Физика · 11 классурок · 2026-09-29~8 мин чтения

Закон радиоактивного распада

Альфа, бета и гамма: правила смещения, закон радиоактивного распада, период полураспада и настоящий радиоуглеродный анализ — то, что спрашивают на ЕГЭ.

Открыть тренажёрСразу к проверке

На потолке в съёмной квартире — белый круглый прибор с кнопкой. Дымовой извещатель. Внутри него крошечная капсула с америцием-241: альфа-излучатель ионизирует воздух между двумя электродами, по камере течёт слабый ток, и пока воздух чист, всё молчит. Дым забивает камеру — ток падает, сирена будит дом. Период полураспада америция-241 равен 432 годам, так что источник проработает дольше, чем простоит здание. Откуда берётся такая неубывающая активность и как её считают — тема этого урока.

Три вида распада и правила смещения

Радиоактивность открыл в 1896 году Анри Беккерель: соли урана, лежавшие в ящике с фотопластинкой, засветили её без всякого солнца. Мария и Пьер Кюри в 1898-м выделили из урановой руды полоний и радий — в тысячи раз более активные, и Мария Кюри придумала слово «радиоактивность». Резерфорд в 1899 году разделил излучение на две составляющие, названные альфа и бета, а Виллард в 1900-м нашёл третью, гамма. У каждой — своя частица и своё действие на ядро.

Альфа-распад: ядро выбрасывает альфа-частицу — ядро гелия-4, два протона и два нейтрона вместе. Зарядовое число Z уменьшается на два, массовое число A — на четыре, элемент смещается на две клетки к началу таблицы Менделеева. Классический пример — распад урана-238 в торий-234:

Альфа-распад урана-238: правило смещения

В записи ядра слева вверху стоит массовое число A — суммарное число протонов и нейтронов, их вместе называют нуклонами; слева внизу — зарядовое число Z, равное числу протонов и номеру элемента в таблице Менделеева. Уран-238 — это 92 протона и 146 нейтронов. Альфа-частица уносит два протона и два нейтрона, поэтому торий получается на две клетки ближе к началу таблицы: 90 протонов и 234 нуклона. Выписывай числа по краям уравнения и сверяй баланс — ошибка в распаде видна сразу.

Бета-минус распад: внутри ядра нейтрон превращается в протон, выстреливая электрон и антинейтрино. Заряд ядра растёт на единицу, массовое число не меняется — элемент переезжает на одну клетку вправо. Торий-234, родившийся из урана, сам нестабилен: . Гамма-излучение — это вообще не превращение: возбуждённое ядро сбрасывает лишнюю энергию фотоном, заряд и масса остаются прежними. В любой записи распада суммы зарядовых и массовых чисел слева и справа обязаны сходиться — это первая проверка ответа.

Заметь: альфа- и бета-распады превращают элементы друг в друга, и распады тянутся цепочками по всей таблице Менделеева. Уран-238 за восемь альфа-распадов и шесть бета-распадов превращается в свинец-206 — стабильный финал всей семьи: 238 минус восемь гелиевых ядер дают 206, а заряд 92 минус 16 плюс 6 равен 82 — номер свинца. Промежуточные звенья цепочки — радий, радон и другие, каждое со своим периодом. Накопленный свинец-206 в урановой руде — как кольца на спиле дерева: по нему тоже судят о возрасте породы.

Тип распадаЧто вылетаетИзменение ZИзменение A
альфаядро гелия-4−2−4
бетаэлектрон+10
гаммафотон00

Проникающая способность различается драматически. Альфа-частицы задерживает лист бумаги и даже роговой слой кожи: снаружи организма альфа-источник почти безобиден, но вдыхать его пыль смертельно опасно — внутри вся энергия достаётся тканям. Бета-электроны пробивают несколько миллиметров алюминия. Гамма-кванты проходят сквозь сантиметры свинца и бетонные стены, поэтому от них защищают толстыми экранами и расстоянием.

Как вообще ловят эти частицы? Счётчик Гейгера щёлкает, когда пролетающая частица ионизирует газ в тонкой трубке: каждый щелчок — одна частица, а частота щелчков — активность. Камера Вильсона делает частицы видимыми: в пересыщенном паре вдоль их пути растут капельки, и на фотографии видны треки — толстые короткие у альфа-частиц, тонкие извилистые у электронов. По длине и толщине трека физик сразу говорит, какая частица пролетела и с какой энергией.

Почему ядро вообще распадается? Тяжёлое ядро — это комок, в котором протонов слишком много: кулоновское отталкивание тянет их врозь, а короткодействующие ядерные силы уже не склеивают весь комок целиком. Альфа-распад сбрасывает лишний балласт, бета-распад правит соотношение протонов и нейтронов, гамма-квант снимает оставшееся возбуждение. Распад энергетически выгоден: продукты легче исходного ядра, и разница масс улетает с кинетической энергией частиц.

  • Альфа — тяжёлое ядро гелия: Z минус два, A минус четыре.
  • Бета — электрон из ядра: Z плюс один, A без изменений.
  • Гамма — фотон: ядро лишь снимает возбуждение.
  • Баланс зарядовых и массовых чисел — обязательная проверка любого распада.

Период полураспада и закон распада

Когда конкретное ядро распадётся, предсказать невозможно — распад случаен, как бросок кубика. Но у огромного ансамбля ядер статистика железная: за одинаковое время распадается одна и та же доля. Период полураспада T — это время, за которое распадается половина имеющихся ядер. Прошло ещё T — и половина от оставшейся половины. Отсюда закон радиоактивного распада: , где N0 — начальное число ядер, t — прошедшее время.

