2. Радиоактивность

Радиоактивность является переходом нестабильного ядра в другое ядро, которое может быть как стабильным, так и нестабильным. Образовавшееся нестабильное ядро претерпевает новый распад и таким образом продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное ядро, т.е. создается цепочка распада, заканчивающаяся на стабильном ядре.

Активность A(t) радиоактивного вещества (радионуклида) в момент времени t определяется как произведение постоянной распада λ и числа радиоактивных ядер N(t), т.е.

(1.6)

В простейшем случае материнские радиоактивные ядра P распадаются с постоянной распада λ_p в стабильный дочерний продукт D, что обозначается

Число радиоактивных материнских ядер N_P(t) изменяется в зависимости от времени t по закону

(1.7)

где N_P(0) – первоначальное число материнских первоначальное число материнских ядер при t = 0.

Таким же образом изменяется активность материнских ядер A_P(t):

(1.8)

где A_P(0) – первоначальная активность материнских ядер при t = =0.

На практике часто используется понятие период полураспада T_1/2. Под T_1/2 понимается время, в течение которого число радиоактивных ядер уменьшается в два раза от первоначальной величины. Период полураспада и постоянная распада связаны между собой соотношением

. (1.9)

Более сложный вариант радиоактивного распада наблюдается, когда материнские ядра P распадаются с постоянной распада λ_P в дочерние ядра D, которые оказывается тоже нестабильными и распадаются с постоянной распада λ_D во "внучатые" ядра G, т.е.

(1.10)

Активность дочернего радионуклида в этом случае определяется из следующего уравнения:

(1.11)

где A_P(0) – начальная активность материнского радионуклида на момент времени t = 0, т.е. где N₀ – число ядер материнского радионуклида при t = 0.

Максимальная активность дочернего радионуклида в этом случае имеет место в момент времени t_max, равный

(1.12)

при условии, что N_D(t = 0) = 0.

2. Виды радиоактивного распада

Распад материнского радиоактивного ядра X с атомным номером Z и атомным массовым числом A может происходить одним из следующих шести возможных способов:

• α-распад: (1.13)

где ядро гелия, называемое α-частицей. Как пример возьмем α-распад радия-226 в радон-222 с периодом полураспада 1600 лет:

(1.14)

• β^¯-распад: (1.15)

Нейтрон превращается в протон, и из ядра испускаются β-частица и антинейтрино, которые делят между собой выделяющуюся при распаде энергию. Результирующий энергетический спектр β^¯-частиц имеет непрерывный характер. На рис. 1.4 показаны спектры некоторых часто используемых радионуклидов. В качестве примера приведем β-распад ядра кобальт-60 с периодом полураспада 5,26 года:

(1.16)

• -распад: (1.17)

Протон превращается в нейтрон, и из ядра испускаются -частица (позитрон) и нейтрино, которые делят между собой выделяющуюся при распаде энергию. В качестве примера приведем-распад азота-13:

(1.18)

• Электронный захват: (1.19)

Ядро захватывает один из электронов на K-оболочке атома, протон трансформируется в нейтрон и испускается нейтрино. Как пример приведем захват электрона ядром йода-135, в результате которого образуется в возбужденном состоянии ядро теллура-125:

(1.20)

Возбуждение снимается через испускание γ-кванта или внутреннюю конверсию. Освободившееся место на К-оболочке занимает электрон с одной и периферийных оболочек, а разность энергий связи на оболочках испускается в виде характеристических фотонов или электрона Оже.

• γ-распад: (1.21)

Возбужденное ядро , обычно образующееся в возбужденном состоянии послераспада, возвращается в основное состояние, испуская один или несколько фотонов. В качестве примера возьмем γ-распад возбужденного ядра , образовавшееся в результате-распада ядра кобальт-60 и переходящее в основное (стабильное) состояние после испускания двух фотонов с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ.

• Внутренняя конверсия: (1.22)

Рис.1.4. Энергетические спектры β-частиц, испускаемые некоторыми

радионуклидами [2]

Вместо испускания γ-излучения возбужденное ядро может передать свою энергию электрону на К-оболочке, который испускается атомом с кинетической энергией, равной разности между энергией возбуждения и энергией связи электрона на К-оболочке. Образовавшаяся вакансия на К-оболочке заполняется электроном с одной из выше расположенных оболочек и разность в энергиях связи на оболочках высвечивается атомом в виде характеристического фотона или электрона Оже. Примером внутренней конверсии является распад возбужденного ядра теллура-125, возникающего после захвата электрона ядром иода-125, в стабильное состояние через эмиссию фотона с энергией 35 кэВ (7 %) или внутреннюю конверсию электрона.