Радиоактивность (120

ВВЕДЕНИЕ

Некоторые атомные ядра самопроизвольно (спонтанно) испускают частицы, превращаясь в другое ядро (А. Беккерель, 1896). Это явление получило название «радиоактивность» [1, 2]. Изучение радиоактивности внесло большой вклад в развитие физики, а радиоактивные вещества нашли широкое применение в науке, технике, медицине и во многих других отраслях.

Цель работы – ознакомление с радиоактивностью и дозиметрией излучений. В экспериментальной части проводятся измерения периода полураспада и радиоактивности различных веществ.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Радиоактивные превращения

Атомы состоят из ядра и электронной оболочки. Линейные размеры атома примерно 10 –10 м, а ядра – на 4–5 порядков меньше. Ядра состоят из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Между нуклонами действуют ядерные силы притяжения. Протон имеет положительный элементарный заряд e = 1,6·10–19 Кл, а нейтрон – нет. Масса нуклонов примерно в 1840 раз больше массы электрона.

Химические элементы различаются числом протонов (зарядовое число Z – порядковый номер элемента). Число нуклонов A в ядре на-

зывают массовым числом. Ядро элемента X записывают в виде Az X ,

например, ядро гелия 42 He . Атомы одного и того же химического элемента с различным числом нейтронов называются изотопами. Например, для водородаизвестны триизотопа: 11 H , 21 H и 31 H .

Распадающееся ядро называют материнским, а образующееся после распада – дочерним. Последнее может быть как стабильным,

3

так и радиоактивным. К основным радиоактивным превращениям относятся - и -распады.

Альфа-распад. При -распаде ядро (обычно тяжелое) испускает ядро гелия 42 He , состоящее из двух протонов и двух нейтро-

нов и называемое -частицей: Az X 42 He + Az 42Y , где X и Y – символы химических элементов. Например, превращение урана в

торий: 23592 U 42 He + 23190Th .

Квантовая механика объясняет -распад туннельным эффектом – проникновением -частицы через потенциальный барьер на поверхности ядра, образующийся под действием сил ядерного притяжения нуклонов и электрического отталкивания протонов.

Бета-распад. При таких распадах в ядре происходит превращение нейтрона в протон или наоборот. При этом число нуклонов в ядре остается постоянным, а зарядовое число изменяется на 1.

Известны три разновидности -распада.

1. Электронный -распад. Примером такого распада служит

превращение свободного нейтрона n в протон p, электрон –10e (β- частицу) и электронное антинейтрино: n → p + –10e + ~ e. Подобные процессы происходят во многих нестабильных ядрах, при этом электрон и антинейтрино покидают ядро. Электронный распад в ядре протекает по схеме

тронном распаде в ядре происходит превращение протона в ней-

трон, позитрон и нейтрино: p → n + +1 0e + e. Позитрон является античастицей электрона, имеющей такую же массу, но противоположные по знаку электрический заряд, лептонный заряд и магнитный момент [1].

3. Электронный захват. В этом процессе ядро захватывает соб-

4

При этом в ядре протон и электрон превращаются в нейтрон и нейтрино:

p + –10e → n + e.

Нейтрино и антинейтрино – электрически незаряженные элементарные частицы, масса покоя которых много меньше массы электрона (массу этих частиц физики уточняют в настоящее время). Нейтрино и антинейтрино различаются некоторой внутренней характеристикой, называемой лептонным зарядом. Эти частицы чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, поэтому беспрепятственно проходят через огромные толщи вещества, например через Солнце. Вследствие этого их можно зарегистрировать только в специальных опытах.

При радиоактивном распаде выделяется определенная для данного нуклида энергия в интервале примерно от 20 кэВ до 17 МэВ. Эта энергия во много раз больше, чем в химических реакциях. Например, при окислении углерода до CO2 выделяется энергия 4 эВ на молекулу. (Электрон-вольт (эВ) – энергия, приобретаемая частицей с элементарным зарядом в электрическом поле с разностью потенциалов 1 В; 1 эВ = 1,6·10–19 Дж.)

Гамма-излучение. Атомное ядро из двух и более нуклонов может находиться в состояниях с различными дискретными значениями внутренней энергии. Состояние с минимальной энергией называется основным, а с большей энергией – возбужденным. Перед распадом ядро находится в основном состоянии, а после распада может оказаться как в основном, так и в возбужденном состоянии. В последнем случае ядро мгновенно переходит в основное состояние, испуская один или несколько фотонов большой энергии, называемых -квантами. Этот процесс происходит

во многих распадах, например, после распада 60Co дочернее ядро 60Ni из второго возбужденного состояния переходит в основное, испуская последовательно два -кванта с энергиями 1,17 МэВ и

1,33 МэВ (рис. 1).

