2.9.4 Радиоактивность. Радиоактивное излучение
Радиоактивностью называется самопроизвольное (спонтанное) превращение одних ядер в другие, сопровождающееся испусканием элементарных частиц. Явление радиоактивности было открыто А. Беккерелем в 1896 г. Большой вклад в изучение этого явления внесла семья Кюри. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдаемую у неустойчивых ядер, существующих в природе) и искусственную (наблюдаемую у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы и принципиального различия между этими двумя видами радиоактивности нет.
В процессе радиоактивного распада отдельные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Общее число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону:
N = N0e–λt, (2.9.8)
где N0 – начальное количество ядер, N – число нераспавшихся ядер в момент времени t, λ – постоянная распада, характерная для данного радиоактивного вещества. Промежуток времени, за который число нераспавшихся ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т1/2. Периоды полураспада для радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до миллиардов лет.
Радиоактивные превращения ядер сопровождаются радиоактивным излучением, которое бывает трех видов: α-излучение, β-излучение и γ-излучение.
α-излучение представляет собой поток ядер гелия 4Не. α-излучение возникает в процессе α-распада, примером которого может служить распад изотопа урана:
(2.9.9)
α-излучение обладает большой ионизирующей способностью и достаточно малой проникающей способностью.
β-излучение
представляет собой поток электронов
или позитронов
.
Примером β-распада может служить распад
изотопа калия:
+
. (2.9.10)
В процессе β–-распада один из нейтронов β-радиоактивного ядра превращается в электрон, протон и антинейтрино:
.
(2.9.11)
β-излучение обладает бóльшей проникающей способностью, нежели α-излучение, и меньшей ионизирующей способностью.
γ-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 10–12 м и обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами. γ-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а сопровождает α- и β-распады. Источником γ-излучения являются дочерние ядра (например, ядро атома тория). γ-излучение не отклоняется электрическими и магнитными полями, обладает относительно слабой ионизирующей и очень большой проникающей способностью. γ-излучение проходит через слой свинца толщиной 5 см.
Большая проникающая способность γ-излучения используется в гамма-дефектоскопии. Этот метод дефектоскопии основан на различном поглощении γ-излучения при распространении его на одинаковые расстояния в разных средах.
2.9.5 Основные типы физических взаимодействий в природе
Известны четыре типа фундаментальных физических взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Интенсивность взаимодействия характеризуется безразмерной константой взаимодействия А, определяющей вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия.
Сильное взаимодействие ответственно за связь нуклонов в ядре. Радиус сильного взаимодействия составляет 10–15 м, константа взаимодействия А = 10.
Электромагнитное взаимодействие осуществляется между заряженными частицами и телами. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен, А = 10–2.
Слабое взаимодействие ответственно за все виды -распада ядер, за многие распады элементарных частиц и за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим, константа взаимодействия А=10–14.
Гравитационное взаимодействие осуществляется между массами. Радиус действия гравитационного взаимодействия не ограничен, А=10–39.
В микромире гравитационным взаимодействием можно пренебречь по сравнению с остальными типами взаимодействий.