Глава 2. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД – это процесс самопроизвольного выделения энергии ядром в виде ионизирующих излучений.

Основное свойство радиоактивности заключается в самопроизвольном превращении одних элементов в другие. При самопроизвольном радиоактивном распаде образуется новый атом, который по своим химическим свойствам отличается от исходного атома. Явление радиоактивности обуславливается только внутренним строением ядра атома и не зависит от внешних условий (давления, температуры, агрегатного состояния вещества и т.д.). Все попытки повлиять на ход радиоактивного распада при помощи изменения внешних условий не дали никаких результатов, закономерности радиоактивного распада оставались неизменными.

В результате радиоактивного распада нестабильным ядром испускаются различные ядерные частицы и энергия в виде фотонов. Различают радионуклиды, испускающие - и - частицы. Такие радиоактивные превращения называют АЛЬФА- и БЭТА- РАСПАДАМИ. К естественной радиоактивности относится также САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ (СПОНТАННОЕ) ДЕЛЕНИЕ тяжелых ядер (М~240) на два средних ядра (М~120).

АЛЬФА-ЧАСТИЦА () имеет положительный заряд +2е, массу 4,0026 АЕМ и состоит из двух протонов и двух нейтронов. БЭТА-ЧАСТИЦЫ () – это электроны и позитроны ядерного происхождения, образующиеся в процессе радиоактивного распада. Кроме - и - частиц радионуклиды испускают фотоны ГАММА-КВАНТЫ (-кванты), так как во многих радиоактивных превращениях возникают возбужденные ядра. При спонтанном деления процесс сопровождается испусканием от одного до нескольких нейтронов. Вероятность данного процесса мала и, учитывая относительно небольшое распространение тяжелых элементов в окружающей среде, этот источник радиоактивности обладает низкой интенсивностью и поэтому далее не рассматривается.

В соответствии с вышеизложенным различают следующие три вида радиоактивных излучений: Альфа-излучение, Бета-излучение и Гамма-излучение.

АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЕ представляет собой испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов – ядра гелия, получившей название альфа-частицы и обозначаемой символом ­.

В результате испускания указанной частицы номер элемента уменьшается на два, а масса на четыре АЕМ. Основными альфа-излучателями являются тяжелые элементы. Энергия этого излучения велика и достигает в ряде случаев нескольких МэВ. В качестве примера ‑распада можно привести распад плутония-239 с энергией -частицы

5 МэВ. Схема распада приведена на рис.2.1. Испускание -частицы по варианту ₁ является наиболее вероятным процессом, поэтому принято считать «чистым альфа-излучателем».

2 4065 лет α₁ α₂ ..... α₁

E

E₁

₁ < 5,156 МэВ

E₁ < 0,4514 МэВ

E₀

₁ ₂ .... ₁

Рис. 2.1. Схема распада плутония-239

БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЕ представляет собой испускание ядром ЭЛЕКТРОНА - е или его положительно заряженной анти-частицы– ПОЗИТРОНА, и обозначается символом .

В основе этого процесса лежит превращение в ядре нейтрона в протон с образованием электрона (^--распад) или протона в нейтрон с образованием позитрона (⁺-распад). В первом случае происходит увеличение заряда ядра на единицу, во втором – уменьшение. В обоих случаях масса ядра остается практически неизменной. Энергия бета-излучения колеблется от десятков тысяч эВ до одного-двух МэВ. В качестве примера может служить распад стронция-90. Схема распада приведена на рис.2.2.

_{2 8,6 года }1

	Е (кэВ)
1	546
2	2274

Рис. 2.2. Схема распада стронция-90

Испускание позитрона – крайне редкий тип излучения и здесь не рассматривается.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ представляет собой испускание ядром ‑квантов.