-Излучение отличается от света значительно большей часто-

той . Электромагнитные волны имеют двойственную природу: «волна – частица». Волновые свойства проявляются в таких явлениях, как интерференция и дифракция. Однако в процессах испускания и поглощения электромагнитные волны выступают как час-

5

тицы ( -кванты, фотоны) с энергией E = h и импульсом p = h / c,

где h – постоянная Планка. Чем выше энергия, тем ярче проявляются корпускулярные свойства фотона и слабее – волновые. Энергия -квантов может достигать нескольких мегаэлектрон-вольт,

в то время как энергия фотонов видимого излучения составляет примерно 2 эВ.

Рис. 1. Схема распада кобальта-60 с испусканием электрона

идвух -квантов

2.Закон радиоактивного распада

Распад ядра – случайное событие. Однако для распадов большого числа атомов наблюдается закономерность, которая имеет следующее теоретическое объяснение.

Пусть в момент времени t имеется большое число N одинаковых ядер. Ядро с некоторой вероятностью распадается за единицу времени. Величина λ называется постоянной распада. Тогда за малое время dt распадется

ядер. Среднее число распадов за единицу времени

6

называется активностью препарата. Единица активности – беккерель (Бк) соответствует одному распаду в секунду. Часто используют внесистемную единицу активности – кюри, 1 Ки = 3,7·1010 Бк (такова активность1 градия). Активность единицы массывещества, Бк/кг,

называется удельной активностью. Приращение числа нераспавшихся ядер за время dt (см. (3)) равно dN = – N dt. Интегрируя это выражение по времени, получаем

где N – число нераспавшихся ядер в момент времени t; N0 – число нераспавшихся ядер в произвольный начальный момент времени t = 0.

Соотношение (6) выражает закон радиоактивного распада.

Активность, пропорциональная числу нераспавшихся атомов, убывает по такому же закону:

где A0 = N0 – активность в момент времени t = 0. Опыты подтверждают зависимость (7).

Время жизни радионуклида характеризуют средним временем жизни или периодом полураспада. Можно показать, что среднее время жизниобратно пропорционально постояннойраспада: 1/ .

Периодом полураспада T называют время, за которое распадается половина от большого числа ядер. Легко получить следующее соотношение:

Период полураспада связан с активностью и числом атомов соотношением (см. формулы (7), (8))

7

Убывание активности показано на рис. 2. Для различных ра-

дионуклидов период полураспада изменяется от менее микросекунды до 1018 лет.

Рис. 2. Зависимость активности от времени

3.Поглощение заряженных частиц

и- излучения в веществе

Ввеществе заряженные частицы ( -, - и другие частицы)

испытывают кулоновские взаимодействия с атомными электронами и ядрами, при которых энергия частицы теряется на ионизацию и возбуждение атомов. Такой процесс называется ионизационным торможением. На ионизацию одного атома в среднем затрачивается энергия несколько десятков электрон-вольт. Частица с энергией 500 кэВ может ионизовать примерно 104 атомов.

8

Пробег частицы до остановки зависит от энергии, массы и заряда частицы, а также от вещества (его состава и плотности).

В воздухе типичный пробег -частицы составляет 5 см, а в плотных веществах – не более 50 мкм. Лист обычной бумаги поглощает -частицы.

При одинаковой энергии пробег -частицы на три порядка

больше, чем -частицы. Главная причина такого различия заключается в том, что -частицы движутся медленнее и, пролетая мимо атома, дольше взаимодействуют с его электронами.

Фотоны большой энергии (рентгеновского или -излучения)

поглощаются в веществе вследствие трех основных процессов: эффекта Комптона, атомного фотоэффекта, рождения пары «электрон – позитрон».

Эффект Комптона – упругое рассеяние фотона на свободных или слабо связанных атомных электронах, при котором часть энергии и импульса фотон передает электрону, покидающему атом. В результате этого процесса энергия рассеянных фотонов уменьшается, а длина волны увеличивается.

При атомном фотоэффекте фотон высокой энергии поглощается одним из атомных электронов (обычно из внутренних оболочек) и выбивает его из атома. Энергия вылетевшего электрона равна энергии фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме.

Рождение пары «электрон – позитрон»: в электрическом поле атомного ядра фотон может превратиться в электрон и позитрон,e– + e+. Для этого энергия -кванта должна превышать сум-

марную энергию покоя электрона и позитрона, равную E = 2 m0c2 = = 1,02 МэВ. Этот процесс наглядно демонстрирует взаимосвязь массы и энергии и превращение энергии электромагнитного поля в вещество.

Поток γ-излучения экспоненциально (по закону Бугера) ослабляется с ростом толщины поглотителя.

4. Радиоактивность калия

Радионуклиды подразделяют на естественные и искусственные, между которыми нет принципиального различия. К основным естественным относятся радиоактивные семейства урана и тория, а также калий. Природный калий состоит из смеси трех

9