Етественный радиоактивный распад: как это происходит в природе
Некоторые элементы не имеют стабильных изотопов. Подвергаясь радиоактивному распаду, они превращаются в другие элементы. Если вновь образовавшийся элемент радиоактивен, он тоже распадается, превращаясь в третий элемент, и так происходит до тех пор, пока не получаются атомы устойчивого изотопа. Например, при распаде урана-238 (один из радиоактивных изотопов урана) образуется торий-234, при распаде которого, в свою очередь, образуется протактиний-234. Процесс продолжается до тех пор, пока после 14 этапов распада не образуется свинец-206. Этот изотоп свинца стабилен, и последовательность, или серия, распадов прекращается.
Прежде чем показать, каким образом распадаются радиоактивные изотопы, я объясню, почему распадается тот или иной изотоп. В ядре находятся положительно заряженные протоны, сконцентрированные в крайне малой области. Поскольку протоны заряжены одноименно, между ними возникают силы отталкивания. А силы, которые обычно удерживают ядро вместе (их называют «ядерным клеем»), иногда не справляются со своей работой, и ядро раскалывается на части, т. е. подвергается радиоактивному распаду.
Все элементы, в ядре которых более 84 протонов, являются нестабильными и время от времени подвергаются распаду. Впрочем, существуют изотопы, в ядре которых меньше 84 протонов, тем не менее они также радиоактивны. Дело в том, что о стабильности или нестабильности изотопа можно судить по соотношению нейтронов и протонов. Если это соотношение достаточно большое (очень много нейтронов или очень мало протонов), то говорят, что изотоп богат нейтронами, а следовательно, нестабилен. Аналогично: если соотношение слишком маленькое (очень мало нейтронов или очень много протонов), изотоп также нестабилен. Чтобы изотоп был устойчивым, соотношение его нейтронов и протонов должно находиться в определенном диапазоне значений. Поэтому одни изотопы элемента являются стабильными, а другие — радиоактивными.
Существует три основных вида естественного распада радиоактивных изотопов:
альфа-распад; бета-распад; гамма-излучение.
Кроме того, есть два менее распространенных вида радиоактивного распада: * испускание позитронов; * захват электронов.
Альфа-распад
Альфа-частица представляет собой положительно заряженную частицу — ядро атома гелия. Предвкушая ваше недоумение, сразу хочу прояснить ситуацию. Дело в том, что альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, следовательно, ее можно считать атомом гелия-4. Однако, поскольку альфа-частица откалывается от ядра радиоактивного атома, электронов у нее нет и ее заряд равен +2. Именно поэтому она является положительно заряженной частицей — ядром гелия. (Ну хорошо, на самом деле она является катионом — положительно заряженным ионом (см. главу 3, «Атом и его структура»).)
Впрочем, электроны в основном являются свободными — их достаточно легко теряют и легко получают. Поэтому альфа-частица обычно изображается без заряда, так как очень быстро захватывает два электрона и из иона превращается в нейтральный атом гелия.
Альфа-распад наблюдается у элементов, имеющих тяжелые ядра, например у урана и тория. Этот распад приводит к уменьшению заряда исходного радиоактивного ядра на 2 (из-за потери двух положительно заряженных протонов), а его массового числа — на 4 (вследствие потери двух протонов и двух нейтронов). Таков этот процесс. Иными словами, каждый раз, когда испускается альфа-частица, массовое число ядра уменьшается на четыре единицы. Где бы мне найти такую диету, чтобы терять каждый раз по четыре фунта!
Еще одним источником альфа-частиц является радон-222 (Rn-222).
222 Rn —284 Po +4 Не
альфа – частица
Здесь радон-222 подвергается ядерному распаду с освобождением альфа-частицы. Другая частица должна иметь массовое число 218 (222 – 4) и атомный номер 84 (86 – 2), что соответствует элементу полонию (Po). (Если вы запутались, посмотрите, как вычисляется баланс масс в ядерном уравнении в разделе «Радиоактивность и искусственный радиоактивный распад» выше в главе.)
