2. Виды радиоактивных превращений, являющиеся источником ионизирующих излучений

Различают несколько видов радиоактивных превращений, сопровождающихся α-, β- и γ-излучением; внутреннюю конверсию и захват электронов.

Радиоактивный распад - самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие с испусканием ионизирующих излучений: 1) Альфа-распад. Характерен для естественных радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами (т.е. для элементов с малыми энергиями связи). Реакция этого вида превращения может быть показана на примере распада ядра урана ( U²³⁸ ):

₉₂U²³⁸ → ₉₀Th²³⁴ + ₂He⁴

E_a = 4,18 MэВ

Ядра атома гелия, испускаемые данным радиоактивным элементов, по своей энергии или однородны, или разделяются на небольшое число групп (Еα = 4-9 МэВ).

Испускание альфа частиц различной энергии ядрами одного и того же вида может происходить при наличии различных энергетических уровней частиц ядра. Поэтому при распаде могут возникать возбужденные и невозбужденные ядра (продукты распада ), которые, переходя в основное состояние испускают γ-кванты. Наблюдаемые в опыте значения энергий гамма квантов равны разности энергий соответствующих двух групп альфа частиц (с учетом энергии ядра отдачи );

2) Электронный β-распад. Характерен как для естественных, так и для искусственных радиоактивных элементов. Этот вид распада может быть показан на следующем примере:

₁₉К⁴⁰ → e^-1 + ₂₀Ca⁴⁰ + ν,

т.е. ядро испускает электрон и возникает при этом ядро нового элемента при неизменном массовом числе. Энергетический спектр β-частиц непрерывный, т.к. вылет электронов сопровождается выбросом антинейтрино (ν) - элементарной частицы с массой, равной < 1/2000 массы покоя электрона. Суммарная энергия β-частиц и антинейтрино равна максимальной энергии, характерной для данного изотопа.

При испускании β-частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии. Переход их в невозбужденное состояние сопровождается испусканием гамма квантов. Известен ряд β-активных изотопов (например, ₁₅P³²), распад которых не сопровождается гамма-излучением. Выход из возбужденного состояния ядра может происходить и иначе - путем внутренней конверсии, при которой энергия гамма квантов передается одному из внутренних орбитальных электронов. Электрон получает энергию, равную энергии гамма кванта минус энергия связи электрона. Эмиссия этих электронов называется эмиссией оже-электронов.

После внутренней конверсии будет испускаться характеристическое рентгеновское излучение, т.к. орбитальные электроны перестраиваются (перераспределяются), чтобы заполнить пустоты, оставленные конвертированными электронами;

3) Позитронный β-распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов. Например:

₁₅Р³⁰ → е⁺¹ + ₁₄Si³⁰ + v.

Следовательно, при позитронном распаде испускается позитрон и нейтрино, порядковый номер распадающегося атома уменьшается на единицу, а масса практически не уменьшается. Аналогично спектру энергий электронного β-распада спектр энергий позитронного распада непрерывен;

4) К-захват. Это захват орбитального электрона ядром в нуклидах, где отношение нейтронов к протонам слишком низко для стабильности ядра. При этом процессе ядро захватывает электрон с К-оболочки и имеет такое же превращение, как и при позитронном распаде:

₂₉Cu⁶⁴ + e^-1 → ₂₈Ni⁶⁴ + v.

Позитронный распад и К-захват являются конкурирующими процессами. Если возможно испускание позитрона, то возможен и процесс К-захвата. При К-захвате единственной вылетающей из ядра частицей является нейтрино. При К-захвате возникает характеристическое рентгеновское излучение;

5) Самопроизвольное деление ядер. Этот процесс наблюдается у радиоактивных элементов с большим атомным номером (например, U²³⁵, Pu²³⁹ и др.) при захвате их ядрами медленных нейтронов. Вероятность осуществления самопроизвольного деления ядер по сравнению с вероятностью их α-распада незначительна.

Одни и те же ядра, захватившие медленный нейтрон, при делении образуют различные пары осколков, которые представляют собой ядра средних массовых чисел, например:

₉₂U²³⁵ + _on¹ → ₃₆Kr⁹⁰ + ₅₆Ba¹⁴⁰ + 5 _on¹

В результате деления тяжелых ядер образуются осколки с избыточным количеством нейтронов. Эти осколки часто претерпевают несколько последовательных β-распадов, например:

₃₆Kr⁹⁰ → ₃₇Rb⁹⁰ → ₃₈Sr⁹⁰ → ₃₉Y⁹⁰ → ₄₀Zr⁹⁰

Возникающие при самопроизвольном делении тяжелых ядер ядра легких элементов имеют большую энергию связи, приходящуюся на одну частицу. Поэтому при делении выделяется энергия, соответствующая разнице энергии связи частиц в ядрах тяжелого и легких элементов;

6) Термоядерные реакции. Это искусственный на нашей планете вид превращения ядер. Такие реакции возможны лишь при температурах, достигающих нескольких миллионов градусов. В этих условиях ядра легких элементов двигаясь с большими кинетическими энергиями, будут сближаться на малые расстояния и объединяться в ядра более тяжелых элементов, например:

₁D² + ₁T³ → ₂He⁴ + ₀n¹ + E(17,57 Mэв)

₃Li⁶ + ₀n¹ → ₁T³ + ₂He⁴ и т.д.