Номер 4, страница 234 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

4. Почему на Земле до сих пор не распались все радиоактивные ядра?

Радиоактивные ядра на Земле до сих пор не распались по двум основным причинам: существование изотопов с очень большим периодом полураспада и непрерывное образование новых радиоактивных ядер в результате природных процессов.

1. Наличие долгоживущих радиоактивных изотопов

Некоторые радиоактивные изотопы, называемые первичными (или примордиальными) радионуклидами, образовались еще до формирования Солнечной системы в результате нуклеосинтеза в звездах и при взрывах сверхновых. Они были включены в состав вещества, из которого сформировалась Земля около 4,54 миллиарда лет назад. Ключевой характеристикой радиоактивного распада является период полураспада ($T_{1/2}$) — время, за которое распадается половина исходного количества ядер.

У многих первичных радионуклидов периоды полураспада сравнимы с возрастом Земли или даже превышают его. Это означает, что с момента образования планеты значительная их часть еще не успела распасться.
• Уран-238 ($^{238}\text{U}$) имеет период полураспада около 4,47 миллиарда лет. С момента образования Земли распалась лишь примерно половина изначального количества этого изотопа.
• Торий-232 ($^{232}\text{Th}$) имеет период полураспада около 14,05 миллиарда лет, что значительно больше возраста Вселенной. Поэтому подавляющая часть тория-232, существовавшего при формировании Земли, сохранилась до наших дней.
• Калий-40 ($^{40}\text{K}$) имеет период полураспада около 1,25 миллиарда лет. За время существования Земли его количество уменьшилось в несколько раз ($2^{4.54/1.25} \approx 12$ раз), но заметная его часть все еще присутствует в земной коре и даже в живых организмах (включая человека).

Распад именно этих долгоживущих изотопов в недрах планеты является основным источником внутреннего тепла Земли, которое поддерживает геологическую активность (движение тектонических плит, вулканизм).

2. Непрерывное образование новых радиоактивных ядер

Многие другие радиоактивные изотопы имеют короткие периоды полураспада (от долей секунды до тысяч лет), и если бы они были только первичными, то давно бы исчезли. Однако они постоянно образуются в природе.

а) Радиоактивные ряды распада. Долгоживущие изотопы, такие как $^{238}\text{U}$, $^{235}\text{U}$ и $^{232}\text{Th}$, распадаясь, образуют целую цепочку (или радиоактивный ряд) дочерних радиоактивных ядер, которые, в свою очередь, тоже распадаются, пока не образуется стабильный изотоп свинца или висмута. Например, в ряду распада урана-238 образуются такие изотопы, как радий-226 ($T_{1/2} \approx 1600$ лет) и радон-222 ($T_{1/2} \approx 3,8$ дня). Эти короткоживущие изотопы будут существовать на Земле до тех пор, пока не иссякнут их "прародители" — долгоживущие уран и торий.

б) Космогенные радионуклиды. В верхних слоях атмосферы Земли под действием космических лучей (потоков частиц высокой энергии из космоса) постоянно происходят ядерные реакции, в результате которых образуются радиоактивные изотопы. Самый известный пример — углерод-14 ($^{14}\text{C}$) с периодом полураспада около 5730 лет. Он образуется из атмосферного азота-14 ($^{14}\text{N}$) и, несмотря на относительно быстрый распад, его концентрация в атмосфере поддерживается на практически постоянном уровне благодаря непрерывному синтезу. Другие примеры космогенных изотопов — тритий ($^{3}\text{H}$) и бериллий-10 ($^{10}\text{Be}$).

в) Антропогенные источники. В современную эпоху к природным источникам добавились искусственные. Деятельность человека, в частности, испытания ядерного оружия и работа атомных электростанций, привела к появлению и распространению в биосфере радиоактивных изотопов, таких как цезий-137 ($^{137}\text{Cs}$), стронций-90 ($^{90}\text{Sr}$) и плутоний-239 ($^{239}\text{Pu}$).

Ответ:
Все радиоактивные ядра на Земле до сих пор не распались по двум главным причинам:
1. Существование первичных радионуклидов (например, уран-238, торий-232, калий-40) с очень большим периодом полураспада, который сопоставим с возрастом Земли или превышает его. Значительная их часть еще просто не успела распасться с момента формирования планеты.
2. Непрерывное образование новых радиоактивных ядер. Этот процесс включает в себя распад долгоживущих элементов, порождающий цепочки короткоживущих дочерних изотопов, и синтез космогенных радионуклидов (например, углерода-14) в атмосфере под действием космического излучения.