3.5: Типы радиоактивности — альфа-, бета- и гамма-распад

Многие ядра радиоактивны; то есть они разлагаются, испуская частицы, и при этом становятся другим ядром.В наших исследованиях до этого момента атомы одного элемента не могли превращаться в разные элементы. Это потому, что во всех других обсуждаемых типах изменений менялись только электроны. При этих изменениях меняется ядро, содержащее протоны, определяющие, каким элементом является атом. Все ядра с 84 и более протонами радиоактивны, а элементы с менее чем 84 протонами имеют как стабильные, так и нестабильные изотопы. Все эти элементы могут проходить ядерные изменения и превращаться в разные элементы.

При естественном радиоактивном распаде происходят три обычных выброса. Когда эти выбросы впервые наблюдались, ученые не смогли идентифицировать их как какие-то уже известные частицы и назвали их так:

• альфа-частицы ((альфа))
• бета-частицы (left( beta right))
• гамма-лучи (слева(гаммасправа))

Эти частицы были названы с использованием первых трех букв греческого алфавита. Некоторое время спустя альфа-частицы были идентифицированы как ядра гелия-4, бета-частицы были идентифицированы как электроны, а гамма-лучи — как форма электромагнитного излучения, подобного рентгеновским, за исключением гораздо более высокой энергии и еще более опасного для живых систем.

Ионизирующая и проникающая способность излучения

При всем излучении от природных и искусственных источников мы вполне обоснованно должны беспокоиться о том, как все излучение может повлиять на наше здоровье. Повреждение живых систем наносится радиоактивным излучением, когда частицы или лучи поражают ткани, клетки или молекулы и изменяют их. Эти взаимодействия могут изменить молекулярную структуру и функцию; клетки больше не выполняют свою надлежащую функцию, а молекулы, такие как ДНК, больше не несут соответствующей информации. Большое количество радиации очень опасно, даже смертельно. В большинстве случаев радиация повреждает одну (или очень небольшое количество) клеток, разрушая клеточную стенку или иным образом препятствуя размножению клетки.

Способность радиации повреждать молекулы анализируется с точки зрения того, что называется ионизирующая способность. Когда частица излучения взаимодействует с атомами, это взаимодействие может привести к тому, что атом потеряет электроны и, таким образом, станет ионизированным. Чем больше вероятность того, что повреждение произойдет в результате взаимодействия, тем больше ионизирующая сила излучения.

Большая часть угрозы радиации связана с легкостью или трудностью защиты от частиц. Стена какой толщины вам нужна, чтобы быть в безопасности? Способность каждого вида излучения проходить через вещество выражается через проникающая способность. Чем больше материала может пройти излучение, тем больше проникающая способность и тем оно опаснее. Как правило, чем больше присутствующая масса, тем выше ионизирующая способность и ниже проникающая способность.

Сравнивая только три распространенных типа ионизирующего излучения, альфа-частицы имеют наибольшую массу. Альфа-частицы примерно в четыре раза больше массы протона или нейтрона и примерно в 8000 раз больше массы бета-частицы. Из-за большой массы альфа-частицы она обладает наибольшей ионизирующей силой и наибольшей способностью повреждать ткани. Однако такой же большой размер альфа-частиц делает их менее способными проникать сквозь материю. Они очень быстро сталкиваются с молекулами при ударе о материю, добавляют два электрона и становятся безвредным атомом гелия. Альфа-частицы обладают наименьшей проникающей способностью и могут быть остановлены плотным листом бумаги или даже слоем одежды. Их также останавливает внешний слой омертвевшей кожи на людях. Может показаться, что это снимает угрозу со стороны альфа-частиц, но только от внешних источников. При ядерном взрыве или какой-либо ядерной аварии, когда радиоактивные излучатели распространяются в окружающей среде, излучатели могут вдыхаться или поступать с пищей или водой, и как только альфа-излучатель оказывается внутри вас, у вас нет никакой защиты.

Бета-частицы намного меньше альфа-частиц и, следовательно, обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью (меньшая способность повреждать ткани), но их небольшой размер дает им гораздо большую проникающую способность. Большинство ресурсов говорят, что бета-частицы могут быть остановлены листом алюминия толщиной в четверть дюйма. Но опять же, самая большая опасность возникает, когда источник бета-излучения попадает внутрь вас.

Гамма-лучи — это не частицы, а высокоэнергетическая форма электромагнитного излучения (как рентгеновские лучи, только более мощные). Гамма-лучи — это энергия, не имеющая ни массы, ни заряда. Гамма-лучи обладают огромной проникающей способностью, и для их защиты требуется несколько дюймов плотного материала (например, свинца). Гамма-лучи могут пройти через тело человека, ничего не задев. Считается, что они обладают наименьшей ионизирующей способностью и наибольшей проникающей способностью.

Таблица (PageIndex) Сравнение проникающей способности, ионизирующей способности и экранирования альфа- и бета-частиц и гамма-лучей.

