Радіоактивність

Ядра важких елементів мають велику кількість нуклонів; ядерні сили не забезпечують їх стійкості. Такі ядра можуть самовільно розпадатися, перетворюючись у ядра більш стійких елементів. Це явище називається природною радіоактивністю.

Перетворення ядер завжди супроводжується випромінюванням. Склад цього випромінювання визначили, діючи на нього сильним магнітним полем. Розрізняють три види радіоактивного випромінювання:

• α -промені — це потік позитивно заряджених частинок, ядер гелію ⁴₂ Не.

• β -промені — потік заряджених частинок з малою масою (електронів та позитронів).

• γ -випромінювання — електромагнітне випромінювання, потік фотонів з високою частотоюта великою енергією (декілька МеВ).

Закон радіоактивного розпаду. Активність

Радіоактивний розпад ядра — це випадковий процес, який зумовлений лише внутрішньою будовою ядра. На швидкість розпаду не можна вплинути ні зміною температури чи тиску в речовині, ні дією електромагнітного поля. Неможливо наперед зазначити момент розпаду певного ядра. Однак для великої кількості однакових ядер можна визначити ймовірність їх розпаду. Значення ймовірності залежить лише від природи ядра.

Беручи до уваги самовільність розпаду, можна вважати, що кількість ядер dn , котрі розпадаються за час dt, пропорційна інтервалу часу dt та кількості ядер, які ще не розпалися на момент часу t: dN= -λNdt, де λ — стала розпаду для конкретної речовини; знак (-) означає зменшення загальної кількості радіоактивних ядер у процесі розпаду.

Проінтегрувавши рівняння dN= -λNdt, отримаємо: dN/N= -λNdt, звідси

lnN/N₀=-λt, або N= N₀e^-λt, де N — кількість ядер, які ще не розпалися на момент часу t; N_о — початкова кількість ядер (у момент часу t = 0 )

Рівняння виражає закон радіоактивного розпаду, згідно з яким кількість ядер, які ще не розпалися, зменшується за експоненціальним законом. Інтенсивність розпаду характеризується періодом напіврозпаду (Т_1/2 ) та середньою тривалістю життя ядра (τ ). Період напіврозпаду Т_1/2 — це час, протягом якого розпадається в середньому половина ядер. Тоді з рівняння виходить, що N₀/2= N₀e^-λT1/2 звідси ½=e^-λT1/2; ln1-ln2=-λT_1/2, або T_1/2= ln2/λ=0,693/λ

Періоди напіврозпаду для природних радіоактивних елементів коливаються в межах від часток секунди до багатьох мільярдів років.

Визначимо середню тривалість життя (τ ) радіоактивного ядра. Припустимо, що сумарна тривалість життя dN ядер дорівнює t, тоді ׀dN׀=λNtdt

Проінтегруємо цей вираз і поділимо на початкову кількість ядер N_о:

Таким чином, тривалість життя ядра обернена до сталої розпаду.

Досліджуючи ланцюг радіоактивних перетворень, можна побачити, що інтенсивність випромінювання різних радіоактивних речовин різна, тобто в різних речовинах за одиницю часу розпадається різна кількість ядер.

Кількість ядер радіоактивної речовини, які розпадаються за одиницю часу, називається активністю: A=dN/dt; A=- (d(N₀e^-λτ)/dt)=λN₀ e^-λτ=0,693N/T_1/2

Із розпадом ядер активність певної маси елемента зменшується за законом A_t=A₀ e^-λτ =F0e^-0.693t/T де A₀ — активність у момент часу t = 0.

1 Бк (Бекерель) — активність нукліда, за якої протягом 1 с відбувається один акт розпаду. Використовують також позасистемну одиницю — Кюрі (Кі): 1Кі = 3,7x10¹⁰ Бк.