Двойной бета-распад[править | править вики-текст]

Основная статья: Двойной бета-распад

Наиболее редким из всех известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для одиннадцати нуклидов, и период полураспада для любого из них превышает 10¹⁹ лет. Двойной бета-распад, в зависимости от нуклида, может происходить:

• с повышением заряда ядра на 2 (при этом испускаются два электрона и два антинейтрино, 2β⁻-распад)

• с понижением заряда ядра на 2, при этом испускаются два нейтрино и

  • два позитрона (двухпозитронный распад, 2β⁺-распад)

  • испускание одного позитрона сопровождается захватом электрона из оболочки (электрон-позитронная конверсия, или εβ⁺-распад)

  • захватываются два электрона (двойной электронный захват, 2ε-захват).

Предсказан, но ещё не открыт безнейтринный двойной бета-распад.

Общие свойства бета-распада[править | править вики-текст]

Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра, поскольку при любом бета-распаде общее количество нуклонов в ядре не изменяется, лишь один или два нейтрона превращаются в протоны (или наоборот).

Гамма-распад (изомерный переход)[править | править вики-текст]

Основная статья: Изомерия атомных ядер

Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра ¹H, ²H, ³Hи ³He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьё время жизни измеряется микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.

4. Ионизирующее излучение, определения, виды. Фотонное и корпускулярное излучение.

Ионизи́рующее излуче́ние — потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество.

К ионизирующему излучению не относят видимый свет и ультрафиолетовое излучение, которые в отдельных случаях могут ионизировать вещество. Инфракрасное излучение, излучение сантиметрового и радиодиапазонов не является ионизирующим, поскольку их энергии недостаточно для ионизации атомов и молекул в основном состоянии.^{[1][2][3][4][5]}

Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения:^[6][2][7][8]

• Коротковолновое электромагнитное излучение (поток фотонов высоких энергий):

  • рентгеновское излучение;

  • гамма-излучение.

• Потоки частиц:

  • бета-частиц (электронов и позитронов);

  • альфа-частиц (ядер атома гелия-4);

  • нейтронов;

  • протонов, других ионов, мюонов и др.;

  • осколков деления (тяжёлых ионов, возникающих при делении ядер).

Природные источники ионизирующего излучения:^[9][7][8]

• Спонтанный радиоактивный распад радионуклидов.

• Термоядерные реакции, например на Солнце.

• Индуцированные ядерные реакции в результате попадания в ядро высокоэнергетичных элементарных частиц или слияния ядер.

• Космические лучи.

Искусственные источники ионизирующего излучения:

• Искусственные радионуклиды.

• Ядерные реакторы.

• Ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение).

  • Рентгеновский аппарат как разновидность ускорителей, генерирует тормозное рентгеновское излучение.