Частица	Символ	масса	Проникающая сила	Ионизирующая сила	Экранирование
Альфа	(альфа)	(4 матрм)	Очень низкий	Очень высоко	Бумажная кожа
Бета	(бета)	(1 / 2000 матрм)	Средний	Средний	Алюминий
Гамма	(гамма)	0 (только энергия)	Очень высоко	Очень низкий	2 дюйма свинец

Самое безопасное количество радиации для человеческого тела равно нулю. Невозможно полностью избежать ионизирующего излучения, поэтому следующая лучшая цель — подвергаться как можно меньшему воздействию. Два лучших способа минимизировать воздействие — ограничить время воздействия и увеличить расстояние от источника.

Альфа-распад

Процесс ядерного распада, при котором испускаются альфа-частицы, называется альфа-распадом. Примером ядра, которое подвергается альфа-распаду, является уран-238. Альфа-распад (ce)-238 составляет

В этом ядерном изменении атом урана (left( ce^U> right)) превратился в атом тория (left( ce^Th> right)) и, в процессе, испустил альфа-частицу. Посмотрите на символ альфа-частицы: (ce).Откуда у альфа-частицы этот символ? Нижнее число в ядерном символе — это количество протонов. Это означает, что альфа-частица имеет два протона, потерянных атомом урана. Два протона также имеют заряд (+2). Верхнее число 4 — это массовое число или общее количество протонов и нейтронов в частице. Поскольку в ней два протона, а всего четыре протона и нейтрона, альфа-частицы также должны иметь два нейтрона. Альфа-частицы всегда имеют один и тот же состав: два протона и два нейтрона.

Еще одним производителем альфа-частиц является торий-230.

Эти типы уравнений называются ядерными уравнениями и аналогичны химическим эквивалентам, обсуждавшимся в предыдущих главах.

Бета-распад

Другим распространенным процессом распада является эмиссия бета-частиц или бета-распад. Бета-частица — это просто электрон высокой энергии, испускаемый ядром. Вам может показаться, что у нас тут логически сложная ситуация. Ядра не содержат электронов, но при бета-распаде из ядра вылетает электрон. В то же время, когда электрон вылетает из ядра, нейтрон превращается в протон. Заманчиво представить себе это как нейтрон, разбивающийся на две части, причем эти части являются протоном и электроном. Это было бы удобно для простоты, но, к сожалению, этого не происходит (подробнее на эту тему будет объяснено в конце этого раздела). Для удобства будем рассматривать бета-распад как расщепление нейтрона на протон и электрон. Протон остается в ядре, увеличивая атомный номер атома на единицу. Электрон выбрасывается из ядра и является частицей излучения, называемой бета.

Чтобы вставить электрон в ядерное уравнение и правильно сложить числа, электрону нужно было присвоить атомный номер и массовое число.Массовое число, присвоенное электрону, равно нулю (0), что разумно, поскольку массовое число — это число протонов плюс нейтроны, а электрон не содержит ни протонов, ни нейтронов. Атомный номер, присвоенный электрону, отрицательный (-1), потому что это позволяет ядерному уравнению, содержащему электрон, сбалансировать атомные номера. Следовательно, ядерный символ, представляющий электрон (бета-частицу),

Торий-234 представляет собой ядро, подвергающееся бета-распаду. Вот ядерное уравнение для этого бета-распада:

Гамма-излучение

Часто образование гамма-лучей сопровождает ядерные реакции всех типов. При альфа-распаде (ce)-238 помимо альфа-частицы испускаются два гамма-луча с разными энергиями.

Практически все ядерные реакции в этой главе также испускают гамма-лучи, но для простоты гамма-лучи обычно не показаны. Ядерные реакции производят гораздо больше энергии, чем химические реакции. Химические реакции высвобождают разницу между энергией химической связи реагентов и продуктов, и высвобождаемая энергия имеет порядок величины (1 times 10^3 : text). Ядерные реакции высвобождают часть энергии связи и могут преобразовывать крошечные количества материи в энергию. Энергия, выделяющаяся при ядерной реакции, имеет порядок величины (1 times 10^ : text). Это означает, что ядерные изменения включают почти в миллион раз больше энергии на атом, чем химические изменения!

Примечание

Практически все ядерные реакции в этой главе также испускают гамма-лучи, но для простоты гамма-лучи обычно не показаны.

Основные характеристики каждой реакции показаны на рис. 17.3.2.

Рисунок 17.3.2: Три наиболее распространенных режима ядерного распада.

«Атомный учет»

При написании ядерных уравнений вам помогут следующие общие правила:

• Сумма массовых чисел (верхние числа) на стороне реагента равна сумме массовых чисел на стороне продукта.
• Атомные номера (нижние номера) на двух сторонах реакции также будут равны.

При альфа-распаде (ceU>) (уравнение (ref)) сохраняются как атомные, так и массовые числа:

• массовое число: (238 = 4 + 234)
• атомный номер: (92 = 2 + 90)

Убедитесь, что это уравнение правильно сбалансировано, сложив атомные и массовые числа реагентов и продуктов. Также обратите внимание, что, поскольку это была альфа-реакция, одним из продуктов является альфа-частица (ce).

