испускается при перестройке электронных структур атома, а не при изменениях структуры ядра атома. Значение энергии рентгеновского излучения является уникальной характеристикой каждого элемента, но одинаково для различных изотопов одного элемента. Рентгеновское излучение часто сопровождает процессы ядерного распада, при которых происходит разрушение электронной оболоч- ки атома.

Интенсивность и энергетический спектр гамма-излучения, испускаемого при самопроизвольном распаде ядра, являются уникальными характеристиками этого ядра. Эти характеристики лежат в основе большинства методов анализа с помощью гамма-излучения: путем подсчета гамма-квантов с определенной энергией оказывается возможным определить число ядер, которые испускают данное излучение.

1.2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯДЕРНОГО РАСПАДА

1.2.1 Процессы ядерного распада. Общие сведения

Предполагается, что атомное ядро представляет собой связанную структуру, состоящую из протонов и нейтронов, имеющих примерно одинаковые массы и отличающихся только зарядом: протоны имеют положительный, равный единице, заряд, нейтроны — электрически нейтральны. Разные элементы имеют ядра с различным числом нейтронов и протонов. Число протонов в ядре называется атомным номером и обозначается символом Z. В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов. Число нейтронов в ядре атома обозначается символом N. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называется массовым числом атома и обозначается символом А (А=Z+N).

При всех процессах ядерного распада число нестабильных ядер данного элемента уменьшается со временем по экспоненциальному зако ну:

где n — число ядер данного элемента в момент времени t; n0 — число ядер при t=0;

λ — постоянная распада, параметр, характеризующий экспоненциальный процесс распада.

Каждый вид атомного ядра имеет определенную постоянную распада. Радиоактивный распад обычно описывается с помощью понятия периода ядерного полураспада T1/2, который связан с постоянной распада λ соотношением

Период полураспада — это время, необходимое для того, чтобы число нестабильных ядер данного элемента уменьшилось наполовину (период полураспада обычно приводится в таблицах ядерных данных). Скорость распада, или удельную активность, можно получить из периода полураспада сле дующим образом:

где R — скорость, выраженная числом распадов в секунду на гр амм; А — массовое число атома;

T1/2 — период полураспада в годах.

Уравнение (1.3) часто используется для оценки удельной активности на грамм образца.

Альфа- и бета-распады ядер данного элемента не всегда сопровождаются испусканием гамма-излучения. Доля распадов, сопровождающихся испусканием гам- ма-лучей определенной энергии, называется интенсивностью ветвления. Например, наиболее интенсивное гамма-излучение, испускаемое 235U, имеет энергию 185,7 кэВ и интенсивность ветвления 54 %. Уран-235 распадается с испусканием альфа-части- цы с периодом полураспада 7,038Ч108 года. Уравнение (1.3), таким образом, дает скорость испускания альфа-частиц, равную 7,98Ч104 α/г с. Только 54 % испусканий аль- фа-частиц сопровождается излучением гамма-квантов с энергией 185,7 кэВ. Следовательно, удельный выход гамма-излучения составляет 4,3Ч104 γ/ã ñ.

Для неразрушающего анализа ядерных материалов в балк-форме из всех видов излучений, сопровождающих естественный распад, интерес представляет только гамма-излучение, поскольку альфа- и бета-частицы имеют очень короткую длину пробега в плотных материалах. Например, в металлической меди длины пробега следующие:

Альфа-частицы с энергией 5 МэВ: 0,01 мм или 0,008 г/см2, Бета-частицы с энергией 1 МэВ: 0,7 мм или 0,6 г/см2,

Гамма-кванты с энергией 0,4 МэВ: 12 мм или 10,9 г/см2 (средняя длина свободного пробега).

1.2.2 Альфа-распад

Альфа-частица — это дважды ионизированное ядро гелия, которое представляет собой очень стабильную и плотно связанную ядерную структуру. При распаде ядра с испусканием альфа-частицы появляющееся в результате ядро называется дочерним, оно имеет заряд на две единицы меньше и атомную массу на четыре единицы меньше исходного материнского ядра. В общем виде эта реакция может быть представлена следующим образом:

Такой распад возможен только, если масса нейтрального материнского атома больше, чем сумма масс дочернего ядра и нейтрального атома 42 He. Разность масс

между материнским ядром и продуктами реакции распада называется энергией реакции Q и равняется кинетической энергии продуктов расп ада:

ãäå Mp,d,He — массы нейтральных атомов материнского, дочернего ядер и атома 42 He;

c — скорость света.

