Глава 31. Радиоактивность

§31.1. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Естественная радиоактивность — явление самопроизвольного превращения атомных ядер неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого, сопровождающееся испусканием частиц и излучением энергии.

Это явление было открыто в 1896 г. Французским учёным Антуаном Беккерелем. Изучая действие люминесцирующих веществ на фотоплёнку, он обнаружил неизвестное излучение. Беккерель проявил фотопластинку, на которой в темноте некоторое время находился медный крест, покрытый солью урана. На фотопластинке получилось изображение в виде отчётливой тени креста (рис.31.1). Это означало, что урановая соль самопроизвольно излучает лучи неизвестного типа, кото­рые проходили через бумагу, дерево, тонкие металлические пластинки, делали воздух проводником электричества. Лучи, открытые Беккерелем, стали называть радиоактивными (от лат.— луч). За открытие радиоактивности Беккерель в 1903 году был удостоен Нобелевской премии. Наибольших успехов в изучении радиоактивных излучений удалось добиться Э. Резерфорду, а также супругам Марии и Пьеру Кюри.

Кроме урана свойст­вом радиоактивности обладают радий, полоний, актиний, торий; радио­активные элементы встречаются в земных минералах все вместе.

Экспериментальные исследования радиоактивности позволили Эрнесту Резерфорду в 1899 году обнаружить, что радиоактивное излучение неоднородно и имеет сложную структуру. Экспериментально было установлено, что пучок радиоактивного излучения поместить в сильное магнитное поле, то он будет разделяться на три луча: α-; β-; γ-лучи.

Альфа -; бета-лучи в магнитном поле отклонялись в противоположные стороны, γ-лучи не отклонялись вообще (рис.31.2). Зная, как действует магнитное поле на движущиеся заряды, можно утверждать, что α-излучение слабо отклоняемый пучок положительных лучей; β- излучение – сильно отклоняемый пучок отрицательных-лучей; γ- излучение – неотклоняемый нейтральный пучок.

Радиоактивность представляет собой внутриядерный процесс. Это вытекает из того, что на него не оказывают никакого воздействия вид химического соединения, агрегатное состояние, большие давления, очень высокие температуры, электрические и магнитные поля, т. е. все те воз­действия, которые могут изменить состояние электронной оболочки. На процесс естественной радиоактивности можно воздействовать лишь пу­тем изменения состояния ядра.

В любом радиоактивном образце находится огромное количество ядер. Предсказать, когда именно — через секунду, месяц или тысячу лет,— распадется то или иное ядро, невозможно. Как и любая другая квантовая система, радиоактивное ядро подчиняется вероятностным законам, и распад каждого отдельного ядра является совершенно случайным событием. α-; β-; γ-лучи. α-; β-лучи в магнитном поле отклонялись в противоположные стороны, γ-лучи не отклонялись вообще.

Три виды радиоактивного излучения очень сильно отличаются по физической природе и проникающей способности (рис.31.3). Наименьшей проникающей способностью обладают альфа-лучи. Например, слой бумаги толщиной 0,1 мм для них уже непрозрачен. Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещества бета-лучи. Алюминиевая пластина полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Меньше всего поглощаются гамма-лучи.

Одной из основных характеристик радиоактивного элемента являет­ся постоянная радиоак­тивного распада λ, которая определяет вероятность распада каждого отдельного ядра атома за единицу времени.

Если в данный момент времени имеется N радиоак­тивных ядер, то уменьшение числа их за промежуток времени dt можно определить из соотношения

-dN=N·λ·dt

Интегрируя (8.12) с учетом того, что при t = 0, N = N₀, где N₀ — начальное число радиоактивных ядер, получаем

Потенцируя, имеем

N = N₀е^{- λ·t} (31.1)

т. е. число ядер радиоактивного вещества уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону.

Выражение (31.1) названо законом радиоактивного распада.

Число ядер, распавшихся за рассматриваемый период времени, определяется из соотношения

ΔN = N₀-N = N₀ (1-е^-λt) (31.2)

Промежуток времени Т_1/2, по истечении которого начальное число Nо ядер радиоактивного вещества уменьшится вдвое, называют периодом полураспада.

Если t = Т, то, по определению и тогда

Откуда λt = ln 2 или

(31.3)

Период полураспада постоянен для данного изотопа.

Для различных радиоактивных изотопов он изменяется в очень широких пределах:

от 4,56 млрд. лет у урана до 1,5·10^-4 с у изотопа полония.

Активностью радиоактивного вещества называют число ядер, распавшихся в единицу времени:

(31.4)

Подставляя в (31.4) значение N из (31.1), получаем , где А = λN₀ — активность радиоактивного вещества в начальный момент времени t=0. Следовательно,

(31.5)

Величину

(31.6)

называют средней продолжительностью жизни радиоактивного изотопа. Значения λ и τ не зависят от внешних условий, а определяются лишь свойствами атомного ядра.