Строение атома. Радиоактивность

Определение. Строение атома

Атом — наименьшая частица химического элемента, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Ядро состоит из протонов (заряд $+e$) и нейтронов (заряд 0). Электроны движутся вокруг ядра.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом (1911) на основе опытов по рассеянию α-частиц, называется планетарной: лёгкие электроны вращаются вокруг массивного ядра, как планеты вокруг Солнца.

Заряд ядра $Z$ равен числу протонов и определяет, к какому химическому элементу относится атом. Массовое число $A$ — сумма числа протонов $Z$ и нейтронов $N$:

$A = Z + N$

Определение. Радиоактивность

Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием частиц или электромагнитного излучения. Открыта А. Беккерелем в 1896 году.

Существует три основных типа радиоактивного излучения:

• α-излучение — поток ядер гелия $^{4}_{2}He$ (α-частиц). Задерживается листом бумаги.
• β-излучение — поток электронов $^{0}_{-1}e$. Задерживается слоем алюминия в несколько мм.
• γ-излучение — электромагнитные волны высокой частоты. Задерживается толстым слоем свинца или бетона.

Формула. Правила смещения (законы сохранения)

При радиоактивном распаде выполняются законы сохранения массового числа $A$ и зарядового числа $Z$:

Альфа-распад:

${}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}Y + {}^{4}_{2}He$

Бета-распад (β⁻):

${}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A}_{Z+1}Y + {}^{0}_{-1}e + \bar{\nu}_e$

Гамма-излучение:

${}^{A}_{Z}X^{*} \rightarrow {}^{A}_{Z}X + \gamma$

Обозначения

Символ	Название	Единица СИ
$A$	Массовое число (нуклонов)	—
$Z$	Зарядовое число (протонов)	—
$N$	Число нейтронов	—
$e$	Элементарный заряд	Кл
$\alpha$	Альфа-частица ($^{4}_{2}He$)	—
$\beta^-$	Электрон	—
$\gamma$	Гамма-квант	—

Пример 1. Альфа-распад радия-226

Ядро радия-226 ($^{226}_{88}Ra$) испускает α-частицу. Определите ядро-продукт.

Дано: $^{226}_{88}Ra \rightarrow \,? + {}^{4}_{2}He$

Формула: ${}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}Y + {}^{4}_{2}He$

Подстановка: $A_Y = 226 - 4 = 222$, $Z_Y = 88 - 2 = 86$

Ответ: $^{222}_{86}Rn$ (радон-222).

Пример 2. Бета-распад тория-234

Ядро тория-234 ($^{234}_{90}Th$) испускает β⁻-частицу. Определите ядро-продукт.

Дано: $^{234}_{90}Th \rightarrow \,? + {}^{0}_{-1}e + \bar{\nu}_e$

Формула: ${}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A}_{Z+1}Y + {}^{0}_{-1}e + \bar{\nu}_e$

Подстановка: $A_Y = 234$, $Z_Y = 90 + 1 = 91$

Ответ: $^{234}_{91}Pa$ (протактиний-234).

Пример 3. Определение типа распада по продуктам

Ядро полония-210 ($^{210}_{84}Po$) превратилось в ядро свинца-206 ($^{206}_{82}Pb$). Сколько α-распадов произошло?

Дано: $^{210}_{84}Po \rightarrow {}^{206}_{82}Pb + x \cdot {}^{4}_{2}He$

Формула: Изменение $A$: $210 - 206 = 4$. Изменение $Z$: $84 - 82 = 2$. Каждый α-распад уменьшает $A$ на 4 и $Z$ на 2.

Подстановка: $x = \frac{210 - 206}{4} = 1$, проверка $Z$: $84 - 2 \cdot 1 = 82$

Ответ: Произошёл один α-распад: $^{210}_{84}Po \rightarrow {}^{206}_{82}Pb + {}^{4}_{2}He$.

Важно!

📌 При радиоактивном распаде всегда сохраняются массовое число $A$ и зарядовое число $Z$. Сумма $A$ (и $Z$) продуктов распада равна $A$ (и $Z$) исходного ядра.

⚠️ α-частица — это ядро гелия, а не атом гелия. У неё нет электронной оболочки, поэтому заряд $+2e$.

⚠️ γ-излучение часто сопровождает α- и β-распад. После испускания частицы ядро часто остаётся в возбуждённом состоянии и сбрасывает лишнюю энергию в виде γ-кванта.