Радіоактивність: альфа-, бета- і гамма-випромінювання
~20 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Розрізняй альфа-, бета- і гамма-випромінювання за їхнім складом, зарядом, проникною здатністю та поведінкою в магнітному полі. Розуміння природи радіоактивності — основа для розв'язування задач НМТ з ядерної фізики.
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
Властивість | α-випромінювання | β⁻-випромінювання | γ-випромінювання |
|---|---|---|---|
Склад | ядра | електрони | фотони (EM-хвилі) |
Заряд | +2e | −e | 0 |
Маса | 4 а.о.м. | ≈ 0,00055 а.о.м. (у 1836 разів менша за масу протона) | 0 |
Швидкість | м/с | до | |
Проникна здатність | найменша | середня | найбільша |
Йонізувальна здатність | найбільша | середня | найменша |
Що зупиняє | аркуш паперу, повітря 3–5 см | алюміній 2–5 мм | свинець ≥10 см, бетон ≥1 м |
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).
Вид випромінювання | Матеріал для захисту |
|---|---|
1. α-випромінювання | А. Товстий шар свинцю (10–20 см) |
2. β⁻-випромінювання | Б. Аркуш паперу |
3. γ-випромінювання | В. Алюмінієва пластина (2–5 мм) |
Г. Гума | |
Д. Скло |
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.
Чому γ-випромінювання настільки проникне?
γ-випромінювання — це електромагнітні хвилі (фотони) дуже високої енергії. На відміну від α- і β-частинок, фотони не мають заряду, тому вони майже не взаємодіють з електронними оболонками атомів на своєму шляху. Їхня ймовірність поглинання речовиною набагато менша, ніж для заряджених частинок. Тому γ-промені здатні проходити крізь десятки сантиметрів свинцю або навіть метри бетону, перш ніж бути повністю послабленими. Це робить їх найнебезпечнішими з точки зору зовнішнього опромінення.
Звідки береться електрон у β-розпаді, якщо в ядрі електронів немає?
У ядрі справді немає готових електронів. Під час β⁻-розпаду один із нейтронів ядра перетворюється на протон, електрон і антинейтрино: $n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu}_e$. Електрон (β⁻-частинка) народжується саме в момент розпаду й одразу вилітає з ядра. Протон залишається в ядрі, тому заряд ядра збільшується на 1. Цей процес відбувається завдяки слабкій ядерній взаємодії — одній із чотирьох фундаментальних взаємодій у природі.
Чи може радіоактивність з'явитися й зникнути залежно від нагрівання?
Ні, не може. Радіоактивність — це властивість атомного ядра, а не електронної оболонки. Нагрівання, охолодження, зміна тиску чи хімічні реакції впливають лише на електронну оболонку, а ядро залишається незмінним. Саме тому радіоактивний розпад неможливо прискорити або сповільнити зовнішніми чинниками — жодна температура, доступна на Землі, не змінює структуру ядра. Це принципово відрізняє радіоактивність від звичайних хімічних процесів.
Чому α-частинки небезпечні, якщо їх зупиняє аркуш паперу?
α-частинки небезпечні насамперед при внутрішньому опроміненні — тобто коли радіоактивна речовина потрапляє всередину організму (з повітрям, водою або їжею). Усередині тіла α-частинки передають усю свою енергію дуже малому об'єму тканин, спричиняючи величезну йонізацію на короткій відстані. Це призводить до локальних пошкоджень ДНК, які можуть викликати рак. Зовні α-частинки безпечні, бо їх легко зупиняє навіть верхній шар шкіри, але всередині вони завдають значно більшої шкоди, ніж β- чи γ-випромінювання за тієї самої поглинутої енергії.
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.