§36. Радиоактивность

Радиоактивностью называется способность неустойчи­вых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в более устойчивые ядра других элементов, испуская альфа- бета-гамма-лучи и элементарные частицы (электроны, ней­троны, протоны, позитроны и нуклоны).

Радиоактивность атомных ядер, находящихся в естествен­ных условиях, получила название естественной радио­активности, а радиоактивный распад атомных ядер при их бомбардировке элементарными частицами (электронами, прото­нами, нейтронами, альфа-частицами и др.)—искусствен­ной радиоактивности. Однако эти названия отражают лишь способ получения радиоактивного изотопа, а радиоактив­ность в обоих случаях определяется свойствами атомных ядер переходить из одного состояния в другое, более устойчивое, с иными физическими и химическими свойствами.

Процесс превращения одного изотопа в другой называется радиоактивным распадом. Радиоактивный распад обусловлен внутренним состоянием атомного ядра, поэтому на скорость радиоактивного распада не оказывают влияния темпе­ратура и давление, электрическое и магнитное ноля, вид хими­ческого соединения данного радиоактивного элемента и его аг­регатное состояние.

Радиоактивное превращение протекает самопроизвольно, и вероятность радиоактивного распада Х_р за единицу времени яв­ляется постоянной для каждого радиоактивного элемента. Сле­довательно, число актов радиоактивного распада сОУ за время

dx определяется только числом радиоактивных ядер ЛГ в данный момент времени т:

dN=—X_pNdx. (106)

Интегрируя выражение (106), получим

lnW = — XpT + lnC, (107)

где InC—постоянная интегрирования.

Используя начальное условие т=0, N=No и потенцируя вы­ражение (107), получаем основной закон радиоактивного рас­пада:

N = N₀ ехр( —Хрт). (108)

Таким образом, число атомов радиоактивного изотопа умень­шается с течением времени но экспоненциальному закону. Од­нако этот закон является статистическим и выполняется строго только для очень большого числа распадающихся атомов. Если /V не слишком большое, то, как и во всяких статистических яв­лениях, наблюдаются флуктуации.

Постоянная распада Л_р, имеющая размерность, обратную времени т, может быть найдена из графика, выражающего за­висимость (108) и построенного на плоскости координат т и ln;V. Наклон прямой к оси т и определяет значение ^p=tgcp (рис. 82).

Скорость радиоактивного распада, кроме постоянной рас­пада, характеризуется средней продолжительностью жизни радиоизотопа т_Р, которая равна сумме времен существования всех атомов данного изотопа, деленной на число атомов, т. е. средним временем жизни

д. и. дьяконов, 1

ОБЩИЙ КУРС 1

| БИБЛИОТЕКА | 2

_ ³ г-@-^Ит=ь— 31

л и=и_м-и_ы=2+-[-±---±А 43

р*=к;с/,/л 77

1с=И^ 87

Г] 87

д. и. дьяконов, 427

ОБЩИЙ КУРС 427

г

атомов, распадающихся за InN

Рис. 82. Кривая распада радиоак­тивного изотопа в полулогарифми­ческом масштабе.

де N(x) — число атомов в момент времени т; h_?N(x)dx — число

промежуток времени от т до x+dx.

Таким образом, т_р равно величине, обратной постоян­ной распада, и имеет размер­ность времени.

Практически продолжи­тельность жизни радиоактив­ного изотопа более удобно ха­рактеризовать периодом полу­распада Г</_а . Период по­лураспада — время, в те­чение которого распадается половина начального количе­ства атомов данного радиоак­тивного вещества.

Из (108) получаем

Т=-^-=ехр(—ЛрТ_|/2),

откуда

Вещества с большим периодом полураспада слабоактивны и имеют малое значение V В табл. 2 приведены значения т_р —для некоторых радиоактивных изотопов.

Количество радиоактивного вещества в единицах СИ выра­жается в килограммах (кг) и их производных — граммах и миллиграммах (г, мг).

Активность радиоизотопов а,>, часто называемая в радиомет­рии скважин абсолютной радиоактивностью, оцени­вается числом распадов, происходящих в единицу времени (расп./с):

Различают удельную массовую активность (активность по массе) и удельную объемную активность (активность по объ­ему). Удельная массовая активность определяется числом рас­падов, происходящих в единицу времени в 1 г вещества, и вы­ражается в расп./(с*г). Удельная объемная активность СИ оце­нивается числом распадов, происходящих в единицу времени в 1 м¹ породы и выражается в единицах расп./(с • м³).

Таблица 2

Характеристика радиоактивных изотопов

Постоянная рас*

пад_{я р}. с ²

Радио­

активный

изотоп

Среднее время жизни Тр

Период полурас­пада Т ч.

Энергия

гамма-лучей.

