Радіоактивність: альфа-, бета- і гамма-випромінювання

У 1896 році французький фізик Анрі Беккерель випадково виявив, що сіль урану, залишена на фотопластинці, засвічує її навіть крізь чорний папір. Так було відкрито явище, яке назвали радіоактивністю — самочинне перетворення нестійких атомних ядер, під час якого вони випускають частинки або електромагнітне випромінювання.

Пізніше Марія Склодовська-Кюрі та П'єр Кюрі виділили з уранової руди нові радіоактивні елементи — полоній і радій. Вони ж запропонували термін «радіоактивність». За ці дослідження подружжя Кюрі та Беккерель отримали Нобелівську премію 1903 року.

Чому радіоактивність не залежить від зовнішніх умов?

Радіоактивність — властивість саме атомного ядра, а не електронної оболонки. Тому вона не залежить від хімічного стану речовини (чи це чистий уран, чи його сполука), температури (навіть за кілька тисяч градусів), тиску чи зовнішніх електричних і магнітних полів. Жодна хімічна реакція не змінює ядро, а тому не може прискорити чи зупинити радіоактивний розпад.

Зміни відбуваються всередині самого ядра: після випромінювання α-частинки або β-частинки ядро перетворюється на ядро іншого хімічного елемента. Це й називають радіоактивним розпадом.

Природна і штучна радіоактивність

Розрізняють:

• природну радіоактивність — радіоактивні ізотопи існують у природі (уран-238, торій-232 — завдяки величезним періодам піврозпаду вони збереглися від часу утворення Землі; радон-222 з періодом піврозпаду ≈ 3,8 доби постійно утворюється під час розпаду урану-238).

• штучну радіоактивність — штучно отримані ізотопи, що виникають у ядерних реакціях (наприклад, у циклотроні або ядерному реакторі). За своєю суттю штучна радіоактивність нічим не відрізняється від природної.

Небезпека йонізувального випромінювання

Усі три види радіоактивного випромінювання здатні йонізувати атоми речовини, через яку проходять. Іонізація — це вибивання електронів з нейтральних атомів, унаслідок чого утворюються заряджені йони. У живих тканинах іонізація руйнує молекули ДНК, білки та клітинні мембрани, що призводить до променевої хвороби, опіків і мутацій. Тому радіоактивні речовини потребують спеціального захисту.

Радіоактивне випромінювання буває трьох типів, які різняться складом, зарядом, масою та властивостями. Розуміння цих відмінностей — основа для завдань НМТ.

α-випромінювання (альфа)

Альфа-випромінювання — це потік ядер гелію $^{4}_{2}He$. Кожна α-частинка складається з двох протонів і двох нейтронів, тому має заряд +2e (де $e$ — елементарний електричний заряд) і відносну атомну масу 4. Швидкість α-частинок — приблизно ${}10^{7}$ м/с. Через великий заряд і масу вони дуже сильно йонізують речовину, але швидко втрачають енергію, тому їхня проникна здатність мала: аркуш паперу або шар повітря завтовшки 3–5 см повністю зупиняє α-випромінювання.

β⁻-випромінювання (бета)

Бета-випромінювання — це потік швидких електронів. Кожна β⁻-частинка має заряд −e і дуже малу масу (у 1836 разів меншу за масу протона). Їхня швидкість може наближатися до швидкості світла $c$. Проникна здатність β-частинок більша, ніж в α: їх зупиняє лист алюмінію завтовшки кілька міліметрів. Йонізувальна здатність β-частинок менша, ніж в α, але все ще значна.

γ-випромінювання (гамма)

Гамма-випромінювання — це електромагнітні хвилі дуже високої енергії, тобто потік фотонів. На відміну від α- і β-частинок, γ-фотони не мають ні заряду, ні маси спокою. Вони поширюються зі швидкістю світла $c$. Проникна здатність γ-випромінювання найбільша: його здатний послабити лише товстий шар свинцю (10–20 см) або бетону (до 1 м). Йонізувальна здатність γ-променів найменша серед трьох типів.

Порівняльна таблиця

Запам'ятай: проникна здатність зростає від α до γ, а йонізувальна — спадає. Чим більша частинка й більший її заряд, тим сильніше вона взаємодіє з речовиною, тому швидше втрачає енергію і менше проникає.

Один із способів розрізнити види радіоактивного випромінювання — спостерігати за їхньою поведінкою в магнітному полі. Саме так Ернест Резерфорд у 1899 році з'ясував, що радіоактивне випромінювання неоднорідне, і виділив α- та β-складові.

Чому α- і β-частинки відхиляються, а γ — ні?

На заряджену частинку, що рухається в магнітному полі, діє сила Лоренца. Напрямок цієї сили визначають за правилом лівої руки: якщо чотири пальці напрямити за рухом додатно зарядженої частинки, а лінії магнітного поля входять у долоню, то відставлений великий палець покаже напрямок сили.

