Просто УрокРадиоактивность: ОГЭ
Разберём «Радиоактивность: ОГЭ» так, чтобы тема наконец встала на место: короткая теория, наглядный пример, алгоритм и ошибки, на которых теряют баллы. В конце — что запомнить и где закрепить на практике.
Суть радиоактивности и состав атомного ядра
ОГЭ по физике пугает многих девятиклассников квантовыми и ядерными явлениями: кажется, что поведение невидимых микрочастиц сложно представить, а в формулах легко наделать обидных ошибок. На самом деле тема радиоактивности — один из самых предсказуемых и простых разделов экзамена, где можно гарантированно заработать первичные баллы. Если понять базовую логику превращения элементов, задания из первой и второй частей перестанут вызывать стресс. Подробный план подготовки к другим разделам ты всегда найдёшь в нашей программе по ОГЭ по физике.
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком Анри Беккерелем. Оно представляет собой способность нестабильных ядер атомов определённых химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием излучения. Чтобы уверенно решать экзаменационные задачи, нужно чётко помнить планетарную и протонно-нейтронную модель строения атома.
Атом состоит из положительно заряженного массивного ядра и вращающихся вокруг него отрицательных электронов. Само ядро образуют нуклоны: положительные протоны и нейтральные нейтроны. В физике принято буквенное обозначение элементов с двумя индексами:
ᴬ_Z X
Z — зарядовое число (количество протонов, порядковый номер в таблице Менделеева, заряд ядра в элементарных зарядах e)
A — массовое число (общее количество нуклонов в ядре: протоны + нейтроны)
N = A − Z — число нейтронов в ядре
Масса электрона примерно в 1836 раз меньше массы протона, поэтому практически вся масса атома сосредоточена именно в его ядре. При ядерных реакциях и распадах обязательно выполняются фундаментальные законы сохранения: суммарный электрический заряд и общее количество нуклонов до реакции строго равны этим значениям после реакции.
Три вида радиоактивного излучения
В ходе опытов Эрнеста Резерфорда по изучению радиоактивного излучения в магнитном поле было установлено, что поток излучения разделяется на три компонента: альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи. Они обладают разной физической природой, массой, электрическим зарядом и проникающей способностью. В таблице ниже представлены ключевые характеристики, которые регулярно проверяются в теоретических вопросах ОГЭ.
| Вид излучения | Физическая природа | Электрический заряд (в e) | Ионизирующая способность | Проникающая способность |
|---|---|---|---|---|
| Альфа-излучение (α) | Поток ядер гелия (два протона и два нейтрона: ⁴₂He) | +2 | Очень высокая | Низкая (задерживается листом бумаги или одеждой) |
| Бета-излучение (β) | Поток быстрых электронов (⁰₋₁e) или позитронов | −1 | Средняя | Средняя (задерживается алюминиевой пластиной в 2–3 мм) |
| Гамма-излучение (γ) | Электромагнитные волны сверхвысокой частоты (фотоны) | 0 | Низкая | Очень высокая (требуется толстый слой свинца или бетона) |
Запомни физический смысл отклонения частиц в магнитном и электрическом полях: альфа-частицы отклоняются в сторону отрицательного полюса (так как сами положительны), бета-частицы — в сторону положительного полюса (так как заряжены отрицательно), а нейтральные гамма-кванты пролетают поле по прямой линии без отклонения.
Правила смещения Содди и ядерные реакции
При самопроизвольном распаде нестабильное ядро испускает частицу и трансформируется в ядро другого химического элемента. Правила, по которым происходят эти преобразования, сформулировал Фредерик Содди. Для успешного написания реакций достаточно уметь складывать и вычитать целые числа в верхних и нижних индексах.
Альфа-распад: ᴬ_Z X → ᴬ⁻⁴_{Z−2} Y + ⁴₂He
Бета-минус-распад: ᴬ_Z X → ᴬ_{Z+1} Y + ⁰₋₁e
Гамма-излучение: ᴬ_Z X* → ᴬ_Z X + γ
При альфа-распаде массовое число уменьшается на 4, а зарядовое — на 2. В результате элемент смещается в таблице Менделеева на две клетки ближе к началу. При бета-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, испуская электрон, поэтому массовое число остаётся неизменным, а зарядовое возрастает на 1.
При бета-распаде многие школьники ошибочно вычитают единицу из нижнего индекса, путая знак заряда электрона с изменением заряда ядра. Помни: электрон уносит заряд −1, поэтому ядро приобретает дополнительный положительный заряд: Z − (−1) = Z + 1. Зарядовое число нового элемента всегда увеличивается на единицу!
Чтобы отработать навык составления ядерных уравнений до автоматизма и не допускать досадных помарок, открой бесплатный тренажёр в личном кабинете, где собраны десятки актуальных заданий с мгновенной проверкой.
Закон радиоактивного распада и период полураспада
Процесс распада радиоактивных ядер носит вероятностный, статистический характер. Нельзя точно предсказать, в какой именно момент распадётся конкретное ядро. Однако для огромного числа одинаковых ядер действует строгий закон радиоактивного распада, описывающий убывание их количества со временем.