М»В

Воздействие любого ионизирующего излучения на среду ко­личественно оценивается в единицах дозы и мощности дозы. Различают поглощенную и экспозиционную дозы излучений. Поглощенной дозой излучения Д„ называется вели­чина, равная отношению энергии любого ионизирующего излу­чения к массе облучаемого вещества, которая измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Экспозиционная доза излучения используется для оценки воздействия гамма-излучения и рентгеновского излучения на среду. Экспозиционная доза излучения Д_:, есть ве­личина, равная отношению суммы электрических зарядов всех видов ионов одного знака, которые возникли в воздухе при полном использовании ионизирующей способности всех электро­нов, образованных фотонами в воздухе, к массе этого воздуха. Она измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг).

Различают мощность поглощенной дозы излучения и мощ­ность экспозиционной дозы рентгеновского излучения и гамма- излучения. Мощностью поглощенной дозы излу­чения Р„ называется величина, равная отношению поглощен­ной дозы излучения ко времени облучения Дт:

Р_п = ДДп/Ат.

Она измеряется в ваттах на килограмм (Вт/кг). Мощностью экспозиционной дозы излуче-

11. и я Р_я называется величина, равная отношению экспозицион­ной дозы ко времени, за которое получена эта доза:

Р₉ = ДД₉/Дт.

[Измеряется в амперах на килограмм (А/кг)].

Кроме того, выделяют эквивалентную дозу излу­чения, которая определяется дозой любого ионизирующего из­лучения ткани, создающей тот же биологический эффект, что и доза 0.0! Дж/кг рентгеновского излучения или гамма-излуче­ния, и измеряется в Дж/кг.

Интенсивность радиоактивного излучения определяется потоком энергии, прошедшей через площадь в 1 м² за 1 с и выражается в Вт/м².

Плотность потока радиоактивных частиц (квантов) оценивается количеством частиц (квантов), прошедших через площадь в 1 м² за 1 с — част, (кв.) (м²*с).

При распаде естественных радиоактивных элементов испус­каются альфа-бета-частицы и гамма-кванты, причем испускание гамма-квантов не является самостоятельным актом, оно сопро­вождается альфа- или бета-распадом ядер элементов.

А л ь ф а - л у ч и — поток частиц, которые являются ядрами атомов гелия (дНе), несут двойной положительный заряд 9,54*10”¹⁰ электростатических единиц и обладают наибольшей среди элементарных частиц массой (6,598• 10“¹² г). Скорость альфа-частиц естественных радиоактивных элементов 1,39* 10⁹— 205* 10⁹ м/с. Кинетическая энергия альфа-частиц различных ра­диоактивных элементов составляет 3,99—8,785 МэВ.

При прохождении через вещество энергия альфа-частиц рас­ходуется преимущественно на ионизацию атомов, что обуслов­лено их большим электрическим зарядом. Длина пути, прохо­димого альфа-частицей до полной потерн энергии, называется пробегом. Пробег наиболее высокоэнергичных альфа-ча- стиц, испускаемых естественными радиоактивными элементами, в воздухе не превышает 11,5 см, а в твердом веществе измеря­ется микронами.

Бета-лучи представляют собой поток частиц, несущих единичный отрицательный (электроны) или положительный (позитроны) заряд 4,77- 10~¹⁰ электростатических единиц п имеющих массу 0,9035*10 ²⁷ г. Скорость бета-частиц колеб­лется практически от нуля до 0,998 скорости света. При про­хождении через вещество энергия бета-частиц расходуется на ионизацию атомов и на их возбуждение. Вследствие малой массы и единичного электрического заряда бета-частицы имеют большую проникающую способность, чем альфа-частицы, кото­рая, однако, не превышает 8—9 мм в горных породах.

Г а м м а - л у ч и — это поток нейтральных частиц, имеющих ту же природу, что и радиоволны, свет, рентгеновское излуче­ние, и отличающихся от них лишь более высокой частотой коле­бания (г>2,42* 10¹⁸ с^-1). Скорость распространения гамма- квантов постоянна и в вакууме равна скорости света с= =3-108 м/с.

Энергия гамма-кванта выражается соотношением £„=Л\\ где Л — постоянная Планка, равная примерно 6,62*10“³⁴ Дж*с.

Длина волны Л испускаемого гамма-кванта обратно пропор­циональна частоте колебаний: к=с/\\

Вследствие электрической нейтральности гамма-квантов про­никающая способность их гораздо больше, чем у альфа- и бета- частнц, и в горных породах достигает десятков сантиметров. Благодаря высокой проникающей способности гамма-квантов через вещество основным видом радиоактивных излучений, ре­гистрируемых в методе естественной радиоактивности горных пород, является гамма-излучение.