5.4. Радиоактивность

Радиоактивность – превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого химического элемента с выделением некоторых элементарных частиц. Различают: естественную и искусственную радиоактивность.

К основным видам относят:

– α-излучение (распад);

– β-излучение (распад);

– спонтанное деление ядра.

Ядро распадающегося элемента называется материнским, а ядро образующегося элемента – дочерним. Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется следующему закону радиоактивного распада:

,

где N₀ – число ядер в химическом элементе в начальный момент времени; N – число ядер в момент времени t; – так называемая «постоянная» распада, которая представляет собой долю ядер, распавшихся в единицу времени.

Величина обратная «постоянной» распада , характеризует среднюю продолжительность жизни изотопа. Характеристикой устойчивости ядер относительно к распаду является период полураспада , т. е. время, в течение которого первоначальное количество ядер уменьшается вдвое:

.

Связь между и :

, .

При радиоактивном распаде выполняется закон сохранения заряда:

,

где – заряд распавшихся или получившихся (образовавшихся) «осколков»; и правило сохранения массовых чисел:

,

где – массовое число образовавшихся (распавшихся) «осколков».

5.4.1. Α и β-распад

α-распад представляет собой излучение ядер гелия . Характерен для «тяжелых» ядер с большими массовыми числами A > 200 и зарядом z > 82.

Правило смещения при α-распаде имеет следующий вид (происходит образование нового элемента):

.

Пример:

; .

Отметим, что α-распад (излучение) обладает наибольшей ионизирующей способностью, но наименьшей проницаемостью.

Различают следующие виды β-распада:

– электронный β-распад (β^–-распад);

– позитронный β-распад (β⁺-распад);

– электронный захват (k-захват).

β^–-распад происходит при избытке нейтронов с выделением электронов и антинейтрино :

.

β⁺-распад происходит при избытке протонов с выделением позитронов и нейтрино :

.

Для электронного захвата (k-захвата) характерно следующее превра­щение:

.

Правило смещения при β-распаде имеет следующий вид (происходит образование нового элемента):

для β^–-распада: ;

для β⁺-распада: .

β-распад (излучение) обладает наименьшей ионизирующей способностью, но наибольшей проницаемостью.

α и β-излучения сопровождаются γ-излучением, которое представляет собой излучение фотонов и не является самостоятельным видом радиоактивного излучения.

γ-фотоны выделяются при уменьшении энергии возбужденных атомов и не вызывают изменение массового числа A и изменение заряда Z. γ-излучение обладает наибольшей проникающей способностью.

5.4.2. Активность радионуклидов

Активность радионуклидов – мера радиоактивности, характеризующая число распадов ядер в единицу времени. Для определенного количества радионуклидов в определенном энергетическом состоянии в заданный момент времени активность А задается в виде:

, (1)

где – ожидаемое число спонтанных ядерных превращений (число распадов ядер), происходящих в источнике ионизирующего излучения за интервал времени .

Самопроизвольное ядерное превращение называют радиоактивным распадом.

Единицей измерения активности радионуклидов является обратная секунда ( ), имеющая специальное название беккерель (Бк).

Беккерель равен активности радионуклида в источнике, в котором за время 1 сек. происходит одно спонтанное ядерное превращение.

Внесистемная единица активности – кюри (Ku).

Кюри – активность радионуклида в источнике, в котором за время 1 сек. происходит 3,7 ^. 10¹⁰ спонтанных ядерных превращений, т. е. 1 Ku = 3,7 ^. 10¹⁰ Бк.

Например, примерно 1 г чистого радия дает активность 3,7 ^. 10¹⁰ ядерных распадов в секунду.

Не все ядра радионуклида распадаются одновременно. В каждую единицу времени самопроизвольное ядерное превращение происходит с определенной долей ядер. Доля ядерных превращений для разных радионуклидов различна. Например, из общего числа ядер радия ежесекундно распадается 1,38 ^. часть, а из общего количества ядер радона – 2,1 ^. часть. Доля ядер, распадающихся в единицу времени, называется постоянной распада λ.

Из приведенных определений следует, что активность А связана с числом радиоактивных атомов N в источнике в данный момент времени соотношением:

. (2)

С течением времени число радиоактивных атомов уменьшается по закону:

, (3)

где – число оставшихся радиоактивных атомов по прошествии времени t; – число радиоактивных атомов радионуклида в начальный момент времени: t = 0.

Отсюда следует, что и активность радионуклида также уменьшается за время t по экспоненциальному закону:

, (4)

где – активность радионуклида в начальный момент времени t = 0.

По прошествии определенного времени число радиоактивных атомов радионуклида уменьшается вдвое – время называется периодом полураспада. Между периодом полураспада и постоянной распада существует следующая зависимость:

. (5)

У различных радионуклидов период полураспада варьируется в очень широких пределах: от миллиардов лет до миллионных долей секунды. Например, период полураспада урана равен 4,5 млрд лет, радия – 1622 года, цезия – 30 лет, радона – 3,8 дня и т. д.

После подстановки выражения (5) в формулы (3) и (4) получим:

; (6)

. (7)

Различают также следующие разновидности радионуклида.

Отношение активности радионуклида в источнике к его массе или объему (для объемных источников) называется удельной или объемной активностью, соответственно:

(8)

где , – удельная и объемная активность вещества; А – активность радионуклида в источнике; m, V – масса и объем вещества, носителя радионуклида.

Если отношение активности берется к площади поверхности или к длине источника, то эти отношения называют соответственно поверхностной или линейной активностью.

Выбор единиц удельной активности определяется конкретной задачей. Например, активность в воздухе выражают в беккерелях на кубический метр (Бк/м³) – объемная активность. Активность в воде, молоке и других жидкостях также выражается как объемная активность, так как количество воды и молока измеряется в литрах (Бк/л). Активность в хлебе, картофеле, мясе и других продуктах выражается как удельная активность (Бк/кг).

Очевидно, что биологический эффект воздействия радионуклидов на организм человека будет зависеть от их активности, т. е. от количества радионуклида. Поэтому объемная и удельная активность радионуклидов в воздухе, воде, продуктах питания, строительных и других материалах нормируются.

Поскольку в течение определенного времени человек может облучаться различными путями (от поступления радионуклидов в организм до внешнего облучения), то все факторы облучения связывают определенной величиной, которая называется дозой облучения.