{12}\textrm{B}\nonumber \]

в той час як один з продуктівБ-12,

\[_{-1}^{0}\textrm{e}\nonumber \]

Щоб маса і атомні номери мали однакове значення з обох сторін, масовий номер дочірнього ізотопу повинен бути 12, а його атомний номер - 6. Елемент, що має атомний номер 6, - вуглець. Таким чином, повне ядерне рівняння виглядає наступним чином:

\[_{5}^{12}\textrm{B}\rightarrow \;_{6}^{12}\textrm{C}+_{-1}^{0}\textrm{e}+\gamma\nonumber \]

Дочірнім ізотопом є вуглець-12.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Відповідь

\[_{43}^{133}\textrm{Tc}\rightarrow \;_{44}^{133}\textrm{Ru}+_{-1}^{0}\textrm{e}+\gamma\nonumber \]

Альфа, бета- і гамма-випромінювання мають різні здібності проникати в речовину. Відносно велика альфа-частинка легко зупиняється речовиною (хоча вона може надавати значну кількість енергії речовині, з якою вона контактує). Бета-частинки трохи проникають у речовину, можливо, максимум на кілька сантиметрів. Гамма-промені можуть проникати глибоко в матерію і можуть передавати велику кількість енергії в навколишню речовину. Таблиця\(\PageIndex{1}\) узагальнює властивості трьох основних видів радіоактивних випромінювань.

\(\PageIndex{1}\)Таблиця Три основні форми радіоактивних викидів

Характеристика	Альфа-частинки	Бета-частинки	Гамма-промені
символи	α,Ч24	β е − 1 0${}_{-1}{}^0\text{е}$	γ
ідентичність	гелієве ядро	електрон	електромагнітне випромінювання
заряджати	2+	1−	жоден
масове число	4	0	0
проникаюча здатність	мінімальний (не проникне в шкіру)	короткий (трохи проникне в шкіру і деякі тканини)	глибоко (проникне в тканини глибоко)

Іноді атомне ядро розпадається на менші шматки в радіоактивному процесі, який називається спонтанним поділом (або поділом). Як правило, дочірні ізотопи, що утворюються поділом, - це різноманітна суміш продуктів, а не специфічний ізотоп, як при викиді альфа- та бета-частинок. Часто поділ виробляє надлишки нейтронів, які іноді захоплюються іншими ядрами, можливо, викликаючи додаткові радіоактивні події. Уран-235 піддається спонтанному поділу в невеликій мірі. Однією з типових реакцій є

\[_{92}^{235}\textrm{Tc}\rightarrow \;_{56}^{139}\textrm{Ba}+\: _{36}^{94}\textrm{Kr}+2\: _{0}^{1}\textrm{n}\nonumber \]

де\(\ce{_0^1n}\) - нейтрон. Як і в будь-якому ядерному процесі, суми атомних чисел і масових чисел повинні бути однаковими по обидва боки рівняння. Спонтанне поділ зустрічається тільки у великих ядер. Найменшим ядром, яке проявляє спонтанне поділ, є свинець-208. (Ділення - це радіоактивний процес, що використовується на атомних електростанціях і один тип ядерної бомби.)

Ключові виноси

• Основні типи радіоактивності включають альфа-частинки, бета-частинки та гамма-промені.
• Розщеплення - це тип радіоактивності, при якому великі ядра мимовільно розпадаються на більш дрібні ядра.