Главной характеристикой скорости распада является период полураспада T. Это промежуток времени, за который распадается ровно половина от первоначального количества радиоактивных ядер. Формула закона радиоактивного распада выглядит следующим образом:
\( N(t) = N_0 \cdot 2^(-\dfrac{t}{T}) = \dfrac{N_0}{2}^(\dfrac{t}{T}) \)
N₀ — начальное количество нераспавшихся ядер
N(t) — количество нераспавшихся ядер через время t
T — период полураспада изотопа
t — общее время наблюдения
В заданиях ОГЭ почти всегда время распада кратно целому числу периодов. Не нужно использовать сложные логарифмы: просто дели исходное число ядер пополам столько раз, сколько периодов прошло. Прошёл 1 период — осталось 50% (1/2), прошло 2 периода — осталось 25% (1/4), прошло 3 периода — 12,5% (1/8).
Важное свойство периода полураспада: он является постоянной величиной для каждого изотопа и совершенно не зависит от внешних факторов — температуры, давления, агрегатного состояния или химических соединений, в которые входит атом.
Практикум: решение типовой задачи из ОГЭ
Давай разберём реальную экзаменационную задачу, проверяющую знание закона радиоактивного распада. Тщательное оформление этапов решения помогает избежать глупых арифметических ошибок.
Условие: Период полураспада радиоактивного изотопа висмута составляет 5 суток. В начальный момент времени в лаборатории находился образец, содержащий 6,4 · 10¹² атомов этого изотопа. Сколько нераспавшихся ядер висмута останется в образце через 20 суток?
Дано:
T = 5 суток
t = 20 суток
\( N_0 = 6,4 \cdot 10^1^2 \)
Найти: N
Решение:
1. Определим, сколько периодов полураспада n прошло за время наблюдения:
n = t / T = 20 / 5 = 4 периода.
2. Применим закон радиоактивного распада для дискретного числа периодов:
\( N = \dfrac{N_0}{2}ⁿ \)
3. Вычислим знаменатель степени двойки:
\( 2^4 = 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 = 16. \)
4. Рассчитаем оставшееся количество ядер:
N = (6,4 · 10¹²) / 16 = 0,4 · 10¹² = 4 · 10¹¹ ядер.
Ответ: 4 · 10¹¹ ядер (или 400 000 000 000).
Если задача сформулирована наоборот (с вопросом о распавшихся ядрах), не забудь вычесть полученный остаток из начального значения: N_расп = N₀ − N. Если хочешь разобрать подобные ловушки с опытным наставником, заходи в личный кабинет для практики.
Что запомнить для экзамена и дальнейшие шаги
Тема радиоактивности гарантирует тебе лёгкие баллы, если держать в голове короткую шпаргалку основных правил:
1. Состав ядра: A = Z + N (массовое = протоны + нейтроны).
2. α-распад: A уменьшается на 4, Z уменьшается на 2 (вылетает ⁴₂He).
3. β-распад: A не меняется, Z увеличивается на 1 (вылетает ⁰₋₁e).
4. Период полураспада T не зависит от нагревания, охлаждения и химических реакций.
5. За время t = n · T количество нераспавшихся ядер уменьшается в 2ⁿ раз.
Готов закрепить материал на практике и убедиться, что тема усвоена на 100%? Сделай следующий шаг прямо сейчас: зарегистрируйся и реши 5 заданий бесплатно в онлайн-тренажёре, чтобы уверенно чувствовать себя на реальном ОГЭ!
Как закрепить тему после разбора?
Сразу после изучения теории обязательно прорешай 7–10 задач на составление ядерных реакций (альфа- и бета-распад) и 5–7 задач с графиками периода полураспада из банка ФИПИ. Проговаривай вслух законы сохранения заряда и массы, чтобы довести алгоритм действий до автоматизма.
Зависит ли период полураспада от температуры или давления?
Нет, период полураспада зависит исключительно от внутреннего строения и стабильности конкретного атомного ядра. Ни экстремальный нагрев, ни заморозка, ни высокое давление, ни химические превращения вещества не могут изменить скорость радиоактивного распада.
Чем опасны альфа-частицы, если их задерживает даже лист бумаги?
При внешнем облучении альфа-частицы действительно не способны преодолеть верхний ороговевший слой кожи человека. Однако они обладают колоссальной ионизирующей способностью: при попадании альфа-излучателя внутрь организма (с воздухом, водой или пищей) тяжелые частицы вызывают сильнейшие локальные повреждения живых клеток и ДНК.
Как быстро найти количество нейтронов по таблице Менделеева?
Округли атомную массу элемента до ближайшего целого числа — это массовое число A. Затем найди порядковый номер элемента — это зарядовое число Z (количество протонов). Вычти из массового числа порядковый номер: N = A − Z. Полученная разность и есть число нейтронов.
Проверь себя на реальных заданиях
После такого разбора решите 5–7 заданий подряд — и тема ваша. Тренажёр Просто Урок подберёт их автоматически, ошибки объяснит по шагам. Бесплатно, в браузере.