Закон радіоактивного розпаду. Активність.Правило зміщення

Під радіоактивним розпадом розуміють природне радіоактивне самовільне перетворення одного ядра (материнського) в інше ядро (дочірнє). Розпад атомних ядер підпадає під дію закону радіоактивного розпаду

, (18.1)

де N₀ – кількість ядер, що не розпалися, у даному об’єму речовини в початковий момент часу t = 0; N – кількість ядер, що не розпалися, у тому же об’єму до моменту часу t; ( – стала розпаду, що має сенс ймовірності розпаду ядра за 1с і дорівнює долі ядер, що розпадаються за одиницю часу.

Величина є середньою тривалістю життя (середній час життя) радіоактивного ізотопу.

Характеристикою стійкості ядер щодо розпаду є період напіврозпаду – час, протягом якого первісна кількість радіоактивних ядер у середньому зменшується вдвічі. Згідно (18.1)

,

Звідки . (18.2)

Періоди напіврозпаду для природно радіоактивних елементів знаходяться в межах від 310^-7с ( ) до 4,5110⁹ років ( ).

Радіоактивний розпад відбувається відповідно до так званих правил зміщення, що дозволяють установлювати, яке ядро Y виникає при розпаді материнського ядра Х. Правила зміщення для -розпаду

(18.3)

для _--розпаду

(18.4)

для ₊-розпаду

, (18.5)

де – символічне позначення електрона (заряд його дорівнює -1, а масове число – нулеві), – позитрона, – антинейтрино, – нейтрино.

Правила зміщення є наслідком двох законів, що виконуються при радіоактивних розпадах, - збереження електричного заряду Z і збереження масового числа А: сума зарядів (масових чисел) виникаючих ядер і частинок дорівнює заряду (масовому числу) материнського ядра.

Якщо дочірнє ядро виявляється радіоактивним, то виникає ланцюжок радіоактивних перетворень. Природно - радіоактивні ядра утворюють три радіоактивні ряди, названих рядом урану ( ), рядом торія ( ) і рядом актинію ( ). Ряди називаються по найбільш довговічному (з найбільшим періодом напіврозпаду) „родоначальнику”. Усі ряди після ланцюжка - і - розпадів закінчуються на стійких ядрах ізотопів свинцю – , і .

З правил зміщення випливає, що масове число при - розпаді зменшується на 4, а при - розпаді не змінюється. Отже, повинні існувати чотири різні радіоактивні ряди, для кожного з яких масові числа задаються однією з таких формул: 1) А = 4n, 2) А = 4n+1, 3) А = 4n+2, 4) А = 4n+3, де n – ціле позитивне число. Ізотопів, які б належали радіоактивному ряду з А = 4n+1, у природі немає. Їх одержують штучно за допомогою ядерних реакцій. Було встановлено, що „родоначальником” цього ряду є нептуній (Т_1/2 = 2,2610⁶ років), а закінчується він стабільним ізотопом вісмуту (Т_1/2 = 210¹⁷ років).

Якщо відбувається ланцюжок радіоактивних розпадів і за час dt із загальної кількості N_м материнських ядер розпадається ядер, а дочірніх , то загальна зміна кількості ядер дочірньої речовини за одиницю часу виразиться, як

. (18.6)

У випадку рухливої рівноваги між материнськими і дочірніми речовинами (розпад дочірніх атомів компенсується збільшенням їх кількості, завдяки розпаду материнських атомів) і тоді виконується умова радіоактивної рівноваги

(18.7)

звідки

. (18.8)

Добуток А = N називається активністю цієї радіоактивної речовини і є кількістю розпадів в одиницю часу. Активність, віднесена до одиниці маси речовини, називається питомою активністю. Одиниця активності в СІ називається беккерель (Бк). Дотепер у ядерній фізиці застосовується і позасистемна одиниця активності – кюрі (Ки): 1Ки = 3,710¹⁰ Бк. Назва цих величин – данина першовідкривачу радіоактивного випромінювання Антуанові Беккерелю й основоположниці ядерної фізики Марії Складовській-Кюрі.