4. Радиоактивный распад.

Под радиоактивностью понимают явление самопроизвольного распада атомных ядер. Распад сопровождается потоками излучений, имеющих большую энергию и как следствие, высокую ионизирующую способность. В ранних опытах было установлено, что распад сопровождается излучением, имеющим три компоненты, названные -, - и -излучением. Позднее выяснилось, что появление всех трех компонент – результат того, что фактически изучался распад смеси нестабильных ядер.

Из известных к настоящему времени 1700 видов ядер к стабильным относятся 270. Наиболее стабильны так называемые четно-четные ядра (с четным числом протонов и нейтронов).

Некоторые атомные ядра, распадаясь, выбрасывают -частицы и кванты -излучения. Родство таких квантов с рентгеновским излучением мы уже обсудили. Что касается -частиц, то по их поведению в электрических и магнитных полях был сделан вывод: -частицы – это ядра гелия . Такой тип распада ядер, с выбрасыванием -частиц, получил название -распада.

Другой тип распада, названный ^--распадом, сопровождается выбрасыванием отрицательно зараженных -частиц, оказавшихся при ближайшем рассмотрении потоком электронов высокой энергии.

Значительно позднее была обнаружена еще одна разновидность распада - ⁺-распад. Он имеет место при распаде искусственно созданных радиоактивных изотопов; ⁺-частицы – это поток позитронов.

Не следует думать, что искусственно созданные радиоактивные изотопы – это некая экзотика, причуда физиков. Многие изотопы, применяемые в медицине, не встречаются в природных условиях и создаются искусственно на ядерных реакторах. Пример тому – изотоп кобальта Co⁶⁰, период полураспада 5,26 лет; излучает ^--частицы с энергией 0,31 МэВ и -кванты 1,33 МэВ и 1,17 МэВ. Кобальтовая пушка – источник жесткого -излучения, применяемый в лучевой терапии.

Гамма-излучение как правило сопровождает -распад и -распад, и соответствует тому факту, что некие излишки энергии распадающееся ядро «выбрасывает» в виде -кванта. Но исключения, когда основной распад обходится без -излучения, все же встречаются. Пример тому – -распад стронция-90.

Приведем примеры самопроизвольных ядерных превращений этих трех типов:

а) (5)

б) (6)

в) (7)

В реакции (6) один из нейтронов ядра висмута превратился в протон с испусканием антинейтрино по схеме:

(8)

стало быть, превращение (6)сопровождается выбросом «новорожденного» электрона, а не одного из орбитальных электронов атома. В реакции (7) произошло нечто обратное: протон превратился в нейтрон, с испусканием позитрона.

Обсуждая радиоактивный распад атомных ядер, набросаем попутно примерный «портрет» атомного ядра.

Известно, что радиус атома – величина порядка 10^-10 м, а радиус атомного ядра – порядка 10^-15 м. Эти радиусы отличаются в 10⁵ раз. Следовательно, объем атома и атомного ядра отличаются в (10⁵)³ раз = 10¹⁵ раз. При этом практически вся масса атома и весь положительный заряд «сидят» в атомном ядре. Отсюда следует:

1. Плотность ядерного вещества – гигантская. Если плотность свинца   11 г/см³, то плотность ядерного вещества

_я = 10¹⁵  10¹⁶ г/см³ = 10⁷ тонн/мм³

2. В сверхкомпактной области – атомном ядре – сосредоточены все протоны; сила их взаимного отталкивания, в соответствии с законом Кулона, колоссальна. Тем не менее, атомные ядра многих разновидностей стабильны. Это указывает на то, что кулоновская взаимная неприязнь протонов перекрывается гораздо более интенсивным взаимодействием. Все, что связано с ядерной энергетикой, в ее нынешнем виде и в перспективе, связано с умением использовать взаимодействия, характерные для атомных ядер.

3. Процессы, происходящие в атомном ядре, подчиняются законам квантовой механики. На это указывают многие особенности радиоактивного распада:

а) распад нестабильных атомных ядер сопровождается появлением «осколков» строго определенного вида: -частицы, ^--частицы, ⁺-частицы. Нестабильные ядра никогда не распадаются на произвольные части. Для сравнения: осколки бьющейся посуды всегда произвольны.

б) Энергия - или -частиц и -квантов, возникающих при радиоактивном распаде, всегда строго постоянна для каждого вида распадающихся ядер. Например, -распад изотопа йода сопровождается вылетом: (-электрон 0,61МэВ плюс -квант 0,364 МэВ) или (-электрон 0,33 МэВ плюс -квант 0,639 МэВ). Никаких промежуточных значений энергии не наблюдается.

в) Для каждого вида нестабильных ядер вероятность распада одного ядра в любую (ближнюю или отдаленную) единицу времени есть величина постоянная. Именно такому положению дел отвечает закон радиоактивного распада

N = N₀e ^t (9)

Здесь N – численность нераспавшихся ядер как функция времени t; N₀ – число нераспавшихся ядер в начальный момент времени (t = 0);  – постоянная распада – константа, индивидуальная для каждого вида нестабильных ядер.

График уравнения (9) имеет следующий вид:

Рис. 7

Промежуток времени, в течение которого число нераспавшихся ядер уменьшается от N₀ до ½N₀, называется периодом полураспада Т_1/2. Этот показатель связан с постоянной распада соотношениями:

Диапазон значений периода полураспада природных радиоактивных изотопов необычайно широк: от 10¹⁰ лет до 10^-8 секунды. О том же самом на языке психофизических оценок можно сказать так: радиоактивные изотопы бывают долгоживущими и короткоживущими.

В медицинской практике нашли применение и те, и другие. Если радиоактивный изотоп вводится в организм, то крайне желательно, чтобы период его полураспада был невелик. Например, хорош изотоп золота с периодом полураспада Т_1/2 = 2,7 суток, а изотоп натрия – еще лучше, у него Т_1/2 = 15 часов. Если же пациент подвергается воздействию радиоактивных излучений от внешнего источника, то такой источник удобнее иметь с большим периодом полураспада. Таков, к примеру, изотоп кобальта , имеющий Т_1/2 = 5,26 года.

Под активностью радиоактивного препарата понимается число нестабильных атомов этого препарата, распадающихся за одну секунду. В системе СИ приняты две единицы активности:

а) Беккерель – 1 Бк = 1 = 1 1/c

б) Кюри – 1 Ки = 3,710¹⁰ Бк = 3,710¹⁰ 1/c

1Ки – очень большая величина. В медицинской практике используют препараты с активностью в милли- и микрокюри: 1 мКи = 10^-3 Ки; 1 мкКи = 10^-6 Ки.

Заметим, что активность, по определению, является показателем скорости распада (число распадов в единицу времени), в то время, как в уравнении (9) N – это численность еще не распавшихся ядер. Взяв производную N^/ = dN/dt от этой функции (9), мы получаем уравнение, описывающее активность препарата как функцию времени:

Знак «минус» в этом выражении указывает на то, что функция (9) является убывающей, а скорость dN/dt этого убывания уменьшается по такому же экспоненциальному закону, как и в уравнении (9).

В медицинских приложениях наряду с активностью препаратов важное значение имеет удельная активность – величина, измеряемая в единицах активности на кубический сантиметр: мКи/см³; мкКи/см³. Эта величина сходна по смыслу с концентрацией раствора.