Номер 2, страница 204 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 55. Естественная радиоактивность. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 2, страница 204.

2. Что является причиной радиоактивного распада?

Радиоактивный распад — это спонтанный процесс превращения нестабильных атомных ядер в другие, более стабильные ядра. Этот процесс сопровождается испусканием различных частиц и/или электромагнитного излучения. Причина этого явления кроется в фундаментальных взаимодействиях, определяющих структуру и стабильность атомного ядра.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны), которые удерживаются вместе благодаря сильному ядерному взаимодействию. Это самое мощное из четырех фундаментальных взаимодействий, но оно является короткодействующим, то есть проявляется только на очень малых расстояниях, сопоставимых с размерами самого ядра. Сильное взаимодействие является силой притяжения между любыми парами нуклонов (протон-протон, нейтрон-нейтрон, протон-нейтрон).

Одновременно с сильным взаимодействием в ядре действует электромагнитное (кулоновское) взаимодействие. Поскольку протоны имеют положительный электрический заряд, они испытывают взаимное отталкивание. Эта сила, в отличие от сильного взаимодействия, является дальнодействующей и ослабевает с расстоянием гораздо медленнее.

Таким образом, стабильность ядра определяется конкуренцией и балансом между двумя основными силами:

• Притягивающим сильным взаимодействием, стремящимся удержать нуклоны вместе.
• Отталкивающим кулоновским взаимодействием, стремящимся разорвать ядро.

Нестабильность ядра, приводящая к радиоактивному распаду, возникает тогда, когда этот баланс нарушается. Ядро, обладающее избыточной внутренней энергией, стремится перейти в более стабильное, низкоэнергетическое состояние. Этот переход и представляет собой радиоактивный распад.

Основные причины нарушения стабильности:

1. Перегрузка ядра протонами и нейтронами. У очень тяжелых ядер (с зарядовым числом $Z > 82$) дальнодействующие силы кулоновского отталкивания между огромным количеством протонов становятся настолько велики, что короткодействующее сильное взаимодействие уже не может обеспечить стабильность. Такие ядра стремятся уменьшить свой размер и заряд, испуская альфа-частицу (ядро гелия $^4_2\text{He}$), состоящую из двух протонов и двух нейтронов. Этот процесс называется альфа-распадом.
2. Нарушение оптимального соотношения нейтронов и протонов. Для каждого элемента существует определенное, наиболее стабильное соотношение числа нейтронов ($N$) и протонов ($Z$).
   • Если в ядре избыток нейтронов ($N/Z$ слишком велико), оно нестабильно. Стабильность достигается за счет превращения одного из нейтронов в протон. Этот процесс, обусловленный слабым ядерным взаимодействием, называется бета-минус-распадом ($\beta^−$-распад). При этом испускается электрон и электронное антинейтрино.
   • Если в ядре недостаток нейтронов (избыток протонов, $N/Z$ слишком мало), стабильность достигается путем превращения протона в нейтрон. Это может произойти либо через бета-плюс-распад ($\beta^+$-распад), при котором испускается позитрон и электронное нейтрино, либо через электронный захват, когда ядро захватывает один из электронов с внутренней электронной оболочки атома. Эти процессы также обусловлены слабым взаимодействием.
3. Избыток энергии в ядре. Часто после альфа- или бета-распада дочернее ядро оказывается не в основном, а в возбужденном энергетическом состоянии. Для перехода в основное, более стабильное состояние ядро испускает избыток энергии в виде высокоэнергетического фотона — гамма-кванта. Этот процесс называется гамма-распадом.

Следует подчеркнуть, что радиоактивный распад является квантово-механическим, вероятностным процессом. Невозможно предсказать, когда именно распадется конкретное ядро, можно лишь определить вероятность его распада за единицу времени, которая характеризуется периодом полураспада.

Ответ:

Причиной радиоактивного распада является нестабильность атомного ядра, которая возникает из-за нарушения баланса между силами внутри него: сильным ядерным притяжением между всеми нуклонами и электромагнитным отталкиванием между протонами. Нестабильное ядро, обладая избыточной энергией, спонтанно переходит в более стабильное состояние с меньшей энергией. Этот переход осуществляется путем испускания частиц (альфа-распад, бета-распад) или электромагнитного излучения (гамма-распад). Процессы бета-распада, изменяющие соотношение протонов и нейтронов, обусловлены слабым ядерным взаимодействием.