3.2.4.2. Фізика радіоактивності

Природа випромінювань добре вивчена. Щоб зрозуміти, як виникають випромінювання, необхідно згадати деякі відомості з атомної фізики.

Згідно планетарної моделі атома, запропонованої в 1911 р. англійським фізиком Резерфордом ядро атома складається з позитивних протонів та нейтральних нейтронів. Навколо ядра обертаються по своїх орбітах негативно заряджені електрони. Заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів, тобто атом нейтральний з точки зору електрики.

Ядра атомів одного й того самого елемента завжди містять однакову кількість протонів, але кількість нейтронів у них може бути різного. Атоми, що мають ядра з однаковим числом протонів, але різняться за числом нейтронів відносяться до різновидів одного і того самого хімічного елемента і називаються ізотопами. Щоб відрізняти їх один від одного до символу елемента приписують число, що дорівнює сумі всіх частинок у ядрі даного ізотопа. Так, Уран-238 містить 92 протони та 238  92 = 146 нейтронів, в Урані-235 також 92 протони, але 235  92 = 143 нейтрони. Протони і нейтрони мають загальну назву «нуклони». Повне число нуклонів називається масовим числом А і є мірою стабільності ядра. Чим ближче розташований елемент до кінця таблиці Менделєєва, тим більше нейтронів у ядрі і тим менш стійкі ці ядра.

Ядра всіх ізотопів утворюють групу «нуклідів». Деякі нукліди стабільні, тобто за відсутності зовнішньої дії не зазнають ніяких перетворень. Але більшість нуклідів нестабільні, вони весь час перетворюються в інші нукліди.

Електрони розташовуються на орбітах в суворій послідовності, на найближчій до ядра орбіті може містяться не більше 2 електронів, на наступній орбіті  не більше 8, на третій  18, далі  32.

Ці умови навів, як постулати, в 1913 р. датський фізик Нільс Бор. Потім вони були підтверджені експериментаторами. Енергія атома дискретна. Перехід із одного стану в інший відбувається стрибкоподібно з випромінюванням або поглинанням суворо фіксованої порції енергії  кванта. Цей термін запровадив основоположник квантової теорії Макс Планк.

Електрони можуть переходити з однієї орбіти на іншу і покидати атом. Складні процеси, які відбуваються всередині атома, супроводжуються вивільненням енергії у вигляді випромінювання.

Можна сказати, випромінювання ядром двох протонів і двох нейтронів  це -випромінювання, випромінювання електрона  це -випромінювання.

Якщо нестабільний нуклід стає перезбудженим, то він викидає порцію чистої енергії, яку називають гамма-випромінюванням (гамма-квантом). Як і у випадку рентгенівських променів (багато в чому подібних гамма-випромінюванню), при цьому не відбувається випромінювання яких-небудь частинок.

Процес спонтанного розпаду нукліда називається радіоактивним розпадом, а сам такий нуклід  радіонуклідом. Рівень нестабільності радіонуклідів неоднаковий: один розпадається дуже швидко, інші  дуже повільно.

Час, протягом якого розпадається половина всіх радіонуклідів даного типу, називається періодом піврозпаду. Наприклад, період піврозпаду Урану-238 дорівнює 4,47 млрд років, а Протактинію-234 всього трохи більше однієї хвилини.