При распаде материнского ядра большую часть энергии реакции Q получает альфа-частица из-за ее малой массы:

Оставшаяся часть энергии затрачивается на отдачу дочерн его ядра.

Из 160 известных альфа-излучателей большинство являются тяжелыми ядрами с атомными номерами более 82. Энергия испускаемой альфа-частицы бывает от 4 до 10 МэВ и период полураспада — от10-6 ñ äî 1010 лет. Альфа-частицы высокой энергии испускаются при распаде короткоживущих яд ер.

Дочернее ядро непосредственно после распада материнского ядра может находиться либо в основном, либо в возбужденном состоянии. В последнем случае ядро может изменять свое возбуждение (релаксировать) по одному из двух механизмов: испусканием гамма-квантов или путем внутренней конверсии. Снятие возбуждения по первому механизму приводит к испусканию одного или более гамма-квантов (обычно, через 10-14 с после испускания альфа-частицы) с дискретными значениями энергии, сумма которых равна начальной энергии возбуждения. В процессе внутренней конверсии ядро передает энергию возбуждения непосредственно одному из наиболее сильно связанных электронов атома, обычно электрону K-оболочки. Электрон покидает атом с энергией, равной разности между энергией перехода и энергией связи электрона в атоме. Возникающая при этом вакансия приводит к эмиссии рентгеновского излучения или электронов (называемых Оже-электронами) с характеристическим спектром энергии, соответствующим дочернему элементу. Вероятность внутренней конверсии сильно увеличивается с ростом атомного номера Z и с уменьшением энергии возбуждения.

Альфа-распад в некоторых случаях приводит к возбужденному состоянию дочернего ядра, которое сохраняется значительно дольше, чем 10-14 с. Если время жизни этого состояния больше, чем 10-6 с, оно называется изомером основного состояния ядра. Примером изомера является ядро 235mU, возникающее при аль- фа-распаде 239Pu:

Обычный вид распада 239Pu ведет сначала к образованию изомера 235mU, который имеет период полураспада 26 мин. Вероятность прямого распада с образованием 235U составляет только 0,04 % на акт распада. Одним из наиболее долгоживущих изомеров является 91m41 Nb с периодом полураспада 60 сут.

Все альфа-частицы, гамма-кванты и электроны внутренней конверсии, испускаемые в процессе распада, имеют характерные дискретные спектры энергии. Наблюдение этих характерных спектров показало, что ядра имеют дискретные разрешенные состояния или энергетические уровни аналогично разрешенным состояниям электронов атома. Информация, получаемая в результате различных спектрометрических исследований, позволила разработать схемы ядерных уровней, приводимые в справочниках, например, в "Таблице Изотопов" [1]. Пример на рис. 1.2 представляет нижние энергетические уровни 235U, заполняемые в процессе альфа-распада 239Pu. Эти уровни обусловливают характерный спектр гам- ма-излучения 239Pu. Следует отметить, что характерный спектр гамма-излучения обычно связывается с материнским или распадающимся ядром, даже если энергии определяются энергетическими уровнями дочерних ядер. Хотя такая практика может показаться запутанной, она является общепринятой для анализа гам- ма-излучения. Такое смешивание усложняется еще и тем, что обычно используется система обозначений, принятая для рентгеновского излучения, которая связывает характеристическое рентгеновское излучение с дочерним элементом. Вследствие этого, альфа-распад 239Pu приводит к образованию 235U и сопровождается эмиссией гамма-излучения 239Pu и рентгеновского излучения урана.

Ðèñ. 1.2. Диаграмма некоторых ядерных энергетических уровней 235U. Эти уровни заполняются при распаде 239Pu и определяют характерный спектр гамма-излучения 239Pu. [1]

1.2.3Бета-распад

Âпроцессе бета-распада атомный номер Z увеличивается или уменьшается на одну единицу, а массовое число атома А остается постоянным. В результате распада изменяется состояние нейтронов и протонов. Существует три типа бе-

та-распада: β-, β+ и электронный захват.

Первым был обнаружен β--распад, частица бета-минус оказалась обычным электроном. В процессе бета-распада ядра элементов меняют состояния по следующей схеме:

Процесс β--распада можно рассматривать как распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Распад энергетически возможен для свободного нейтрона и происходит с периодом полураспада 12,8 мин. Это обычный процесс бе- та-распада ядер с большим атомным номером и ядер продуктов деления, в которых, как правило, содержится значительно больше нейтронов , чем протонов.

Ïðè β+-распаде ядро изменяет свое состояние по следующей схеме:

С процессом β+-распада конкурирует процесс электронного захвата. Ядро взаимодействует с электроном внутренней оболочки атома и, фактически, захва-