11.6. Радиоактивность

Способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц называют радиоактивностью.

Естественная радиоактивность открыта Беккерелем в 1896 г.

Существует около 300 природных, радиоактивных ядер.

Искусственная радиоактивность впервые наблюдалась в 1934 г Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Искусственно радиоактивных ядер открыто около 2000. Искусственная радиоактивность позволила открыть ⁺  распад, К  захват и существование запаздывающих нейтронов. К радиоактивным превращениям относятся: распад, распад [с испусканием электрона ( ^распад), с испусканием позитрона ( ⁺ распад) и Кзахват (захват ядром орбитального электрона)], а также спонтанное деление атомных ядер, протонный и двухпротонный распады и др. В случае распада большое время жизни ядер обусловлено природой слабого взаимодействия, ответственного за этот распад. Остальные виды радиоактивных процессов вызваны сильным взаимодействием.

Замедление таких процессов связывают с наличием потенциальных барьеров, затрудняющих вылет частиц из ядра.

Рис. 11.6

Радиоактивность часто сопровождается   излучением, возникающим в результате переходов между различными квантовыми состояниями одного и того же материнского ядра.

Существует четыре природных радиоактивных ряда (семейства):

Радиоактивный ряд

приведен на рис. 11.6

Внешние условия (давление, температура, химические реакции и пр.) на ход радиоактивных превращений не оказывают никакого влияния, так как все процессы совершаются внутри ядер.

11.7. Закон радиоактивного распада

По своей природе радиоактивность не отличается от распада составных ядер и представляет собой частный случай ядерных реакций.

Состав радиоактивных ядер постоянно расширяется. К радиоактивным относятся все ядра с временем жизни от 10^9 с до 10²² с.

Как всякий квантовый процесс, радиоактивность - явление статистическое и характеризуется вероятностью протекания в единицу времени, т.е. постоянной распада .

Если взять большое число N радиоактивных ядер, то за единицу времени из них распадается в среднем N ядер.

Это произведение характеризует интенсивность излучения радиоактивного вещества, содержащего N радиоактивных ядер; его называют активностью, т. е.

,

где а₀ = N  начальная активность.

В СИ единицей активности является распад в секунду (расп/с).

Используется также внесистемная единица кюри (Кu): 1 Кu = 3,710¹⁰ расп/с

или внесистемная единица активности  резерфорд (Рд): 1 Рд = 10⁶ расп/с.

Пусть в момент времени t число радиоактивных ядер N. По определению активности и с учетом убыли ядер при распаде, имеем

. (11.19)

Решением этого дифференциального уравнения является функция вида

, (11.20)

где N₀  число радиоактивных ядер в момент времени t = 0 (рис. 11.7).

Рис. 9.7

Формулу (11.20 ) называют законом радиоактивного распада.

Найдем период полураспада и среднее время жизни  радиоактивного ядра.

Величину определяют как время, за которое число радиоактивных ядер уменьшается вдвое, т. е.

или

. (11.21)

Согласно (11.19) и (11.20 ) количество ядер, распавшихся за промежуток времени от t до t + dt,

или

.

Поэтому время жизни ядра

.

После интегрирования

. (11.22)

Используя (9.21) и (9.22 ), имеем

= . (11.23)

Статистический закон радиоактивного распада при наличии большого числа радиоактивных атомов  практически абсолютно точный закон. На его принципе работают “ атомные часы”, служащие, например, в геологии и археологии, для измерения возраста горных пород и предметов деятельности древнего человека.

«Атомными часами» для определения возраста Земли, могут служить, например, долгоживущие ядра (период полураспада 4,5610⁹ лет) и (период полураспада 1410⁹ лет). В настоящее время определенный таким способом возраст Земли 4,510⁹ лет.