4.2. Радиоактивность

Радиоактивностью называют самопроизвольное (спонтанное) испускание ядром одной или нескольких частиц, сопровождающееся его превращением в другое ядро (или переход в другое состояние). Изначально радиоактивное ядро (нуклид) называют материнским, а образовавшиеся ядра – дочерними.

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у неустойчивых изотопов, существующих в природе.

Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Основные виды радиоактивности:  -,  - и  - распады. Несмотря на различие физических процессов, связанных с этими распадами, протекание их во времени описывается одним и тем же законом.

Закон радиоактивного распада, полученный сначала экспериментальным путем, описывает случайный процесс и выражается в виде соотношения, позволяющего рассчитать число не распавшихся N ядер к моменту времени t:

N = N₀e ,

где N₀ – число ядер при t = 0,  - постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада одного ядра за 1 с и равная доле ядер, распадающихся за 1 с.

Средняя продолжительность жизни нестабильного (радиоактивного) изотопа записывается в виде соотношения:

 = = = 1, 44 .

Обозначим символом период полураспада - промежуток времени t, за который количество радиоактивных ядер данного радиоактивного изотопа убывает вдвое. Полагая t = , имеем N = . Из выражения ln = - (t), получается, что ln = - ( ), или ln2 =  .

Как видно, период полураспада и постоянная распада связаны соотношением:

 = = .

Активностью образца А называется число распадов его атомных ядер за 1 с:

А = N₀e = N = N = .

Удельной активностью вещества образца называется активность, отнесенная к единице массы.

Единицей СИ активности является беккерель (Бк) – активность радионуклида, в котором за одну секунду происходит один акт распада. На практике часто используется единица активности кюри (Ки) и ее производные – милликюри (мКи) и микрокюри (мкКи). Кюри равен активности радионуклида, в котором за одну секунду происходит 3,710¹⁰ актов распада.

Радиоактивные семейства. Больше половины элементов таблицы Менделеева имеют естественные радиоактивные изотопы. Устойчивость ядер снижается с возрастанием их массового числа А. Естественная радиоактивность легких и средних ядер – редкое явление, а среди тяжелых ядер (начиная от А  200) естественная радиоактивность есть универсальное явление.

Если все радиоактивные ядра распадаются, то почему на Земле, возраст которой не менее 4  5 млрд лет, до сих пор встречаются и будут встречаться радиоактивные изотопы?

Большинство природных радиоактивных элементов принадлежат к трем естественно - и одному искусственно - радиоактивным семействам, все элементы которых получаются последовательными  - и  - распадами из одного наиболее долгоживущего материнского нуклида и заканчиваются на стабильном элементе: семейство урана (от до ), семейство тория (от до ), семейство актиния (от до ), семейство нептуния (от до ). Массовые числа членов каждого из радиоактивных семейств характеризуются формулой: А = 4n + а, где n целое число; а = 0 для семейства тория (для всех членов ряда А делятся на 4 без остатка), а = 1 для семейства нептуния (А делятся на 4 с остатком 1), а = 2 для семейства урана (остаток 2) и а = 3 для семейства актиния (остаток 3). По мере распада родоначальника общее содержание промежуточных членов естественного радиоактивного семейства в земной коре медленно уменьшается. Для нептуния имеем (T = 2,1410⁶ лет) в природе уже нет членов его семейства, все они получены искусственно. Приведем для примера последовательность элементов в семействе тория:

.

В каждом радиоактивном семействе массовые числа А нуклидов при  - распаде остаются одинаковыми, а при  - распаде различаются на число, кратное 4.

Альфа – распад ( - распад) – внутриядерный процесс радиоактивного деления в основном тяжелого (А  210, Z  84) материнского ядра , сопровождающийся образованием дочернего ядра и  - частицы - ядра атома гелия :

 + .

Вылет именно  - частицы при распаде объясняется аномально большой энергией связи ядра гелия. Благодаря туннельному эффекту,  - частицы покидают радиоактивные ядра, проходя сквозь потенциальный барьер, без совершения работы против сил ядерного притяжения. Причем, на конечном этапе распада  - частицы, не удерживаемые ядерными силами, отталкиваются кулоновскими силами и приобретают кинетическую энергию порядка 4  9 МэВ. Альфа – распад радиоактивных ядер может сопровождаться испусканием одного или нескольких гамма – квантов.

Бета - распад ( - распад) – внутринуклонный процесс радиоактивного превращения материнского ядра , при котором протон переходит в нейтрон (или наоборот) и участвуют электроны (или позитроны – частицы с положительным элементарным зарядом и массой, равной массе электрона) и электронное нейтрино _е - возможно безмассовые нейтральные частицы со спином (или электронное антинейтрино ). К основным типам  - распада относятся:

а) Электронный ^- - распад :  + + , при  + + ;

б) Позитронный ⁺ - распад :  + + _е, при  + + _е;

в) Электронный захват: +  + _е, при +  + _е.

Массовое число при бета – распаде остается прежним, так как число нуклонов в ядре не изменяется, при изменении на единицу зарядового числа.

Электронный бета – распад представляет собой самопроизвольный процесс, в основе которого лежит способность нейтрона с большей массой превращаться в протон.

Свободный протон стабилен, так как его масса меньше массы нейтрона, но при взаимодействии с другими частицами масса протона может оказаться больше и становится возможным его превращение в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. Если энергия ядра может уменьшиться за счет превращения протона в нейтрон, то происходит позитронный бета – распад.

При электронном захвате ядро поглощает электрон из атомной К – или L – оболочки и процесс сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

В свободном пространстве может самопроизвольно идти только электронный бета – распад с распадом нейтрона.

Гамма – распад ( - распад) – радиоактивный процесс при переходах ядер из возбужденного в основное или менее возбужденное состояние, а также при ядерных реакциях, без изменения А и Z ядер и с высвобождением энергии в виде жесткого электромагнитного излучения (гамма – излучения) с испусканием  - квантов.

Свободный нуклон не может испускать  - кванты по закону сохранения энергии и импульса, но внутри ядра импульс может перераспределяться между всеми нуклонами и излучение фотонов становится возможным.

После испускания одного или нескольких фотонов ядро оказывается в основном состоянии. Поскольку значения энергии ядра дискретны, то спектр  - излучения также дискретен.

В отличие от  - распада  - распад является не внутринуклонным, а внутриядерным процессом.

Кулоновский потенциальный барьер не препятствует  - излучению, и поэтому время жизни  - активных ядер обычно мало (10^-7  10^-15 с).

Возбужденное ядро может передавать избыток энергии одному из электронов атомной оболочки. Спектр вылетающих при этом электронов, в отличие от спектра  - электронов, является не сплошным, а дискретным.

Гамма – лучи не отклоняются электрическими и магнитными полями и, по сравнения с  - лучами (потоком ядер атомов гелия) и  - лучами (потоком быстрых электронов, обладающих скоростью более 10⁸ м/с), которые отклоняются в разные стороны, являются наиболее проникающим видом ионизирующего излучения.