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, потоки фотонов или частиц, взаимод. к-рых со средой приводит к ионизации ееатомов или молекул. Различают фотонное (электромагнитное) и корпускулярное ионизирующие излучения. К фотонному ионизирующему излучению относят вакуумное УФ и характеристическое рентгеновское излучения, а также излучения, возникающие при радиоактивном распаде и др. ядерных р-циях (гл. обр. -излучение) и при торможении заряженных частиц в электрич. или магн. поле - тормозное рентгеновское излучение, синхротронное излучение. К корпускулярному ионизирующему излучению относят потоки - и -частиц, ускоренных ионов иэлектронов, нейтронов, осколков деления тяжелых ядер и др. Заряженные частицы ионизируют атомы или молекулысреды непосредственно при столкновении с ними (первичная ионизация). Если выбиваемые при этом электроныобладают достаточной кинетич. энергией, они также могут ионизировать атомы или молекулы среды при столкновениях (вторичная ионизация); такие электроны наз. -электронами. Фотонное излучение может ионизировать среду как непосредственно (прямая ионизация), так и через генерированные в среде электроны (косвенная ионизация); вклад каждого из этих путей ионизации определяется энергией квантов и атомным составом среды. Потоки нейтронов ионизируют среду лишь косвенно, преим. ядрами отдачи. Пространственно-временное распределение заряженных частиц или квантов, составляющих ионизирующее излучение, наз. его полем. Осн. характеристики ионизирующих излучений: поток ионизирующего излучения Ф_n = dN/dt, где dN - число частиц, падающих на данную пов-сть за интервал времени dt; плотность потока _n = dФ_n/dS, где dФ_n - поток, приходящийся на площадь поперечного сечения dS поглощающего объема; поток энергии Ф = dE/dt, где dE - суммарная энергия излучения (за исключением энергии массы покоя); энергетический спектр ионизирующего излучения - распределение составляющих его частиц и фотонов по энергиям. Кол-во энергии, переданной ионизирующим излучением единице массы среды, наз. поглощенной дозой излучения (см. Доза). Все виды ионизирующих излучений характеризуются т. наз. линейной передачей энергии (ЛПЭ) - энергией, переданной среде ионизирующей частицей в заданной окрестности ее траектории на единицу длины. ЛПЭ может принимать значения от 0,2 (высокоэнергетич. фотоны и электроны) до 10⁴ эВ/нм (осколки деления тяжелых ядер).  Взаимодействие излучения со средой. При прохождении ионизирующего излучения в среде возможны упругое рассеяние частиц, составляющих излучение, и неупругие процессы. При упругом рассеянии кинетич. энергия относит. движения частиц остается постоянной, но меняется направление их движения, т.е. поток ионизирующего излучения рассеивается; при неупругих процессах кинетич. энергия ионизирующего излучения расходуется на ионизацию и возбуждение частиц среды. Для потока электронов характерны упругое рассеяние на ядрах атомовсреды и неупругие процессы -ионизация и возбуждение атомов и молекул при взаимод. с их электронными оболочками (ионизационные потери) и генерация тормозного излучения при взаимод. с атомными ядрами(радиационные потери). Если энергия электронов не превышает 10 МэВ, во всех средах преобладают ионизац. потери. Для потока ускоренных ионов ионизац. потери доминируют при всех энергиях. Энергия, передаваемая заряженной частицей данному в-ву на единице длины ее пути, наз. тормозной способностью в-ва s_m = dE/dl (dE - энергия, теряемая частицей при прохождении элементарного пути dl). Значение s_m снижается с увеличением энергии заряженных частиц и растет с повышением ат. номера элемента, из к-рого состоит в-во среды. Глубина проникновения заряженных частиц в в-во характеризуется пробегом R; в воде для ионов Не²⁺ с энергией 5,3 МэВ R составляет 39 мкм, для электронов с энергией 5 МэВ -2,5 см. Для фотонного ионизирующего излучения имеют место упругое рассеяние (классич. рассеяние) и неупругие процессы, основные из к-рых - фотоэффект, эффект Комптона и образование пар электрон - позитрон. При фотоэффекте фотон поглощается атомом среды с испусканиемэлектрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденномуэлектрону. Вероятность фотоэффекта с К-оболочки атома пропорциональна Z⁵ (Z - aт. номер элемента) и быстро убывает с ростом энергии фотона (кривая 1 на рис. 1). В случае эффекта Комптона происходит рассеяние фотона на одном из атомных электронов; при этом уменьшается энергия фотона, изменяется направление его движения и происходит ионизация атомов среды. Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна Z и зависит от энергии фотонов (кривые 2 и 3 на рис. 1). При энергии фотона выше 1,022 МэВ вблизи ядра становится возможным образование пар электрон - позитрон. Вероятность этого процесса пропорциональна Z² и увеличивается с ростом энергии фотона (кривая 4 на рис. 1). При энергии фотона до 0,1 МэВ преобладает классич. рассеяние и фотоэффект, при энергии от 0,1 до 10 МэВ - эффект Комптона, при энергии выше 20 МэВ - образование пар.