α-частинки мають заряд +2e, β⁻-частинки — заряд −e. Через протилежні знаки зарядів сила Лоренца діє на них у протилежні боки. Тому в однорідному магнітному полі α-частинки відхиляються в один бік, β⁻-частинки — у протилежний. γ-промені не мають заряду, тому сила Лоренца на них не діє — вони рухаються прямолінійно, не відхиляючись.

Так само поводяться пучки в електричному полі між зарядженими пластинами: α-частинки (+2e) відхиляються до від'ємної пластини, β⁻-частинки (−e) — до додатної, а γ-промені проходять не відхиляючись.

Радіус траєкторії

Радіус кола, по якому рухається заряджена частинка в однорідному магнітному полі, залежить від маси, швидкості, заряду частинки та індукції поля. Для β-частинок радіус траєкторії зазвичай менший, ніж для α-частинок, бо маса електрона в тисячі разів менша за масу α-частинки, і за подібних швидкостей β-частинки відхиляються сильніше. Однак у реальному досліді β-частинки мають дуже різні швидкості, тому їхні треки можуть утворювати цілий спектр радіусів.

Схема досліду Резерфорда

На схемі: якщо пучок рухається згори вниз, а магнітне поле напрямлене «до нас» (перпендикулярно до площини рисунка), то за правилом лівої руки α-частинки відхиляються ліворуч, β⁻-частинки — праворуч, а γ-промені йдуть прямо, не змінюючи напрямку.

γ-випромінювання після розпаду

γ-випромінювання виникає тоді, коли ядро після α- або β-розпаду опиняється у збудженому стані, а потім переходить в основний стан, випускаючи надлишок енергії у вигляді фотона. Заряд ядра при цьому не змінюється — змінюється лише його енергетичний стан. Тому γ-випромінювання не призводить до перетворення одного хімічного елемента на інший.

Розгляньмо кілька типових завдань, які можуть трапитися на НМТ. Кожне з них перевіряє ваше вміння розрізняти види радіоактивного випромінювання.

Приклад 1. Яке випромінювання складається з ядер гелію?

Завдання: Який вид радіоактивного випромінювання є потоком ядер гелію?

• А) β-випромінювання

• Б) γ-випромінювання

• В) α-випромінювання

• Г) рентгенівське випромінювання

Розв'язання: Згадаймо склад кожного виду. α-випромінювання — це потік ядер гелію $^{4}_{2}He$, які мають заряд +2e. β⁻-випромінювання — це електрони, γ-випромінювання — фотони, рентгенівське випромінювання — теж фотони, але меншої енергії, ніж γ.

Відповідь: В) α-випромінювання.

Чому інші варіанти неправильні: β-випромінювання складається з електронів, а не ядер; γ-випромінювання — це фотони без маси; рентгенівське випромінювання теж не містить ядер гелію. Дехто плутає α-частинки з електронами — це помилка.

Приклад 2. Пучки в магнітному полі

Завдання: Три пучки радіоактивного випромінювання пройшли через магнітне поле. Один із пучків не відхилився. Який це вид випромінювання?

• А) α-випромінювання

• Б) β-випромінювання

• В) γ-випромінювання

• Г) потік протонів

Розв'язання: У магнітному полі відхиляються лише заряджені частинки. α-частинки мають заряд +2e, β⁻-частинки — заряд −e. γ-промені не мають заряду, тому на них не діє сила Лоренца — вони рухаються прямолінійно.

Відповідь: В) γ-випромінювання.

Чому інші неправильні: α і β відхиляються (в різні боки), протони теж заряджені (+e), тому відхиляються. Серед α-, β- і γ-випромінювання не має заряду лише γ.

Приклад 3. Відповідність: види випромінювання і матеріали

Завдання на відповідність: Установіть відповідність між видом радіоактивного випромінювання (1–3) і матеріалом, що здатний його повністю зупинити (А–Д).

Розв'язання: Найменшу проникну здатність має α-випромінювання — його зупиняє аркуш паперу (Б). β-випромінювання проникає глибше, але алюміній товщиною кілька міліметрів його затримує (В). γ-випромінювання має найбільшу проникну здатність — для його ослаблення потрібен товстий шар свинцю або бетону (А).

Відповідь: 1 → Б, 2 → В, 3 → А. Гума (Г) і скло (Д) — зайві варіанти.

Приклад 4. Як γ-випромінювання впливає на заряд ядра?

Завдання: Атомне ядро випустило γ-фотон. Як після цього змінився заряд ядра?