Закон радиоактивного распада

У разных ядер T различается чудовищно: у радия-226 — 1600 лет, у йода-131 — 8 суток, у технеция-99m — около 6 часов, а у урана-238 — 4,5 миллиарда лет, примерно возраст Земли. Скорость распада называют активностью: это число распадов в секунду, единица — беккерель, 1 Бк равен одному распаду в секунду. Активность падает вместе с N по тому же закону. В старых справочниках встречается кюри: 1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк — такова активность одного грамма радия-226.

Пример с числами. Период полураспада йода-131 — 8 суток. Препарат пролежал на складе 24 суток — это три периода, значит от него осталась восьмая часть исходных ядер и восьмая часть активности. Ещё восемь суток — и останется шестнадцатая доля. Дозиметрист считает периоды на пальцах: половина, четверть, восьмая, шестнадцатая — и расчёт готов.

Расставлено: 0 из 5 · Ошибок: 0
1900191019201930раньшепозже
Собранная лента (раньше — сверху):
  1. 1…
  2. 2…
  3. 3…
  4. 4…
  5. 5…
Хроника открытий
Расставь события в хронологическом порядке — на всё ушло меньше сорока лет.
Попыток: 0 · Найдено: 0 из 6
Термины
Определения
Собери пары
Шесть терминов и шесть определений — найди каждую пару.
Заполнено: 0 из 2

За каждый период полураспада число нераспавшихся ядер уменьшается , а при альфа-распаде массовое число ядра уменьшается на .

Банк слов

Заполни пропуски
Два факта, без которых задачи на распад не решаются.

Изотопы на службе: археология и медицина

Изотопы — ядра с одинаковым зарядом, но разной массой: у углерода это стабильный углерод-12 и радиоактивный углерод-14 с периодом полураспада около 5700 лет. Углерод-14 рождается в верхних слоях атмосферы под ударами космических лучей. Пока организм жив, он непрерывно обменивается углеродом с атмосферой, и доля углерода-14 постоянна. Смерть выключает обмен — и доля начинает падать вдвое каждые 5700 лет. Измерили остаточную долю в кости или ткани, посчитали, сколько периодов прошло, — получили возраст. Осталась четверть — образцу около 11 400 лет, восьмая часть — около 17 100 лет. Так радиоуглеродный анализ датирует археологические находки.

Медицина живёт изотопами всерьёз. Йод-131 (период 8 суток) вводят при болезнях щитовидной железы: железа сама жадно захватывает йод из крови, то есть попадает точно по адресу. Технеций-99m с периодом около 6 часов — рабочая лошадка диагностики: обследование занимает полдня, а через сутки почти вся активность распалась, и доза для пациента мала. Гамма-лучами кобальта-60 стерилизуют инструменты и медицинские материалы, а лучевая терапия бьёт гаммой по опухолям.

Разбор задачи: три периода
  1. Сколько периодов полураспада уместилось: n = t/T.
  2. Осталось ядер: начальное число делим на 2 в степени n.
  3. Пример: было 8·10¹⁸ ядер, прошло 3 периода — осталось 10¹⁸, распалось 7·10¹⁸.
  4. Проверка в обратную сторону: удвой остаток трижды — вернёшься к исходному числу ядер.
Период полураспада#
Время, за которое распадается половина имеющихся ядер
Активность#
Число распадов в секунду; единица — беккерель
Изотопы#
Ядра с одинаковым зарядовым числом, но разной массой
Радиоуглеродный анализ#
Метод датировки останков по остаточной доле углерода-14

Куда двигаться дальше: правила смещения и закон распада — одни из самых частых заданий ЕГЭ по физике, так что начни с тренажёра ниже. Потом полезно понять, откуда берётся энергия распада: дефект массы и энергия связи ядра — следующая остановка курса, а заодно ответ, почему уран-235 горит в реакторе, а уран-238 лишь копится рядом.

Проверь себя

Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»

Какая частица вылетает из ядра при альфа-распаде?

Какие утверждения о радиоактивных распадах верны?

Сколько распадов в секунду соответствует активности в один беккерель?

Период полураспада зависит от температуры и давления препарата.

Разложи признаки по видам распада.

Разложи элементы по категориям: нажми на элемент, потом на категорию.

Расставь шаги радиоуглеродного анализа по порядку.

Вставь пропущенное.

Выбери подходящее слово в каждом пропуске.

За один период полураспада число нераспавшихся ядер уменьшается , а активность препарата измеряют в , равных одному распаду в секунду.

Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.

Частые вопросы

Можно ли предсказать, когда распадётся конкретное ядро?

Нет, распад каждого ядра — чистая случайность. Закон полураспада работает только для большого ансамбля: он говорит, какая доля ядер распадётся, а не когда именно.

Почему гамма-лучи опаснее альфа-частиц снаружи тела?

Альфа-частицы задерживает даже лист бумаги, зато внутри организма они выкладывают всю энергию в одну клетку. Гамма-кванты проникают глубоко снаружи, хотя часть из них проходит и насквозь.

Как по кости узнают возраст археологической находки?

В живом организме доля радиоуглерода-14 постоянна, после смерти обмен прекращается и доля падает вдвое каждые 5700 лет. Измерив остаток, считают, сколько периодов прошло, и умножают на 5700 лет.

Зачем в больнице технеций-99m, если он радиоактивен?

Он короткоживущий: период полураспада около шести часов, поэтому пациент получает малую дозу. Гамма-кванты выходят наружу и рисуют картинку органа на детекторе.