Г АММА-ИЗЛУЧЕНИЕ аналогично другим видам электромагнитного излучения: рентгеновскому, световому, ультрафиолетовому и др., но обладает гораздо большей энергией – до нескольких МэВ. Возбужденный атом испускает РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ при переходе электронов на внутренние близкие к ядру электронные оболочки. Переходы электронов между внешними оболочками дают оптический спектр электромагнитного излучения, который состоит из ультрафиолетового, светового и инфракрасного излучений. Природа же γ-излучения заключается в том, что в результате испускания α-частиц или -частиц дочернее ядро может образовываться в различных возбужденных состояниях или на разных энергетических уровнях. Самый устойчивый, с нулевой энергией – нижний, и ядро всегда стремится оказаться на нем, переходя с более высокого, испуская при этом γ-квант с энергией, равной разности энергий этих уровней. При этом число таких уровней для ядра может быть достаточно большим и, соответственно, большим может быть число возможных переходов между ними. В этом случае ядро испускает не один, а произвольное, но строго определенное для данного элемента, количество γ-квантов с известной энергией, по которой можно точно определить тип первичного основного распада, а также сам элемент. Процесс испускания γ-кванта происходит практически мгновенно и всегда является следствием или основного распада, или захвата ядром какой-либо частицы. Примером указанного типа излучения может служить распад цезия-137. Схема распада приведена на рис.2.3.

Экспериментальное изучение процесса радиоактивного распада показало, что количество радионуклида уменьшается по определенному закону. Каждый радионуклид характеризуется ПЕРИОДОМ ПОЛУРАСПАДА Т_1/2, равным времени, в течение которого количество ядер радионуклида уменьшается вдвое. Период полураспада различных радионуклидов лежит в пределах от долей секунды до десятков миллиардов лет. Исходя из этого, введем следующее определение радиоактивного распада.

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД – это процесс самопроизвольного распада ядер нестабильных нуклидов с образованием новых стабильных или нестабильных ядер, сопровождающийся испусканием частиц различного типа (включая γ-кванты), с постоянной скоростью, присущей данному ядру.

Процесс радиоактивного распада удобно записать в виде выражения

+ а + Е_а

и

а

ли сокращенно

, где

– начальный радионуклид, называемый материнским;

– дочерний нуклид (радионуклид), получаемый при распаде;

а – испускаемые частицы (-частица, -частица, -квант). При распаде возможно испускание нескольких частиц, например, -частицы и -кванта;

E_a – энергия продуктов распада (ЭНЕРГИЯ РАСПАДА).

В процессе радиоактивного распада выполняются законы сохранения энергии импульса, электрического заряда, массового числа (числа нуклонов). Поэтому, исходя из закона сохранения импульса, учитывая, что масса ядра много больше массы частицы а, почти вся энергия распада уносится частицей, а дочернее ядро остается практически неподвижным.

Для вывода закона радиоактивного распада воспользуемся определением периода полураспада Т_1/2.

Обозначим N(t) – количество радиоактивного радионуклида в произвольный момент времени t, N₀ – начальное его количество. На вертикальной оси координат отложим N₀ и N(t), а на горизонтальной – одинаковые промежутки времени, равные Т_1/2 (см. приложение ).

Через первый промежуток времени, согласно определению Т_1/2, количество радиоактивного материала станет равным N₀/2, через следующий – N₀/4, через третий – N₀/8 и т.д. В произвольный момент времени t количество этого материала N(t) будет равно

В результате простых математических действий получим:

;

N(t) = N_0* е^{-0,693t/Т1/2} или N(t) = N_{0 *} е^-λt

Последнее выражение представляет собой ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА, на рисунке 2.4 показано его графическое изображение. Величина

получила название ПОСТОЯННОЙ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. Ее размерность – 1/сек.

Произведение А = N называется АКТИВНОСТЬЮ данного радионуклида и измеряется в количестве распадов в секунду. АКТИВНОСТЬ равна числу атомов, распадающихся ежесекундно. Принято считать, что за время, равное десяти периодам полураспада, радиоактивный материал распадается практически полностью (согласно формуле закона за это время количество N₀ уменьшается более чем в 1000 раз).

λ = 0,693/T_1/2

Рис. 2.4 Закон радиоактивного распада