5. Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад (распад) это естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее ядро называется дочерним.

Число ядер, распавшихся за промежуток времени от t до t+ t

,

где N ― число ядер, не распавшихся к моменту времени t, λ ― постоянная радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается

(7)

закон радиоактивного распада (N ― число не распавшихся ядер в момент времени t, N₀ ― начальное число не распавшихся ядер в момент времени t = 0).

Время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое

, (8)

называется периодом полураспада (Т_1/2). Таким образом Т_1/2 ― характеристика устойчивости ядер относительно распада.

Число распадов за единицу времени называется активностью данного радиоактивного вещества

[Бк]. (9)

Активность отнесенная к единице массы вещества, называется удельной активностью.

1Бк (Беккерель) ― активность, при которой за 1с происходит один акт распада.

Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна

.

Откуда среднее время жизни радиоактивного ядра

, (10)

где

.

6. Типы радиоактивного распада

Альфа-распад. Альфа-распад состоит в испускании ядрами атомов некоторых химических элементов α-частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А > 200 и зарядовыми Z > 82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных α-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов.

-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам в ядре, чем отдельные нуклоны,

Ядро является для α-частицы потенциальным барьером, высота U которого больше, чем Е ― энергия α-частицы в ядре. Альфа-распад происходит путем просачивания α-частиц сквозь потенциальный барьер с помощью туннельного эффекта.

Формула коэффициента прозрачности D показывает, что незначительные изменения энергии α-частиц в ядре приводит к сильному ее изменению

, (11)

где l ― ширина барьера.

Постоянная распада λ связана с прозрачностью D потенциальной барьера для α-частиц. В упрощенной модели прямоугольного потенциального барьера

, (12)

где n ― число ударов α-частицы о стенку барьера за единицу времени, равное

.

Здесь ― скорость α-частицы в ядре. Величина L обычно принимается равной радиусу R ядра (2R ― ширина потенциального «ящика»).

Бета-распад. Термином «бета-распад» обозначают три типа ядерных превращений: электронный (β^-) и позитронный (β⁺) распад, а также электронный захват (е- или Е-захват).

Первые два типа превращений состоят в то, что ядро испускает электрон (позитрон) и электронное антинейтрино (нейтрино). Эти процессы происходят при превращении одного вида нуклона в ядре в другой: нейтрона в протон или протона в нейтрон - по схеме

(β^—-распад),

(β⁺-распад).

Здесь и -символические обозначения нейтрона и протона; и -обозначения электрона и позитрона; и -электронные нейтрино и антинейтрино.

В случае е-захвата превращение протона в нейтрон идет по схеме

и заключается в том, что исчезает один из электронов на ближайшем к ядру К-слое атома. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы «захватывает» электрон; отсюда произошел термин «электронный захват» (или «е-захват»). Особенность этого типа бета-распада является вылет из ядра только одной частицы .

β^- -распад происходит у естественно- и искусственно-радиоактивных ядер;

β⁺-распад характерен только для искусственной радиоактивности (под действием α - частиц, нейтронов и энергии частиц.

Пример:

β^-

. β⁺

e-захват.

Гамма-излучение. Гамма-излучение является электромагнитным излучением, энергия которого испускается при переходе ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденное состояние, а также при ядерных реакциях.

-излучение не является самостоятельным видом излучения, а только сопровождает α и β-распады, возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц и т. д.

-спектр (распределение числа -квантов по энергиям)-линейчатый, что является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

-излучение испускается не материнским, а дочерним ядром.

-излучение большинства ядер является столь коротковолновым, что его волновые свойства проявляются весьма слабо. Здесь на первый шаг выступают корпускулярные свойства, поэтому -излучение рассматривают как поток частиц- -квантов, поэтому -излучение рассматривают как поток частиц- -квантов.

-кванты обладая нулевой массой ионов, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении их сквозь вещество, они либо поглощаются либо рассеиваются веществом. На них не действуют ни электрические ни магнитные поля.

Помимо гамма-излучения существует еще один способ передачи энергии возбужденными атомными ядрами при их переходе в менее возбужденные состояния. Энергия, высвобождаемая при таком переходе ядра (энергия перехода), может непосредственно передаваться одному из электронов того же атома, в результате чего электрон вырывается из атома. Это явление получило название внутренней конверсии гамма-излучения, а электроны, испускаемые атомами, называют конверсионными электронами.

Конверсионные электроны могут выбиваться из различных внутренних слоев электронной оболочки атома (К,L,M и т. д.). Поэтому внутренняя конверсия сопровождается испусканием атомами характеристического рентгеновского излучения. Это происходит за счет переходов электронов атома на освободившиеся места во внутренних слоях электронной оболочки. Спектральный состав характеристического рентгеновского излучения свидетельствует о том, что конверсионные электроны и -фотоны испускаются возбужденными дочерними (а не материнскими!) атомными ядрами.

Гамма-излучение оказывает сильное воздействие на вещество, в частности на биологические объекты.

Действие гамма- и других ионизирующих излучений оценивается дозой излучения D ― отношением энергии излучения к массе облучаемого вещества.

Единицей дозы излучения служит 1 Дж/кг: доза излучения, при которой массе 1 кг облученного вещества передается энергия 1 Дж. Эта единица называется грей (Гр). Применяется также внесистемная единица дозы излучения называемая рад: 1 рад=10^-2Гр.

Мощностью дозы излучения N называется величина, равная отношению дозы излучения D ко времени

Единицей мощности дозы служит Вт/кг = Гр/с.

Энергетической характеристикой излучения, оцениваемой по ионизации сухого атмосферного воздуха, служит экспозиционная доза излучения D_э ― величина, равная отношению суммы электрических зарядов ионов одного знака, созданных электронами, освободившимися в облученном воздухе при полном использовании ионизирующей способности электронов к массе этого воздуха.