Радиоактивность. Альфа-распад. Бетта-распад. Гамма-излучение (ЕГЭ-ОГЭ)

Радиоакти́вный распа́д — самопроизвольное преобразование состава (заряда Z и массового числа A) либо внутренней структуры нестабильных атомных ядер путём испускания частиц, гамма‑квантов и/или фрагментов ядра. Данный процесс также называют радиоактивностью.

Распад может происходить лишь в том случае, если масса M исходного ядра превышает сумму масс продуктов распада (${\displaystyle M>\sum m_{i}}$). При этом другие законы сохранения — например, сохранение момента импульса, электрического заряда, барионного заряда и т. д. — способны запрещать определённые каналы распада.

Для характеристики радиоактивного распада обычно указывают время жизни изотопа, тип испускаемых частиц, их энергии и, при одновременном испускании нескольких частиц, угловые распределения между их направлениями вылета.

Экспериментально установлено, что все элементы с порядковым номером, большим 82 (начиная с висмута), не имеют стабильных изотопов и являются радиоактивными.

У более лёгких элементов, наряду со стабильными нуклидами, встречаются радиоактивные изотопы с периодами полураспада, колеблющимися от долей наносекунды до величин, во много порядков превышающих возраст Вселенной. Например, из всех измеренных радионуклидов рекордным значением обладает теллур-128 — около 2,2·10²⁴ лет.

Этот закон впервые был установлен Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментально и сформулирован в 1903 году. В современной форме он звучит так:

${\displaystyle {\frac {dN}{dt}}=-\lambda N,}$

что отражает пропорциональность числа распадов за интервал времени t количеству N радиоактивных ядер данного вида в образце.

Решение этого дифференциального уравнения при начальном условии ${\displaystyle N=N_{0}}$ при ${\displaystyle t=0}$ имеет вид:

${\displaystyle N(t)=N_{0}e^{-\lambda t}=N_{0}e^{-{\frac {t}{\tau }}},}$

где ${\displaystyle \tau }$ — среднее время жизни радиоактивного атома.

В этой записи λ — постоянная распада, характеризующая вероятность распада в единицу времени и имеющая размерность с⁻¹. Знак «−» указывает на убывание числа ядер с течением времени. Закон показывает, что распады отдельных ядер происходят независимо друг от друга и не зависят от прошедшего времени или оставшегося в образце их числа.

Альфа-распад — тип радиоактивного превращения атомного ядра, вызванный сильным взаимодействием, при котором из ядра выделяется α-частица (ядро ⁴He). В результате массовое число уменьшается на 4, а атомный номер — на 2.

Бета-распад (β-распад) — разновидность радиоактивного распада, обусловленная слабым взаимодействием, при котором сохраняется общее число нуклонов, но изменяется заряд ядра на единицу. При этом из ядра испускается электрон или позитрон (бета-частица) вместе с нейтральной нейтринной частицей.

Обычно различают два вида бета-распада:

• ядро (или нейтрон) испускает электрон и антинейтрино — «бета-минус-распад» (β⁻). То есть нейтрон превращается в протон с выдачей электрона и антинейтрино.
• ядро испускает позитрон и нейтрино — «бета-плюс-распад» (β⁺). В этом процессе протон переходит в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино. Аналогичный результат достигается при захвате ядром электронов: протон и электрон превращаются в нейтрон и нейтрино.

Га́мма-распад (изомерный переход) — радиоактивный процесс, при котором возбуждённое (метастабильное состояние) ядро спадает в основное, испуская один или несколько гамма-квантов. Энергия излучения равна разности уровней возбуждённого и основного состояний. Хотя большинство таких состояний живёт менее наносекунды, встречаются исключения с более длительными временами жизни.

Название распада		Описание	Дочернее ядро	Эмиссия
А́льфа-распа́д	α	Из ядра выделяется α-частица — ядро гелия-4.	(A-4, Z-2)	⁴He
Бе́та ми́нус распа́д	β⁻	Нейтрон преобразуется в протон через слабое взаимодействие с испусканием электрона: ${\displaystyle n\longrightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu }}}$	(A, Z+1)	e⁻;ν̅
Бе́та плюс распа́д (пози́тронная эми́ссия)	β⁺	Обратный процесс: протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино: ${\displaystyle p\longrightarrow n+e^{+}+\nu }$	(A, Z-1)	e⁺;ν
Га́мма-распа́д	γ	Ядро переходит из возбужденного состояния в основное, испуская γ-квант.	(A, Z)	γ