Обратите внимание, что и массовые числа, и атомные номера правильно складываются для бета-распада тория-234 (уравнение (ref)):

• массовое число: (234 = 0 + 234)
• атомный номер: (90 = -1 + 91)

Массовые числа исходного ядра и нового ядра одинаковы, потому что нейтрон был потерян, но появился протон, поэтому сумма протонов и нейтронов остается неизменной. Атомный номер в процессе был увеличен на единицу, так как новое ядро ​​имеет на один протон больше, чем исходное ядро. В этом бета-распаде ядро ​​тория-234 имеет на один протон больше, чем исходное ядро. В этом бета-распаде ядро ​​тория-234 превратилось в ядро ​​протактиния-234. Протактиний-234 также является бета-излучателем и производит уран-234.

И снова атомный номер увеличивается на единицу, а массовое число остается прежним; это подтверждает, что уравнение правильно сбалансировано.

Как насчет балансировки заряда?

И альфа-, и бета-частицы заряжены, но ядерные реакции в уравнениях (ref), (ref) и большинство других ядерных реакций, приведенных выше, не сбалансированы по заряду, как обсуждалось при балансировке окислительно-восстановительных реакций. . При изучении ядерных реакций в целом обычно мало информации или беспокойства о химическом состоянии радиоактивных изотопов, потому что электроны из электронного облака не участвуют непосредственно в ядерной реакции (в отличие от химических реакций).

Так что допустимо игнорировать заряд в уравновешивании ядерных реакций и сосредоточиться только на уравновешивании массы и атомных номеров.

Пример (PageIndex)

Завершите следующую ядерную реакцию, вставив недостающую частицу.

Решение

Эта реакция представляет собой альфа-распад. Мы можем решить эту проблему одним из двух способов:

Решение 1: Когда атом испускает альфа-частицу, его атомный номер падает на 2, а массовое число падает на 4, в результате получается (ce^Po>). Мы знаем, что символ (ce) означает полоний, потому что это элемент с 84 протонами в периодической таблице.

Решение 2: Помните, что массовые числа на каждой стороне должны в сумме составлять одинаковую сумму. То же самое относится и к атомным номерам.

• Массовые числа: (210 = 4 + ?)
• Атомные номера: (86 = 2 + ?)

Пример (PageIndex)

Напишите каждую из следующих ядерных реакций.

а) Углерод-14, используемый для углеродного датирования, распадается в результате бета-излучения.

б) Уран-238 распадается с альфа-излучением.

Решение

а) Бета-частицы имеют символ (ce^0e>). При испускании бета-частицы атомный номер увеличивается на 1, а массовое число не меняется. Мы получаем атомные номера и символы для элементов, используя нашу периодическую таблицу. У нас остается следующая реакция:

б) Альфа-частицы имеют символ (ce). Испускание альфа-частицы приводит к уменьшению атомного номера на 2 и массовому числу на 4. У нас остается:

Серия распада

Распад радиоактивного ядра — это шаг к тому, чтобы стать стабильным. Часто радиоактивное ядро ​​не может достичь стабильного состояния в результате одного распада. В таких случаях произойдет серия распадов, пока не сформируется стабильное ядро. Примером этого является распад (ce)-238. Серия распадов (ce)-238 начинается с (ce)-238 и проходит через четырнадцать отдельных распадов, чтобы наконец достичь стабильного ядра (ce)-206 (рис. 17.3.3). Существуют аналогичные ряды распада для (ce)-235 и (ce)-232. Серия (ce)-235 заканчивается на (ce)-207, а серия (ce)-232 заканчивается на (ce)-208.

Некоторые из радиоактивных ядер, встречающихся в природе, присутствуют там, потому что они образуются в одной из серий радиоактивного распада. Например, во время ее образования на Земле мог быть радон, но этот первоначальный радон к этому времени уже полностью распался. Радон, который присутствует сейчас, присутствует, потому что он образовался в результате распада (в основном U-238).

Резюме

Ядерная реакция – это реакция, которая изменяет структуру ядра атома. Атомные числа и массовые числа в ядерном уравнении должны быть сбалансированы. Протоны и нейтроны состоят из кварков. Двумя наиболее распространенными видами естественной радиоактивности являются альфа-распад и бета-распад. Большинство ядерных реакций излучают энергию в виде гамма-лучей.

Запас слов

• Альфа-распад — Обычный способ радиоактивного распада, при котором ядро ​​испускает альфа-частицу (ядро гелия-4).
• Бета-распад — Обычный способ радиоактивного распада, при котором ядро ​​испускает бета-частицы. Дочернее ядро ​​будет иметь более высокий атомный номер, чем исходное ядро.
• кварк — Частицы, образующие одну из двух основных составляющих материи. Различные виды кварков комбинируются особым образом, образуя протоны и нейтроны, и в каждом случае требуется ровно три кварка, чтобы составить составную частицу.

3.5: «Типы радиоактивности — альфа-, бета- и гамма-распад» распространяется по незаявленной лицензии, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

1. Вернуться к вершине
2. • 3.4: Влияние радиации на жизнь
   • 3.6: Естественная радиоактивность и период полураспада

• Эта статья была полезной?
• Да
• Нет