Номер 11.52, страница 217 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Квантовая физика. Глава 11. Атомная и ядерная физика. Радиоактивность - номер 11.52, страница 217.

Условие.

11.52. Почему излучение природного урана неоднородно по составу, при том что изотопы урана-238 и урана-235 испытывают только $\alpha$-распад?

Решение.

Решение

Излучение природного урана является неоднородным по составу, поскольку образец природного урана содержит не только исходные изотопы $_{92}^{238}\text{U}$ и $_{92}^{235}\text{U}$, но и всю совокупность продуктов их радиоактивного распада. В природном уране, существующем миллиарды лет, устанавливается так называемое вековое равновесие, при котором в образце присутствуют все члены радиоактивных рядов в определенной пропорции.

Изотопы урана-238 и урана-235 действительно являются родоначальниками двух длинных радиоактивных рядов (семейств) и начинают свой распад с испускания α-частицы. Однако образующиеся в результате дочерние ядра, как правило, также нестабильны и продолжают распадаться.

Рассмотрим для примера начальные этапы распада урана-238:
1. Уран-238 ($_{92}^{238}\text{U}$) испытывает α-распад, превращаясь в торий-234 ($_{90}^{234}\text{Th}$):
$_{92}^{238}\text{U} \rightarrow _{90}^{234}\text{Th} + _{2}^{4}\text{He}$

2. Образовавшийся изотоп тория-234, в свою очередь, является β-радиоактивным и распадается с испусканием электрона (β-частицы), превращаясь в протактиний-234 ($_{91}^{234}\text{Pa}$):
$_{90}^{234}\text{Th} \rightarrow _{91}^{234}\text{Pa} + e^{-} + \bar{\nu}_e$

Эта цепочка распадов, включающая как α-, так и β-распады, продолжается до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп свинца-206 ($_{82}^{206}\text{Pb}$). Аналогичный радиоактивный ряд, начинающийся с урана-235, заканчивается стабильным изотопом свинца-207 ($_{82}^{207}\text{Pb}$).

Кроме того, многие из этих α- и β-распадов оставляют дочерние ядра в возбужденном состоянии. При переходе в основное состояние эти ядра испускают избыток энергии в виде γ-квантов, то есть создают гамма-излучение.

Таким образом, суммарное излучение образца природного урана представляет собой смесь из трех компонентов:
- α-излучение (от урана и многих дочерних изотопов, таких как радий, радон, полоний);
- β-излучение (от других дочерних изотопов, таких как торий, протактиний, висмут);
- γ-излучение (сопровождающее большинство распадов в цепочках).

Именно наличие в образце урана всей совокупности дочерних радиоактивных элементов и объясняет неоднородность его излучения.

Ответ: Неоднородность излучения природного урана обусловлена тем, что в его состав входят не только сами изотопы урана, но и все продукты их многоступенчатого радиоактивного распада (радиоактивные ряды). Эти дочерние элементы распадаются с испусканием не только α-частиц, но и β-частиц, а также γ-квантов, что и создает сложный (неоднородный) состав суммарного излучения.