Бета-распад
Бета-частица — это, по сути, электрон, испускаемый ядром. (Да-да, все верно, хотя из предыдущих глав вы знаете, что в ядре нет электронов. Читайте дальше, и вы узнаете, что
электроны образуются в ходе ядерной реакции.) Источником бета-частиц является иод-131 (I-131), применяемый для диагностики и лечения рака щитовидной железы.
Как видно из уравнения, иод-131 испускает бета-частицу (электрон), в результате чего получается изотоп с массовым числом 131 (131 – 0) и атомным номером 54 (53 – (-1)). Этот атомный номер соответствует элементу ксенону (Xe).
Обратите внимание: когда из иода-131 образовался ксенон-131, то массовое число не изменилось, однако атомный номер увеличился на единицу. В ядре иода произошло превращение нейтрона: он распался на протон и электрон. Затем произошло испускание этого электрона в качестве бета-частицы. Бета-распад, как правило, происходит с изотопами, имеющими довольно высокое отношение нейтронов к протонам. Дело в том, что при данном распаде количество нейтронов уменьшается на единицу, а количество протонов, наоборот, на единицу увеличивается, что приводит к снижению отношения нейтронов к протонам.
Гамма-излучение
Альфа- и бета-частицы обладают характеристиками вещества: имеют определенные значения массы, занимают место в пространстве и т. д. Но так как при гамма-излучении масса не меняется, то это излучение я буду называть испусканием гамма-излучения. Гамма-излучение похоже на рентгеновские лучи — обладает высокой энергией и короткой длиной волны. Оно обычно сопровождает как альфа-, так бета-излучение, но, как правило, не указывается в сбалансированной ядерной реакции. Некоторые изотопы, например кобальт-60 (Co-60), дают большое гамма-излучение. Этот изотоп применяется при лечении рака: гамма-лучи направляются на опухоль и разрушают ее.
Испускание позитронов
При распаде природных радиоактивных изотопов испускания позитронов не происходит, однако это можно наблюдать при распаде некоторых искусственных изотопов. Позитрон — это элементарная частица, обладающая массой, равной массе электрона, но несущая положительный электрический заряд. Позитрон образуется тогда, когда один из протонов, входящих в состав ядра, превращается в нейтрон. Возникающий позитрон вылетает за пределы ядра; заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Этот процесс наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов, например у калия-40 (K-40).
Калий-40 испускает позитрон, в результате чего образуется элемент с массовым числом 40 (40-0) и атомным номером 18 (19-1). Это образовался изотоп аргона — аргон-40 (Ar-40).
Если вы смотрели сериал «Звездный путь» (Star Trek), то, скорее всего, слышали об антивеществе. Так вот, позитрон — это крохотный кусочек антивещества. Когда он сталкивается с электроном, обе эти частицы разрушаются, высвобождая энергию. К счастью, позитронов не так уж много; в противном случае вам, вероятно, пришлось бы значительную часть времени «увертываться» от взрывов.
Захват электронов
Такой тип ядерного распада, как захват электронов, встречается довольно редко. В этом случае один из электронов атомной электронной оболочки (как правило, находящийся на ближнем к ядру энергетическом уровне (1s); см. главу 3, «Атом и его структура») захватывается ядром. Этот электрон взаимодействует с одним из содержащихся в ядре протонов, в ре-
зультате чего образуется нейтрон. При этом атомный номер частицы уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется. В приведенном ниже уравнении показан захват электрона
полонием-204 (Po-204).
204 n _i_ 0 , 204 п.,
84 Po +_1 e — 83 Dl + рентгеновские лучи
Электрон соединяется в ядре полония с протоном, и образуется изотоп висмута (висмут-204).
При захвате электрона на ^-орбитали образуется вакансия. При этом электроны переходят с более высоких энергетических уровней на первый уровень, высвобождая энергию не в видимой части электромагнитного спектра, а в диапазоне рентгеновских лучей.