• А) збільшився на 1

• Б) зменшився на 2

• В) не змінився

• Г) став нульовим

Розв'язання: γ-випромінювання — це електромагнітне випромінювання (фотони), яке не має заряду. Коли ядро випускає γ-фотон, воно переходить зі збудженого стану в основний, але його нуклонний склад (кількість протонів і нейтронів) не змінюється. Отже, заряд ядра залишається незмінним.

Відповідь: В) не змінився.

Чому інші неправильні: заряд збільшується на 1 при β⁻-розпаді (нейтрон перетворюється на протон + електрон); зменшується на 2 при α-розпаді; нульовим заряд не стає ніколи, бо ядро завжди має додатний заряд.

Розберімо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні в завданнях на тему радіоактивності. Уникаючи їх, ти значно підвищиш свої шанси на правильну відповідь.

• Вважати, що γ-випромінювання змінює заряд ядра. Насправді γ-фотон не має заряду, тому випромінювання γ-кванта не змінює ні заряду, ні масового числа ядра. Змінюється лише енергетичний стан ядра (воно переходить зі збудженого в основний). Заряд ядра зменшується на 2 лише за α-розпаду, а збільшується на 1 — за β⁻-розпаду.

• Плутати α-частинки з електронами або β-частинки з ядрами гелію. α-частинка — це ядро гелію $^{4}_{2}He$ (+2e), а β⁻-частинка — електрон (−e). Запам'ятай: «альфа — ядро, бета — електрон».

• Плутати проникну й йонізувальну здатності. Ці здатності пов'язані якісно: що сильніше випромінювання йонізує речовину, то менша його проникна здатність. Найпроникніше γ-випромінювання, але найбільше йонізує α. Чим важча й зарядженіша частинка, тим сильніше вона взаємодіє з речовиною (висока йонізація), тому швидше втрачає енергію (мала проникність).

• Вважати, що радіоактивність можна припинити нагріванням, охолодженням, зміною тиску чи хімічною реакцією. Це неправильно: радіоактивність — властивість ядра, вона не залежить від електронної оболонки чи зовнішніх умов. Жодна хімічна реакція або фізичний вплив не змінює ядро.

• Вважати, що обидва заряджені види (α і β) відхиляються в магнітному полі в один бік. Насправді вони мають заряди протилежних знаків (+2e і −e), тому сила Лоренца діє на них у різні боки. Лише γ-промені (заряд 0) не відхиляються.

Програма НМТ з фізики (тема 5.3 «Атом та атомне ядро») вимагає вміння розрізняти α-, β- і γ-випромінювання та визначати характеристики частинок за їхніми треками. Зверни увагу: довідкових даних про властивості випромінювань у бланку НМТ немає — цю інформацію треба знати напам'ять.

У демонстраційному варіанті НМТ 2026 року з теми 5.3 представлено завдання № 14 (склад ядра, заряд ізотопу) і № 22 (закон радіоактивного розпаду). Ідентифікація видів випромінювання є необхідною підготовкою до цих завдань.

Формати завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання № 1–14, 0 або 1 бал) — наприклад, на ідентифікацію виду випромінювання за складом, за поведінкою в магнітному полі або за матеріалом, що його затримує.

• Завдання на відповідність (№ 15–16, до 3 балів) — наприклад, зіставити три види випромінювання з матеріалами, що їх зупиняють, або зі складовими частинками.

Стратегія розв'язування

У завданні про три пучки спочатку визнач, який пучок не відхиляється — це γ-випромінювання. Потім розрізняй α- і β⁻-частинки за знаком заряду. У магнітному полі напрям відхилення визначай за правилом лівої руки: α і β⁻ відхиляються в протилежні боки. В електричному полі між зарядженими пластинами α-частинки відхиляються до від'ємної пластини, β⁻-частинки — до додатної.

Ось відповіді на запитання, які найчастіше виникають під час вивчення радіоактивності.

• Радіоактивність — самочинне перетворення нестійких атомних ядер, під час якого вони випускають частинки або випромінювання. Відкрита Анрі Беккерелем у 1896 році.

• α-випромінювання — потік ядер гелію $^{4}_{2}He$ (заряд +2e); β⁻-випромінювання — потік електронів (заряд −e); γ-випромінювання — потік фотонів високої енергії (заряд 0).

• Проникна здатність зростає від α до γ: α зупиняє аркуш паперу, β — алюміній 2–5 мм, γ — товстий шар свинцю або бетону.

• Йонізувальна здатність спадає від α до γ: найбільше йонізує α, найменше — γ.

• У магнітному полі α- і β⁻-частинки відхиляються в протилежні боки (різні знаки зарядів), а γ-промені не відхиляються (заряду немає).

• γ-випромінювання не змінює заряд ядра — ядро лише переходить зі збудженого стану в основний.

• Радіоактивність не залежить від хімічного стану, температури, тиску чи зовнішніх полів — причина в ядрі, а не в електронній оболонці.