1.2. Радиоактивный распад

Радиоактивность (от лат. radio — излучаю, radius — луч и activus — действенный), самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно — изотоп другого элемента).

Сущность явления радиоактивности состоит в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем (метастабильном) состоянии. Такие превращения сопровождаются испусканием ядрами элементарных частиц либо других ядер, например ядер ⁴He (альфа-частиц или -частиц). Все известные типы радиоактивных превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий микромира: сильных взаимодействий (ядерные силы) или слабых взаимодействий. Первые ответственны за превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц, например a-частиц, протонов или осколков деления ядер: вторые проявляются в -распаде ядер. Электромагнитные взаимодействия ответственны за квантовые переходы между различными состояниями одного и того же ядра, которые сопровождаются испусканием гамма-излучения. Эти переходы не связаны с изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной классификации, не принадлежат к числу радиоактивных превращений. Понятие «радиоактивности» распространяют также на -распад нейтронов.

Радиоактивность следует отличать от превращений составных ядер, образующихся в процессе ядерных реакций в результате поглощения ядром-мишенью падающей на него ядерной частицы. Время жизни такого ядра значительно превышает время пролёта падающей частицей расстояния порядка ядерных размеров (10^-21—10^-22 с) и может достигать 10^-13—10^-14 с. Поэтому условно нижней границей продолжительности жизни радиоактивных ядер считается время порядка 10^-12 с.

Типы радиоактивных превращений.

Все известные виды радиоактивности можно разделить на две группы: элементарные (одноступенчатые) превращения и сложные (двухступенчатые). К первым относятся: 1) альфа-распад, 2) все варианты бета-распада (с испусканием электрона, позитрона или с захватом орбитального электрона), 3) спонтанное деление ядер, 4) протонная Р., 5) двупротонная Р-II, 6) двунейтронная радиоактивности. В случае b-распада достаточно большое время жизни ядер обеспечивается природой слабых взаимодействий. Все остальные виды элементарных радиоактивных процессов обусловлены ядерными силами. Замедление таких процессов до промежутков времени 3 10^-12 сек вызвано наличием потенциальных барьеров (кулоновского и центробежного), которые затрудняют вылет ядер или ядерных частиц.

К двухступенчатым радиоактивным превращениям относят процессы испускания т.н. запаздывающих частиц: протонов, нейтронов, a-частиц, ядер трития и ³He, а также запаздывающее спонтанное деление. Запаздывающие процессы включают в себя b-распад как предварительную стадию, обеспечивающую задержку последующего, мгновенного испускания ядерных частиц. Таким образом, в случае двухступенчатых процессов критерий радиоактивности относительно времени жизни удовлетворяется только для первой стадии, благодаря её осуществлению за счёт слабых взаимодействий.

Характеристики радиоактивности

Для процессов радиоактивного распада ядер (и элементарных частиц) характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа активных ядер. Этот закон отражает независимость распада отдельного ядра от остальных ядер. Обычно продолжительность жизни радиоактивных ядер характеризуют периодом полураспада — промежутком времени T_1/2 на протяжении которого число радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое. Поскольку продолжительность жизни отдельного ядра оказывается неопределённой, экспоненциальный закон распада выполняется лишь в среднем, причём тем точнее, чем больше полное число радиоактивных ядер.

Активность радиоактивного материала скалярная физическая величина обозначается буквой A и равна количеству распадов происходящих в материале в единицу времени. Единицей активности в системе СИ является Беккерель (Бк).

1 Бк = 1 распад в секунду.

Раньше была другая основная единица активности – Кюри (Kи), названная в честь супругов Кюри, много сделавших для изучения явления радиоактивности.

1 Kи = 3,7 10¹⁰ Бк – активности одного грамма ²²⁶Ra.

Период полураспада - это время в течении которого распадается половина исходного количества ядер данного радиоактивного изотопа. Период полураспада для одних изотопов составляет тысячные доли секунды, для других тысячи и миллиарды лет, последние представляют собой главную проблему современной ядерной энергетики. Образовавшиеся в процессе работы реактора эти изотопы остаются радиоактивными в течении столетий и представляют опасность для окружающей среды и человека.

Постоянная распада - физическая величина, характеризующая интенсивность радиоактивного распада.

,

Закон радиоактивного распада

Отношение числа радиоактивных ядер [dN(t) = N(t)-N(t+dt)], распадающихся за единицу времени, к общему числу радиоактивных ядер, имеющихся в данный момент времени [N(t)], равно постоянной распада .

при N(0)=N₀ решение дифференциального уравнения можно записать в виде:

Учение о радиоактивности. История и современность, М., 1973.