2.2. Механизм распада радиоактивных атомов

Ядра неустойчивых атомов претерпевают самопроизвольные превращения, сопровождающиеся эмиссией частиц или излучением энергии. Эти процессы лежат в основе явления, которое называется радиоактивностью. Радиоактивный распад вызывает изменение протонов (Z) и нейтронов (N) родительского атома и приводит, таким образом, к превращению атома одного элемента в атом другого элемента. Дочерний атом может и сам быть радиоактивным и в свою очередь будет распадаться, образуя изотоп еще одного элемента. Радиоактивный распад сопровождается эмиссией излучения трех различных типов: альфа, бета и гамма. (Фор, 1989 ).

Бета-распад ( или электронный распад), состоит в том, что ядро самопроизвольно спускает β-частицу – электрон, характеризующийся отрицательным зарядом, и нейтральную элементарную частицу – антинейтрино (ν). Для ядра энергетически не выгодно сверхнормативное число нейтронов относительно протонов и оно будет стремиться избавиться от лишних нейтронов, путем распада одного из них на протон, электрон и антинейтрино. Новообразованный электрон выбрасывается из ядра, а возникшее новое ядро будет обладать зарядом на единицу большим:

(A,Z)→(A,Z+1)+β^-+ν( Короновский, 2002).

Позитронный распад. Большая группа радионуклидов распадается путем эмиссии из ядра положительно заряженной частицы-позитрона. Образование позитрона происходит в результате превращения ядерного протона в нейтрон, позитрон и нейтрино. Изобаром родительского нуклида является дочерний нуклид образованный в результате позитронного распада, и имеет на один протон меньше, чем родительский. Позитрон взаимодействует с обычным отрицательно заряженным электроном, в результате чего позитрон и электрон исчезают, превращаясь в другую форму материи - электромагнитное (гамма-) излучение. Такой процесс называется аннигиляцией. При позитронном распаде образующиеся ядра могут оставаться в возбужденном состоянии. Избыточная энергия уносится путем испускания гамма-лучей. Можем отметить важную особенность - и распада. Атомы, имеющие избыток нейтронов являются -радиоактивными, поскольку в результате этого процесса число нейтронов уменьшается. можно рассматривать, как нейтронодефицитные. Они испытывают позитронный распад, поскольку в процессе распада число нейтронов увеличивается. При и -распаде наблюдается тенденция изменения Z и N, приводящая к приближению дочерних нуклидов к зоне ядерной стабильности (Фор, 1989 г)

Электронный захват. При этом типе распада, ядро захватывает электрон из ближайшего к нему K – уровня электронного облака. В ядре электрон соединяется с протоном и превращает его в нейтрон. В итоге при K – захвате заряд уменьшается на единицу, а массовое число остается постоянным: (A, Z)+β-→(A, Z-1)+γ.( Короновский, 2002)

Разветвленный распад и бета-распад изобаров. Согласно правилу, сформулированному в 1934 г. австрийским физиком Маттаухом, разность атомных номеров двух стабильных изобаров больше единицы, то есть два соседних изобара не могут быть оба стабильны. Правило изобар Маттауха означает, что между двумя стабильными изобарами должен располагаться радиоактивный изобар, претерпевающий разветвленный распад и образовавший таким образом два стабильных дочерних изобара. Это проще всего понять, если обратиться к нескольким характерным примерам. Рассмотрим три изобара: , и . В соответствии с правилом Маттауха оказывается, что радиоактивен и претерпевает разветвленный распад, превращаясь и в , и в . В ядро превращается путем эмиссии позитрона и электронного захвата, в то время как образуется в результате - распада (Фор,1989 г)

Альфа-распад. Большая группа радионуклидов распадается путем самопроизвольной эмиссии -частиц из их ядер. Этот тип распада возможен для нуклидов с атомным номером 58 (церий) и большим, а также для группы нуклидов с небольшим атомным номером, включая , и . Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов ( заряд +2). Эмиссия - частицы уменьшает на две единицы и атомный номер, и число нейтронов, а массовое число при этом уменьшается на четыре единицы. Радионуклиды, претерпевающие -распад, могут испускать -частицы с одним дискретным значением энергии, что соответствует образованию дочерних нуклидов в основном энергетическом состоянии. Другие радионуклиды испускают несколько групп -частиц с несколько разными энергиями, что соответствует образованию дочерних нуклидов в возбужденном состоянии. В таких случаях энергия возбуждения дочернего нуклида уносится путем испускания -лучей. Поскольку - частица обладает довольно большой массой, ее выброс из ядра будет сопровождаться передачей ядру энергии отдачи. Альфа-распад можно представить с помощью формулы для превращения в :

где - -частица, Q -полная энергия -распада. Кинетическая энергия -частицы равна 4.20 МэВ (Фор,1989 г). Некоторые дочерние нуклиды природных изотопов урана и тория могут распадаться, либо испуская -частицы, либо путем -распада. Если вначале ядро претерпевает -распад, то образовавшееся ядро распадается путем -распада, и наоборот. Другими словами, два этих альтернативных вида распада образуют замкнутые циклы и всегда приводят к одному и тому же конечному продукту независимо от последовательности эмиссии и ^- частиц. (Фор,1989 г)

Деление ядер. Спонтанное (или самопроизвольное) деление ядер на два, сравнимых по массе осколка, является свойством очень тяжелых ядер с атомным номером около 100. Оно было открыто в СССР К.А.Петржаком и Г.Н. Флеровым в 1940 г. Процесс этот очень медленный. Например, на 2 230 000 - распадов ²³⁸U приходится всего один акт спонтанного деления. Возраста горных пород и минералов обычно выражаются в 106 и 109 лет, или в значениях Международной системы единиц (СИ): Ma и Ga. Эта аббревиатура образована от латинских Mega anna и Giga anna, означающих, соответственно, млн. лет и млрд. лет. В настоящее время известно, что деление изотопов урана и тория , и можно вызвать путем бомбардировки их ядер нейтронами, протонами. Механизм распада радиоактивных атомов дейтронами ( ), -частицами, -лучами и даже рентгеновскими лучами. Атомные массы продуктов деления обычно не равны, т.е. родительские нуклиды не делятся на два равных осколка. Продукты распада, как правило, нейтроноизбыточны, радиоактивны и превращаются путем последовательных -распадов в стабильные изобары ( Короновский, 2002).