Ослабление фотонного ионизирующего излучения слоем в-ва происходит по экспоненц. закону и характеризуется линейным коэф. ослабления , к-рый показывает, на какой толщине слоя в-ва интенсивность падающего пучка ослабляется в е раз. Обычно измеряют ослабление потока излучения и вводят массовый коэф. ослабления / ( - плотность в-ва): Ф_n = Ф⁰_nе^{.x}, где х - толщина слоя в-вa, Ф⁰_n и Ф_n - падающий и прошедший потоки соответственно. При прохождении потока фотонов через среду часть их рассеивается, часть поглощается, поэтому различают массовые коэф. ослабления и поглощения; второй коэф. численно меньше первого. Каждый вид взаимод. излучения со средой характеризуется своими массовыми коэф., зависящими от энергии фотонов и ат. номера элемента, из к-рого состоит в-во среды. Нейтронное излучение взаимод. только с атомными ядрами среды. По энергии нейтроны (в сравнении со средней энергией теплового движения kT, где k - постоянная Больцмана, Т - абс. т-ра) подразделяют на холодные (Е < kT), тепловые (Е ~ kT), медленные (kT < E < 10³ эВ), промежуточные (10³ <E < 5.10⁵ эВ) и быстрые (E > 5.10⁵ эВ). Нейтроны в в-ве испытывают упругое и неупругое рассеяние. При достаточной энергии нейтроны могут выбивать частично ионизир. атомы из среды (т. наз. ядра отдачи). При захвате нейтроноватомными ядрами могут происходить ядерные реакции, последствием к-рых является испускание -квантов, - и -частиц, осколков деления ядра и др. Ослабление потока нейтронов происходит по экспоненциальному закону Ф_n = Ф⁰_nе^N, где N - число атомов данного вида в единице объема, - т. наз. сечение захвата. Значение  убывает обратно пропорционально скорости нейтронов, но на этой зависимости имеются максимумы (резонансные области захвата), в к-рых сечение характеристично для каждого нуклида и может принимать значения от 2.10^33 м² для ¹⁵N до 3,6.10^22 м² для ¹³⁵Хе. Глубину проникновения фотонного и нейтронного ионизирующих излучений в среду характеризуют слоем половинного ослабления _1/2, уменьшающим поток излучения вдвое. В случае воды _1/2 = 9 см для направленного потока -излучения ⁶⁰Со с энергией 1,25 МэВ и _1/2 =8 см для направленного потока нейтронов со средней энергией 6 МэВ. Акт. взаимод. любого ионизирующего излучения с частицами среды продолжается не более 10^15 с. За это время возможна перестройка электронной подсистемы молекул среды (ядерная подсистема остается неизменной). В среде появляются продукты взаимод.: однозарядные ионы в основном и возбужденном состояниях, электроны разл. энергий, двухзарядные ионы, синглетные и триплетные возбужденные состояния, т. наз. сверхвозбужденные состояния (СВС), имеющие энергию выше первого потенциала ионизации I₁ частиц среды. В газовой фазе кол-вовозбужденных состояний превышает кол-во образовавшихся ионов, в конденсир. фазе - наоборот. Ионизация и возбуждение частиц среды могут происходить с любого электронного энергетич. уровня, но процесс тем вероятнее, чем меньше энергия связи электрона в атомах и молекулах среды. Эффективность взаимод. ионизирующего излучения со средой характеризуют средней энергией новообразования W - энергией, расходуемой на образование одной пары ионов, причем W превышает I₁ в 1,5-2,5 раза. Осн. доля энергии ионизирующего излучения передается вторичными -электронами. Мгновенное распределение первичных и вторичных электронов по энергиям в среде - т. наз. спектр деградации излучения - позволяет рассчитать все процессы взаимод. по их сечениям в системе и найти состав и вероятность образования разл. ионизированных и возбужденных состояний. В случае взаимод. ионизирующего излучения с многокомпонентной системой (напр., р-ром) распределение энергии излучения между компонентами происходит пропорционально электронной доле  этих компонентов - отношению числа электронов, принадлежащих данному компоненту, к общему числу всех электронов системы в единице массы (или объема). Переданная в-ву энергия ионизирующего излучения распределяется неравномерно вдоль траектории ионизирующих частиц, поэтому пространств. распределение продуктов взаимод. также неоднородно. Степень неоднородности тем выше, чем больше ЛПЭ излучения. Это приводит к неодинаковым конечным эффектам при взаимод. со средой ионизирующих излучений с различным ЛПЭ (см. Радиационно-химические реакции). Источники ионизирующих излучений различаются видом и энергетич. спектром излучения, конструкцией, геометрией расположенияоблучающих элементов, мощностью поглощенной дозы и ее распределением в облучаемом объекте. Выделяют след. группы: изотопные источники, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц, рентгеновские установки.Среди изотопных источников наиб. распространены гамма-установки с долгоживущими радионуклидами ⁶⁰Со и ^l37Cs.   Рис. 2. Схема гамма-изотопного источника для облучения контейнеров: a - вид сверху, б - вид сбоку; 1 - камера для облучения; 2 - помещение для загрузки контейнеров 5; 3 - источник излучения в рабочем положении; 4 - он же в положении хранения; 6 - транспортная линия для контейнеров; 7 - пульт управления; 8 - бетонная защита; 9 - зубцы защитного лабиринта; 10 - система подъема источников из хранилища 11; 12 - пультовая; 13 - система дозиметрич. контроля.

