3. Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад – статистический процесс. Нельзя сказать, какие именно атомы в радиоактивном образце распадутся за определенное время. Но можно практически с полной достоверностью предсказать, сколько атомов независимо друг от друга распадется за этот промежуток времени.

Каждый радионуклид (радиоизотоп) распадается со своей скоростью. Поскольку радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону (рис. 3), скорость распада характеризуют периодом полураспада Т½ – временем, за которое распадается половина из имевшихся первоначально ядер радионуклида.

Период полураспада для разных изотопов меняется в широких пределах, например от 10^-16 с для до 3,7·10¹⁰ лет для . Чем больше период полураспада, тем медленнее происходит распад.

Рис. 3. Зависимость числа

Радиоактивных атомов от времени для изотопа с периодом полураспада т1/2

В случае попадания радиоактивных веществ внутрь организма с воздухом, пищей и питьем либо через поры кожи говорят об эффективном периоде полураспада. Он учитывает две величины: период полураспада и период биологического полувыведения (биологический период полураспада) – промежуток времени, по истечении которого организм выделяет половину поступившего в него вещества в результате обмена веществ. Если обозначить Т½_б период биологического полувыведения радиоактивного изотопа из организма, то эффективный период полураспада, учитывающий радиоактивный распад и биологическое выведение, выразится следующей формулой: . Эффективный период полураспада указывает промежуток времени, после которого угроза организму уменьшается вдвое.

Табл. 4. Распад урана-238

Вид излучения	Нуклид	Период полураспада
α	Уран-238	4,47 млрд. лет
β	Торий-234	24,1 суток
β	Протактиний-234	1,17 суток
α	Уран-234	245 000 лет
α	Торий-230	8 000 лет
α	Радий-226	1 600 лет
α	Радон-222	3,823 суток
α	Полоний-218	3,05 минут
β	Свинец-214	26,8 минут
β	Висмут-214	19,7 минут
α	Полоний-214	0,000164 секунд
β	Свинец-210	22,3 лет
β	Висмут-210	5,01 суток
α	Полоний-210	138,4 суток
-	Свинец-206	стабильный

Радионуклиды могут входить в так называемые радиоактивные ряды. Радиоактивные ряды (семейства или серии) – ряды радиоактивных изотопов, в которых каждый последующий образуется в результате радиоактивного распада предыдущего. Каждый радиоактивный ряд начинается изотопом с большим периодом полураспада и заканчивается стабильным изотопом. Существуют 4 природных радиоактивных ряда: тория-235, урана-238 (урана-радия), урана-235 (актиноурана) и нептуния-237. В качестве примера в табл. 4 приведен радиоактивный ряд распада урана-238.

Для характеристики числа распадов вводится понятие активности (А) радиоактивного вещества, под которым понимают число самопроизвольных ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток времени:

Активность пропорциональна числу ядер радионуклида: А=λN, где N – число ядер радионуклида; λ – постоянная распада, характеризующая вероятность распада за единицу времени (доля общего числа атомов изотопа, распадающихся каждую секунду). Чем выше λ, тем быстрее происходит распад. Постоянная распада λ связана с периодом полураспада соотношением . Для каждого радионуклида имеются свои значения λ и соответственно Т½, которое могут составлять для разных изотопов от долей секунды до миллиардов лет.

Единицей измерения активности является Кюри (Кu), соответствующая 3,7∙10¹⁰ ядерных превращений в секунду. Такая активность соответствует активности 1 г радия-226. В системе единиц СИ за единицу активности принято одно ядерное превращение в секунду (расп./с). Эта единица получила название беккереля (Бк) – 1 Бк = 2,7∙10^-11 Кu (1 Кu = 3,7∙10¹⁰ Бк).

Поверхностная активность характеризует активность, приходящуюся на единицу площади загрязненного объекта, т.е. Бк/м². Объемная активность, или концентрация радионуклида, определяется в расчете на единицу объема вещества и измеряется в Бк/м³. Удельная активность рассчитывается на единицу массы вещества – Бк/кг.

Радиационное загрязнение местности, зданий, транспортных средств, оборудования и других объектов характеризуется поверхностной активностью; жидкости и воздуха – объемной активностью; строительных материалов, отходов производства, а также продуктов питания – удельной.

В зависимости от возможности применяемой дозиметрической аппаратуры радиационные загрязнения одного и того же объекта можно выразить различной активностью. Так, радиационное загрязнение грунта и воды измеряют в единицах объемной или удельной активности.

Для определения активности источников γ-излучения чаще всего применяется своя единица активности – миллиграмм-эквивалент радия (мг-экв Ra). Активностью 1 мг-экв Ra обладает такое количество радионуклида, которое создает такую же мощность дозы, как и 1 мг Ra, заключенного в фильтр из платины толщиной 0,5 мм (1 мг-экв Ra создает дозу γ-излучения в 8,4 рентген за 1 час на расстоянии 1 см от источника).

Испускаемые радиоактивным источником частицы образуют поток, измеряемый числом частиц в 1 с. Число частиц, приходящихся на единицу поверхности (квадратный метр или квадратный сантиметр), представляет собой плотность потока частиц [част./(мин·м²), част./(мин·см²), част./(с·см²) и т. д.].

Радиометрия – совокупность методов измерений активности (числа распадов в единицу времени) нуклидов в радиоактивных источниках. Приборы, применяющиеся для обнаружения и определения степени радиоактивного заражения, называются радиометрами, то есть измерителями активности.