Основные законы радиоактивного распада

В настоящее время известно много процессов, происходящих самопроизвольно, спонтанно. Эти процессы называются радиоактивными, т.к. они протекают по законам радиоактивного распада. К числу радиоактивных процессов относятся α-распад, β-распад (включая K-захват), γ-излучение, спонтанное деление тяжелых ядер, а также испускание запаздывающих нейтронов и протонов.

При радиоактивном распаде ядер соблюдаются законы сохранения:

- сохранение зарядового числа;

- сохранение массового числа;

- сохранение энергии.

Два последних вида радиоактивных превращений относятся к каскадному двуступенчатому типу, так как испускание запаздывающих нейтронов (или протонов) происходит после предварительного испускания ядром электрона (или позитрона).

В связи с этим испускание нейтрона (протона) запаздывает на время, характеризующее предшествующий β-распад (хотя сам процесс испускания нуклона образовавшимся после β-распад возбужденным ядром происходит практически мгновенно).

Впервые радиоактивное излучение было проанализировано при помощи опытов по отклонению его в электрическом и магнитном полях и по поглощению в веществе. В результате этих опытов было установлено, что радиоактивные вещества испускают три вида лучей:

1. Альфа-лучи – тяжелые положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью около 109 см/с и поглощающиеся несколькими микронами алюминия. Впоследствии методом спектрального анализа было показано, что этими частицами являются ядра гелия (₂He⁴).
2. Бета-лучи – легкие отрицательно заряженные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света и поглощаемые слоем алюминия толщиной в среднем 1 мм. Этими частицами оказались электроны.
3. Гамма-лучи – сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в электрическом, ни в магнитном полях. Природа γ-лучей – жесткое электромагнитное излучение, имеющее еще более короткую длину волны, чем рентгеновские лучи.

В настоящее время известно, что радиоактивность является свойством атомного ядра, точнее его состояния. Повлиять на ход процесса радиоактивного распада, не изменив состояния атомного ядра, нельзя.

Радиоактивность заключается в самопроизвольном (спонтанном) распаде ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Такие ядра и соответствующие им нуклиды называют радиоактивными (в отличие от стабильных ядер). Радиоактивное ядро называют материнским, а ядра, образующиеся в результате распада, дочерними.

Необходимое условие радиоактивного распада заключается в том, что масса исходного ядра должна превышать сумму масс продуктов распада. Поэтому каждый радиоактивный распад происходит с выделением энергии.

Радиоактивность подразделяют на естественную и искусственную. Первая относится к радиоактивным ядрам, существующим в природных условиях, вторая – к ядрам, полученным посредством ядерных реакций в лабораторных условиях. Принципиально они не отличаются друг от друга.

К основным типам радиоактивности относятся α-, β- и γ-распады.

,

(3.5)

Соотношение (3.5) называют основным законом радиоактивного распада. Как видно, число N еще не распавшихся ядер убывает со временем экспоненциально.

Интенсивность радиоактивного распада характеризуют числом ядер, распадающихся в единицу времени. Ее называют активностью A. Таким образом активность:

.

(3.6)

Ее измеряют в беккерелях (Бк), 1 Бк = 1 ^распад/_с;

а также в кюри (Ки), 1 Ки = 3.7∙10¹⁰ Бк.

Активность в расчете на единицу массы радиоактивного препарата называют удельной активностью.

Вернемся к формуле (3.5). Наряду с постоянной λ и активностью A процесс радиоактивного распада характеризуют еще двумя величинами: периодом полураспада T_1/2 и средним временем жизни τ ядра.

Период полураспада T_1/2 – время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшится в двое:

,

(3.7)

откуда

.

(3.8)

Среднее время жизни τ определим следующим образом. Число ядер δN (t), испытавших распад за промежуток времени (t, t + dt), определяется: δN (t) = λNdt. Время жизни каждого из этих ядер равно t. Значит сумма времен жизни всех N₀ имевшихся первоначально ядер определяется интегрированием выражения tδN (t) по времени от 0 до ∞. Разделив сумму времен жизни всех N₀ ядер на N₀, мы и найдем среднее время жизни τ рассматриваемого ядра:

.

(3.9.1)

Остается подставить сюда выражение (3.5) для N (t) и выполнить интегрирование по частям, после чего мы получим:

τ = 1/λ.

(3.9.2)

Заметим, что τ равно, как следует из (3.5) промежутку времени, за которое первоначальное количество ядер уменьшается в e раз.

Сравнивая (3.8) и (3.9.2), видим, что период полураспада T_1/2 и среднее время жизни τ имеют один и тот же порядок и связаны между собой соотношением:

.

(3.10)