36. Радиоактивность. Естественная и искусственная радиоактивность. Общий закон радиоактивного превращения. Постоянная распада. Период полураспада. Среднее время жизни радиоактивного ядра.

Радиоактивность

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элемен­тарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся: 1) α – распад, 2) β – распад (в том числе электронный захват), 3) γ – излуче­ние ядер, 4) спонтанное деление тяжелых ядер, 5) протонная радио­активность.

Процесс радиоактивного превращения ядер, существующих в природе и ядер, полученных посредством ядерных реакций, подчиняется одинаковым законам.

Закон радиоактивного превращения. Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Поэтому можно считать, что количество ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально как числу имеющихся ядер N, так и промежутку времени dt:

dN = - λNdt 63163\* MERGEFORMAT (.)

Здесь λ – характерная для каждого радиоактивного вещества константа, называемая постоянной распада. Знак минус взят для того, чтобы dN можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер N.

Интегрирование выражения 163 приводит к соотношению

N = N₀e^-λt, 64164\* MERGEFORMAT (.)

где N₀ – количество ядер в начальный момент, N – количество нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула 164 выра­жает закон радиоактивного превращения. Этот закон весьма прост: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.

Количество ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

N₀ - N = N₀ (1 - e^-λt). 65165\* MERGEFORMAT (.)

Время, за которое распадается половина первоначального ко­личества ядер, называется периодом полураспада T. Это время определяется условием

откуда

66166\* MERGEFORMAT (.)

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах от 3 ·10^-7 с до 5·10¹⁵ лет.

Найдем среднее время жизни радиоактивного ядра. Количество ядер dN(t), испытывающих превращение за промежуток времени от t до (t + dt), определяется модулем выражения 163: dN(t) = λN(t)dt. Время жизни каждого из этих ядер равно t. Следовательно, сумма времен жизни всех N₀ имевшихся первона­чально ядер получается путем интегрирования выражения tdN(t). Разделив эту сумму на число ядер N₀ получим среднее время жиз­ни τ радиоак-тивного ядра:

Подставим сюда выражение 164 для N(t):

(надо перейти к переменной x = λt и осуществить интегрирование по частям). Таким образом, среднее время жизни есть величина, обратная постоянной распада λ:

. 67167\* MERGEFORMAT (.)

Сравнение с 166 показывает, что период полураспада T отлича­ется от τ числовым множителем, равным ln2.

Часто бывает, что возникающие в результате радиоактивного превращения ядра в свою очередь оказываются радиоактивными и рас­падаются с иной скоростью, характеризуемой иной постоянной распада. Новые продукты распада могут также оказаться радиоактивными, и т.д. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений. В природе существуют три радиоактивных ряда (или семейства), ро­доначальниками которых являются (ряд урана), (ряд тория) и (ряд актиноурана). Конечными продуктами во всех трех случаях служат изотопы свинца – в первом случае , во втором , и наконец, в третьем .

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. француз­ским ученым А. Беккерелем. Большой вклад в изучение радиоактивных веществ внесли Пьер Кюри и Мария Склодовская – Кюри. Было обнаруже­но, что имеется три вида радиоактивных излучений. Одно из них, получившее название α – лучей, отклоняется под действием магнит­ного поля в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положи­тельно заряженных частиц. Второе, названное β – лучами, отклоня­ется магнитным полем в противоположную сторону, т.е. так, как отклонялся бы поток отрицательно заряженных частиц. Наконец, третье излучение, никак не реагирующее на действие магнитного поля было названо γ – лучами. Впоследствии выяснилось, что γ – лучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны (от 10^-3 до 1Å).