14

2.РАДИОАКТИВНОСТЬ

2.1.Явление радиоактивности

Вначале 1896 года сразу после открытия В.К. Рентгеном Х-лучей французский физик Анри Беккерель в процессе проверки гипотезы о флуо-

ресцентной природе рентгеновского излучения обнаружил, что урановокалиевая соль самопроизвольно, спонтанно, без внешних воздействий ис-

пускает жесткое излучение. Позже Беккерель установил, что данное явление, названное им радиоактивностью, т. е. лучевой активностью, целиком связано с присутствием урана, который стал первым радиоактивным химическим элементом. Через несколько лет подобные свойства были обнару-

жены и у тория, затем у полония и радия, открытых Мари и Пьером Кюри, а в дальнейшем – у всех химических элементов, номера которых больше

82. С появлением ускорителей и ядерных реакторов у всех химических элементов были обнаружены радиоактивные изотопы, большинство из ко-

торых практически не встречаются в естественных условиях.

Анализируя проникающую способность радиоактивного излучения урана, Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную -излучением, и более проникающую, назван-

ную -излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая про-

никающая из всех, была открыта позже, в 1900 году, Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом -излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распадом атомов

(значительно позже стало ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом из них определенного типа излучений. Этот вывод нанес сокрушительный удар по господствовавшей в физике и химии концепции неделимости атомов.

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение неус-

тойчивых ядер одного химического элемента в ядра других элементов,

сопровождающееся испусканием радиоактивных излучений

( , , лучей) и некоторых элементарных частиц.

Радиоактивность ядер, существующих в природных условиях, на-

зывается естественной. Радиоактивность ядер, полученных в результате ядерных реакций, называется искусственной. Принципиальной разницы

16

Знак минус в уравнении (2.1) показывает уменьшение количества радиоактивных ядер.

Разделяя в уравнении (2.1) переменные и интегрируя, получим

где С – постоянная интегрирования.

Если в начальный момент времени t = 0 число ядер было равно N0,

то ln N0 ln C. Окончательно получаем

где е – основание натурального логарифма; N – число нераспавшихся ядер в момент времени t.

Формула (2.2) выражает закон радиоактивного распада. Формули-

ровка его проста: число нераспавшихся ядер убывает со временем по

экспоненте.

Постоянная распада. Из соотношения (2.1) следует, что постоянная распада представляет собой относительное уменьшение числа радиоактивных ядер за единицу времени

Иными словами, постоянная распада характеризует долю ядер, распадающихся за единицу времени, т.е. определяет скорость радиоактивного

распада. В системе СИ величина имеет размерность c 1 .

Период полураспада. Большое распространение имеет временная характеристика радиоактивного распада – период полураспада. Период

полураспада Т – время, за которое распадается половина радиоактивных ядер.

Период полураспада известных нам ядер находится в пределах от 3∙10-7 с до 5∙1015 лет.

17

2.3. Распад нестабильных ядер

При рассмотрении вопроса об энергиях связи ядер было получено уравнение устойчивости ядра по отношению к радиоактивному распаду: ядро оказывается энергетически устойчивым по отношению к определенному виду распада, если его масса меньше суммы масс продуктов, образующихся при ядерном превращении. При этом учитываются свойства ядерной энергии: объемной энергии, поверхностного и кулоновского членов, а также членов, учитывающих влияние симметрии и энергии образования пар нуклонов.

Однако при рассмотрении любой энергетически неустойчивой системы необходимо учитывать также скорости протекания различных про-

цессов, так как термодинамически неустойчивая система во многих случаях может рассматриваться как вполне стабильная. Примером этого могут служить ядра с А > 140, называемые стабильными. Таким образом, весьма важной характеристикой радиоактивного распада являются скорость рас-

пада или период полураспада. Поэтому при рассмотрении характеристик радиоактивного распада ядер необходимо учитывать влияние различных факторов на скорость радиоактивного распада. К таким факторам, кроме энергетической неустойчивости ядер, рассмотренной выше, относятся и другие свойства ядер, а также составляющих их нуклонов.

Большую роль в радиоактивных превращениях ядер играют прони-

цаемость потенциального барьера ядра, механизм формирования альфачастиц и кластеров из нуклонов, сверхтекучие свойства ядер и др. Таким образом, при рассмотрении характеристик распада каждого ядра приходится учитывать его энергетические и квантово-механические свойства,

что является достаточно сложной математической задачей.

2.4. Альфа-распад

Альфа-лучи представляют собой поток ядер гелия 42 Не. Распад про-

текает по следующей схеме

Здесь буквой Х обозначен химический символ материнского ядра, буквой Y – химический символ дочернего ядра. Отметим, что при -распаде выполняются так называемые правила смещения:

18

1. Закон сохранения электрических зарядов. 3аряд материнского

ядра равен сумме зарядов ядер, возникающих при радиоактивном распаде

где Z я – заряд материнского ядра, Zi – заряд дочернего ядра и ядра гелия.

2. Закон сохранения массовых чисел. Массовое число материнско-

го ядра равно сумме массовых чисел ядер, возникающих при радиоактив-

23892 U 23490Th 42 He

Основные особенности -распада:

1. Скорости, с которыми -частицы вылетают из распадающегося (материнского) ядра, могут быть очень велики (107 м/с).

2. Кинетическая энергия -частиц почти для всех известных-активных изотопов лежит в интервале 4...9 МэВ. Среднее значение ки-

нетической энергии примерно равно 6 МэВ. Это характерно для всех радиоактивных изотопов.

3.Известны очень редкие случаи -распада, когда кинетическая энергия -частиц очень велика и превышает 9 МэВ.

4.В большинстве случаев -частицы, вылетающие при распаде данного определенного изотопа, имеют одинаковые энергии, т.е. -частицы явля-

ются моноэнергетическими.

5.Некоторые ядра испускают несколько типов моноэнергетических

-частиц, образуя тонкую структуру -спектров dN/dE.

На графике по оси абсцисс отложена энергия Е -частиц, по оси ор-

динат – число частиц dN с заданной энергией dE (рис. 2).