Радиоактивность: виды излучения

Что такое радиоактивность

Радиоактивность часто кажется темой, где легко запутаться в названиях, формулах и единицах измерения. На самом деле достаточно понять, что происходит с нестабильным атомным ядром и какие частицы или волны оно испускает. В этом разборе ты научишься различать α-, β- и γ-излучение, сравнивать их свойства и решать типовые задачи по физике без механического заучивания.

Радиоактивность — это самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием частиц или электромагнитного излучения. Такое превращение называют радиоактивным распадом. Ядро может изменить состав, заряд или энергетическое состояние, а исходный атом превратиться в атом другого элемента.

Важно: радиоактивность не зависит от температуры, давления и агрегатного состояния вещества. Если ядро нестабильно, оно распадётся с некоторой вероятностью. Для каждого радиоактивного вещества характерен период полураспада — время, за которое распадается половина исходных ядер.

В школьных задачах обычно рассматривают три основных вида излучения: альфа-, бета- и гамма-излучение. Они отличаются природой, зарядом, массой, проникающей способностью и поведением в электрическом и магнитном полях.

Альфа- и бета-излучение

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия. Каждая α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, поэтому её заряд равен +2e, а масса примерно равна 4 атомным единицам массы. В электрическом поле α-частицы отклоняются к отрицательной пластине.

Альфа-частицы сильно ионизируют вещество, но быстро теряют энергию. Их проникающая способность невелика: поток задерживается листом бумаги или верхним слоем кожи. Однако попадание источника α-излучения внутрь организма опасно, поскольку энергия передаётся тканям на очень малом расстоянии.

Бета-излучение — это поток быстрых электронов или позитронов. При β⁻-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Заряд электрона равен −e, поэтому β⁻-частицы отклоняются к положительной пластине. Их проникающая способность выше, чем у α-частиц; для защиты используют, например, лист алюминия толщиной несколько миллиметров.

α: ядро гелия → 2 протона + 2 нейтрона
β⁻: нейтрон → протон + электрон + антинейтрино

Гамма-излучение и сравнение видов

Гамма-излучение — это поток фотонов, то есть квантов электромагнитного излучения высокой энергии. У фотона нет электрического заряда и массы покоя, поэтому γ-лучи не отклоняются в электрическом и магнитном полях. Они возникают, когда возбуждённое ядро переходит в состояние с меньшей энергией.

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью. Для ослабления его интенсивности применяют толстые слои свинца, бетона или другого плотного материала. При этом полностью остановить излучение не всегда необходимо: защита уменьшает дозу до безопасного уровня.

Вид	Природа	Заряд	Проникающая способность
α	Ядра гелия	+2e	Малая
β	Электроны или позитроны	−e или +e	Средняя
γ	Электромагнитные кванты	0	Большая

При прохождении через вещество интенсивность любого излучения уменьшается. Для γ-излучения часто используют закон ослабления: I = I₀ · 2⁻ⁿ, где n — число слоёв половинного ослабления. Единица активности источника — беккерель, Бк: 1 Бк соответствует одному распаду в секунду.

Закрепить различия можно в личном кабинете с бесплатной практикой: после теории сразу проверь, не путаешь ли заряд частицы с её проникающей способностью.

Радиоактивный распад и период полураспада

Количество нераспавшихся ядер уменьшается со временем неравномерно: сначала распадается больше ядер, затем меньше. Однако за каждый период полураспада остаётся одна и та же доля — половина текущего количества. Поэтому после двух периодов остаётся четверть, после трёх — одна восьмая.

\( N = N_0 \cdot 2^-ⁿ \)
\( n = \dfrac{t}{T} \)
где N₀ — начальное число ядер, N — оставшееся число, T — период полураспада, t — время

Если активность источника в начале равна A₀, то через n периодов полураспада она станет A = A₀ · 2⁻ⁿ. Активность измеряется в беккерелях, а период полураспада — в секундах, минутах, часах или годах. Важно привести время и период к одинаковым единицам.

Например, если период полураспада равен 6 ч, а прошло 18 ч, то произошло три периода: 18 ч / 6 ч = 3. Значит, активность уменьшилась в 2³ = 8 раз и стала равна одной восьмой начального значения.

Для подготовки к ОГЭ полезны задания на доли и графики распада, а в ЕГЭ встречаются расчёты активности, энергии и состава ядра. Подобрать соответствующий уровень можно на странице подготовки к ОГЭ или подготовки к ЕГЭ.

Типовая задача с решением

Разберём задачу на период полураспада. Активность источника в начале наблюдения равна 160 кБк, период полураспада вещества — 4 ч. Найдём активность через 12 ч. Здесь не нужны сложные преобразования: сначала определяем количество прошедших периодов, затем делим исходную активность на соответствующую степень двойки.

Дано:
A₀ = 160 кБк
\( T = 4 \text{ч} \)
\( t = 12 \text{ч} \)
Найти: A — ?

Решение:
\( n = \dfrac{t}{T} = 12 \text{ч} / 4 \text{ч} = 3 \)
A = A₀ · 2⁻³ = 160 кБк / 8 = 20 кБк

Ответ: A = 20 кБк.

Проверь единицы: часы сократились при вычислении n, а активность осталась в килобеккерелях. Если в условии активность дана в Бк, ответ также получится в Бк. Частая ошибка — вычитать из начальной активности одинаковые величины. Радиоактивный распад идёт по долям, поэтому после каждого периода значение именно делится на 2.

Если хочется сразу решить похожие примеры, зарегистрируйся и открой бесплатную практику: там удобно отработать алгоритм до автоматизма.

Что запомнить

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер. Альфа-излучение — поток ядер гелия: оно сильно ионизирует, но плохо проникает. Бета-излучение состоит из электронов или позитронов и имеет среднюю проникающую способность. Гамма-излучение — поток нейтральных фотонов, поэтому оно не отклоняется в электрическом поле и проникает глубже.

В задачах на период полураспада сначала найди число периодов по формуле n = t / T, затем используй N = N₀ · 2⁻ⁿ или A = A₀ · 2⁻ⁿ. Не забывай про единицы: активность измеряется в беккерелях, энергия — в джоулях, время должно быть согласовано с периодом полураспада.

Следующий шаг простой: зарегистрируйся и реши 5 заданий бесплатно в личном кабинете. После этого отметь, где ошибся: в природе излучения, направлении отклонения или расчёте количества периодов.