На рис. 2 представлена схема гамма-установки для облучения объектов большого размера. В рабочей камере 1 расположены излучающие элементы, к-рые могут находиться в рабочем положении 3 или в хранилище 4 (при таком положении помещение 1 доступно для людей). Объекты для облучения погружаются в контейнеры 5 и по транспортной линии 6 доставляются дистанционно к облучателю 3. Все помещения находятся под дозиметрич. контролем 13. Ионизирующее излучение ядерных реакторов состоит из -излучения, быстрых и тепловых нейтронов, осколков деления. Ускорители заряженных частиц - устройства, ускоряющие электроны или ионы в электрич. поле (магн. поле м. б. использовано для управления потоком заряженных частиц). Различают два осн. конструкционных типа ускорителей: линейные, в к-рых заряженные частицы движутся прямолинейно, и циклические, в к-рых движение идет по круговой траектории. По типу ускоряющего электрич. поля ускорители делят на высоковольтные, в к-рых направление электрич. поля во время ускорения не меняется, и резонансные, в к-рых непрерывное ускорение достигается за счет того, что заряженная частица находится в ускоряющей фазе переменного высокочастотного электрич. поля. В циклич. ускорителях (циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон и др.) требуемая энергия достигается при многократном прохождении ускоряемой частицы по окружности аппарата, в линейных (линейный индукц. ускоритель, линейный резонансный ускоритель и др.) - за счет приложения высокочастотного электрич. поля к линейной периодич. системе электродов. Осн. элементы ускорителя - высоковольтный генератор, источник заряженных частиц (ионный источник) и система, в к-рой производится ускорение. В резонансных ускорителях процесс накопления частицей энергии происходит за определенное время, зависящее от требуемой энергии и типа ускоряемых частиц, поэтому они работают в импульсном режиме. Нек-рые типы высоковольтных ускорителей (напр., каскадный ускоритель) могут использоваться в режиме постоянного потока ускоренных частиц. Большинство типов ускорителей применяют для ускорения как электронов, так и позитронов, протонов, дейтронов, Не²⁺ и положит. ионовболее тяжелых элементов. Резонансные ускорители больших энергий (до десятков ГэВ) применяют в ядерной физике; линейные ускорители с энергией до десятков МэВ - в радиационно-хим. исследованиях (см. Импульсный радиолиз); высоковольтные электронные ускорители - в прикладных целях (используют как ускорители на энергии 0,1-0,5 МэВ с мощностью в десятки кВт, так и ускорители на энергии в неск. МэВ с мощностью до 100 и выше кВт).Перечисленные выше ускорители - аппараты с выведенным пучком заряженных частиц. Но в самом аппарате за счет заряженных частиц можно получить нейтроны или рентгеновское излучение. Нейтроны получают в нейтронных генераторах при бомбардировке ускоренными протонами или дейтронами мишеней из соед., содержащих D, Т или др. нуклиды; получаемый поток может превышать 10¹¹ нейтрон/с (см. Нейтронные источники). Генераторы нейтроновнаряду с ядерными реакторами используют в активационном анализе, нейтронографии. Рентгеновское излучение генерируют врентгеновских трубках, в к-рых ускоренные электроны тормозятся в толстой мишени из тяжелого элемента (антикатод); при этом радиац. потери значительны. Рентгеновские трубки выпускают для получения излучений с энергиями от десятков до сотен кэВ; они могут работать в непрерывном или в импульсном режиме. Разл. установки создают в облучаемой среде мощность поглощенной дозы от долей Вт/г до 2.10⁵ Вт/ч в стационарном режиме и 10⁸ Вт/ч в импульсном. Ввиду сильного биол. действия ионизирующих излучений все источники снабжены защитой из сильно поглощающих материалов (бетон, чугун, свинец); толщина защиты определяется нормами радиац. безопасности (подробнее см. в ст. Радиационная защита). Ионизирующие излучения создают в облyчаемых объектах различные хим., физ. и биол. эффекты. В больших дозах ионизирующее излучение угнетает жизнедеятельность растений, микроорганизмов и животных. Этот эффект лежит в основе радиац. стерилизации мед. препаратов и инструментов, консервации пищ. продуктов. В малых дозах ионизирующее излучение служит мутагенным и активирующим фактором и используется для селекции растений, микроорганизмов (напр., при получении антибиотиков), для предпосевной обработки семян. В медицине ионизирующие излучения находят применение как диагностич. средство и для лучевой терапии опухолей. Использование ионизирующих излучений в пром-сти - основа радиац. технологии, частью к-рой является радиационно-химическая технология. Прир. источники ионизирующих излучений - естественно распределенные в породах Земли долгоживущие радионуклиды, космич. излучение, высокоэнергетич. компонента солнечного излучения, радиац. пояса Земли. Ионизирующее излучение считается одним из прир. факторов, повлиявших на развитие жизни на Земле; оно способствовало образованию угля,нефти и ряда др. полезных ископаемых. Солнечное и космич. излучения определяют хим. состав верх. слоев планетных атмосфер.