5. Радиоактивные излучения. Их виды и характеристика (природа, заряд, энергия, пробег).

• Радиоактивное излучение невидимо. Оно обнаруживается с помощью различных явлений, происходящих при его действии на вещество (свечение люминофоров или флуоресцирующих экранов, ионизация вещества, почернение фото-эмульсии после проявления и т. п.).

• Характер испускаемого радиоактивными веществами излучения изучен как по поглощению его в веществе, так и по отклонению этих лучей в электрическом и магнитном полях. Было обнаружено, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле разделяется обычно на три пучка. Пока не была выяснена природа этих излучений:

(*) альфа-лучи - лучи, отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке,

(*) бета-лучи - отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке,

(*) гамма-лучи - лучи, которые совсем не отклонялись (истинные лучи).

Характеристика излучения	Вид излучения
	α	β	γ
Природа	Поток положительно заряженных частиц (дважды ионизированных атомов гелия)	Электроны или позитроны ядерного происхождения	Электромагнитное излучение ядерного происхождения
Масса покоя	4,003 а.е.м.	0,000548 а.е.м.	0
Заряд	«+» = 4,81010абс.эл.стат.ед. х2 = 9,61010	«+» и «-» = 4,8…1010 абс.эл.стат.ед.	0
Скорость движения	Примерно 2000000000 см/с или 0,08 скор.света	2,9…1010 см/с	3,0…1010 см/с
Путь пробега	В воздухе – 2…11см; В биологических тканях – 5…1000 микрон	В воздухе – 2…25 м; В биологических тканях – 0,8см	В воздухе – 150м; В биологических тканях – примерно такой же
Способность к ионизации	250 тыс. пар ионов (высокая)	1000…25000 пар ионов (высокая)	10…250 пар ионов (низкая)
Распределение энергии	Одинаковый уровень энергии (монохромный)	Различный уровень энергии от 0 до max (сплошной сектор)	Различный уровень энергии (линейчатый сектор)

6. Типы ядерных превращений.

Существуют следующие типы ядерных превращений, или видов радиоактивного распада: альфа_распад, бета-распад

(электронный, позитронный), электронный захват, внутренняя конверсия.

Альфа-распад. Сопровождается испусканием из ядра неустойчивого элемента — альфа-частицы, представляющей

собой ядро атома гелия. При вылете альфа-частицы ядро теряет два протона и два нейтрона и превращается в другое ядро, в котором число протонов (заряд ядра) уменьшено на 2, а число частиц (массовое число) — на 4. Следовательно, при радиоактивном распаде в соответствии с правилом смещения (сдвига), сформулированным Фаянсом и Содди (1913), образующийся при альфа-распаде элемент (дочерний) смещен влево относительно исходного (материнского) на две клетки периодической системы Д. И. Менделеева.

Альфа-распад — достаточно распространенное ядерное превращение тяжелых ядер; в настоящее время известно более 160 альфа-активных видов ядер. Ядра с порядковым номером больше 82 (Z = 82 для Рb), за редким исключением, альфа-активны, а с Z, меньшим 82, стабильны по отношению к альфа-распаду.

Бета_распад. Ряд естественных и искусственных радиоактивных элементов претерпевают распад с испусканием

электронов. У некоторых искусственных радиоактивных изотопов наблюдается распад с испусканием позитронов. Электроны и позитроны, испускаемые ядрами, называют бета-частицами или бета-излучением, а сами ядра — бета-активными. Из-за сходства между электронным и позитронным распадом эти два вида распада называют бета-распадом.

Если в ядре имеется излишек нейтронов («нейтронная перегрузка» ядра), то происходит электронный распад,

при котором один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино:

Уравнение электронного распада:

При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличиваются на единицу (т. е. дочерний

элемент сдвинут в периодической системе Д. И. Менделеева на один номер вправо от исходного), а массовое число остается без изменения.

Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов. Примером бета-распада может служить распад изотопа калия с превращением его в кальций.

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит

позитронный (+) распад, при котором ядро испускает позитрон (частицу такой же массы, как и электрон, но имеющую

заряд +1) и нейтрино, а один из протонов превращается в нейтрон:

Уравнение позитронного распада:

Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшаются на единицу, и дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д. И. Менделеева на один номер влево от материнского; массовое число остается без изменения.

Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов. Например, распад изотопа фосфора с образованием кремния.

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон–электрон», которая мгновенно превращается в два гамма_кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е+ и е–).

Процесс превращения пары позитрон–электрон в два гамма-кванта получил название аннигиляции (уничтожения),

а возникающее электромагнитное излучение — аннигиляционного.

Таким образом, при позитронном распаде в конечном результате за пределы материнского атома вылетают не частицы, а два гамма-кванта, каждый из которых обладает энергией в 0,511 МэВ, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц — позитрона и электрона:

Электронный захват. Превращение ядра может быть осуществлено путем электронного захвата, когда один из протонов ядра захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему K-слоя или реже (примерно в 100 раз) с 1_слоя, и превращается в нейтрон. Такой процесс называют электронным K- или L-захватом. Протон превращается в нейтрон.

Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше порядкового номера исходного ядра, а массовое число не меняется. Дочерний элемент в периодической системе элементов Д. И. Менделеева отстоит на одну клетку влево от

материнского. Превращение ядер при K-захвате записывают в следующем виде:

Освободившееся место, которое занимал в K- или L-слое захваченный электрон, заполняется электроном из более удаленных от ядра слоев оболочки атома. Избыток энергии, освободившейся при таком переходе, испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, так как количество протонов в ядре при электронном захвате уменьшается на единицу.

Позитронный распад и электронный захват, как правило, наблюдают только у искусственно-радиоактивных изотопов.

Внутренняя конверсия. Возбужденное (в результате того или иного ядерного превращения) состояние ядра атома свидетельствует о наличии в нем избытка энергии. В состояние с меньшей энергией (нормальное состояние) возбужденное ядро может переходить не только путем излучения гамма-кванта

или выбрасывания какой-либо частицы, но и путем внутренней конверсии, или конверсии с образованием электронно_

позитронных пар.

Явление внутренней конверсии состоит в том, что ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (K_, L_ или M_слой), который в результате этого удаляется (вырывается) за пределы атома. Такие электроны получили название электронов внутренней конверсии.

Следовательно, испускание электронов конверсии обусловлено непосредственным электромагнитным взаимодействием ядра с электронами оболочки. Конверсионные электроны имеют линейчатый спектр энергии, в отличие от электронов бета-распада, дающих сплошной спектр.

Если энергия возбуждения превосходит 1,022 МэВ, то переход ядра в нормальное состояние может сопровождаться

излучением пары электрон–позитрон с последующей их аннигиляцией.

После того как произошла внутренняя конверсия, в электронной оболочке атома появляется «вакантное» место вырванного электрона конверсии. Один из электронов с более отдаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.