Некоторые типы радиоактивных превращений

-Распад. -Распад характерен преимущественно для атомов тяжелых элементов. -Частица представляет собой ядро атома гелия , поэтому при испускании-частицы образуется ядро с зарядом Z на 2 единицы меньше и массой А на 4 единицы меньше, чем у исходного радиоактивного изотопа

(-частица).

-Частицы радиоактивных элементов имеют большую энергию, достигающую 9 МэВ.

Часто спектр -частиц состоит из нескольких групп (зон), каждая из которых включает -частицы определенной энергии. Наличие -частиц различных энергий при распаде одного и того же изотопа указывает на то, что =распад сопровождается -излучением. -Частицы, образующиеся при распаде, вступают во взаимодействие с веществом среды. Это взаимодействие сопровождается рассеиванием энергии -частиц и превращением их в атомы гелия. При этом энергия расходуется главным образом на взаимодействие с электронами атомов и молекул среды, что приводит к их ионизации и возбуждению. Так, например, -частица, имеющая энергию 3,4 МэВ, может образовывать 10⁵ пар ионов (на образование 1 пары ионов необходимо 34 эВ).

Проникающая способность -частиц мала. Они поглощаются листом писчей бумаги или тканью одежды, их средние пробеги на воздухе не превышают 10 см.

-Распад. -Превращение включает три вида распада: испускание электронов (^--распад), испускание позитрона (⁺-распад) и электронный захват. Рассмотрим наиболее часто встречающийся тип распада – испускание электрона.

^--Распад характерен для ядер, имеющих относительный избыток нейтронов. При этом один из нейтронов распадается, давая протон электрон и антинейтрино по схеме

.

Этот процесс сопровождается образованием ядра нового элемента, находящегося на клетоку правее в периодической таблице Д.И.Менделеева, например

.

Характерной особенностью -распада является то, что испускаемые электроны в отличие от -частиц не многоэнергетичны. Непрерывность ^--спектров связана с тем, что полная энергия ^--перехода (Е_полн.) при каждом акте распада распределяется по закону случая между ^--частицей и антинейтрино, т.е. Е_полн.=Е_^- + Е . Если ^--распаду сопутствует и -излучение , то Е_полн. распределяется между двумя частицами и -квантом. Поскольку спектр испускаемых электронов непрерывен, ^--распад характеризуют максимальной энергией ^--частиц (Е_макс.).

Как и -частицы, ^--частицы расходуют свою энергию в основном на ионизацию и возбуждение атомов и молекул вещества среды. При замедлении в поле ядер ^--частицы могут терять часть своей энергии на тормозное излучение. Для большинства изотопов, используемых в повседневной практике, потери энергии на это излучение крайне малы по сравнению с ионизационными потерями. В силу меньшего заряда и незначительной массы удельная ионизационная способность ^--частиц примерно в 1000 раз меньше, чем у -частиц, а проникающая способность соответственно значительно больше. Так, например, максимальный пробег ^--частиц (R_макс.) для такого «жесткого» ^--излучателя, как (R_макс.=2,26 МэВ), составляет ~9м в воздухе,

0,4 см в алюминии и ~1см в биологической ткани.

-Излучение. -Излучение представляет собой кванты электромагнитного излучения с длиной волны порядка 10^-13м. -Излучение может сопровождать различные виды распада, а при изомерном переходе является единственным видом излучения.

Ядра одного и того же элемента могут существовать в основном и возбужденном (метастабильном) состояниях. Ядра, находящиеся в возбужденном состоянии, называют изомерными. Переход ядра с возбужденного уровня на основной называют изомерным переходом, который сопровождается, как правило, испусканием -кванта (фотона). Ядро, образующееся в результате радиоактивного превращения (дочернее ядро), находится, как правило, в возбужденном состоянии, поэтому -излучение сопровождает различные виды распада.

В отличие от - и -частиц, которые непосредственно ионизируют вещество среды (ионизирующее излучение), -кванты вызывают ионизацию в веществе за счет вторичных электронов, образующихся в результате первичных процессов взаимодействия -квантов с веществом среды. К таким процессам относят: фотоэффект, комптоновское рассеивание и образование пар электрон-позитрон. Фотоэффект заключается в том, что -квант, взаимодействуя с атомами или молекулой, выбивает из них электрон. При этом -квант полностью поглощается, а вся его энергия передается электрону (фотоэлектрон). В процессе комптоновского рассеивания -квант передает лишь часть своей энергии свободному электрону, а вместо первичного -кванта появляется рассеянный, с меньшей энергией. При энергиях -квантов более 1,02 МэВ (такова энергия, эквивалентная массе покоя электрон-позитрон) взаимодействие с силовым полем ядер может привести к образованию пары электрон-позитрон с полным поглощением -кванта. Однако, следует помнить, что позитроны замедляются веществом и могут взаимодействовать с электронами среды, давая аннигиляционное -излучение.

Относительный вклад каждого из трех процессов в ослабление -излучения зависит от энергии фотонов и порядкового номера вещества-поглотителя. По мере возрастания энергии -квантов резко уменьшается вероятность комптоновского рассеивания, а вероятность образования пар возрастает с увеличением энергии фотонов, начиная с энергии 1,02 МэВ.

Поглощение -излучения. Наблюдаемое суммарное ослабление (за счет процессов, указанных выше) интенсивности пучка лучей I в зависимости от толщины поглощающего слоя x описывается экспоненциальным законом :

(4)

Ослабление интенсивности в тонком слое dx:

(5)

Формулы (4) и (5) выражают закон ослабления в интегральной и дифференциальной формах соответственно;  - линейный коэффициент ослабления, I₀ – начальная интенсивность излучения. Прологарифмировав формулу (4), получим ln(I/I₀)=-x, т.е. логарифм относительной интенсивности параллельного пучка гамма-лучей обнаруживает линейную зависимость от толщины слоя поглотителя. Т.о., если построить график зависимости ln(I/I₀ от x, то tg угла наклона прямой к оси абсцисс будет равен коэффициенту ослабления: =tg.

Для защиты от гамма-излучения используются железо, чугун, свинец, бетон. Слой свинца толщиной 7 см уменьшает интенсивность гамма-излучения при энергии гамма-квантов 1 МэВ в 40 раз. Другим способом защиты является расстояние. Интенсивность излучения с увеличением расстояния уменьшается по закону: I = k(I₀/r²).