Радиактивность

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер. К числу основных таких превращений относятся: 1) α-распад, 2) β-распад (в том числе К-захват), 3) протонная радиоактивность, 4) спонтанное деление тяжелых ядер.

Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.

Закон радиоактивного превращения весьма прост. Для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность l того, что оно испытает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt, будет равно

dN = – lNdt (9)

(знак минус взят для того, чтобы dN можно было рассматривать как приращение числа не распавшихся атомов N. Интегрирование выражения (9) дает:

lnN = – lt + const

откуда получается закон радиоактивного превращения:

N = N₀exp (– lt)

где N₀ – количество не распавшихся атомов в начальный момент, N – количество не распавшихся атомов в момент времени t, l – характерная для радиоактивного вещества константа, называемая постоянной распада. Как мы видели, постоянная распада дает вероятность того, что атом радиоактивного вещества испытает превращение в единицу времени.

Таким образом, число радиоактивных атомов убывает со временем по экспоненциальному закону. Заметим, что количество распавшихся за время t атомов определяется выражением:

N₀ – N = N₀ (1 – exp (– lt)).

Время, за которое распадается половина первоначального количества атомов, называется периодом полураспада Т. Величина Т определяется условием:

½ N₀ = N₀exp (– lt),

откуда

Т = ln2 / l = 0,693/ l. (10)

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных веществ колеблемся в пределах от 3 10^-7 сек до 5 10¹⁵ лет.

Может случиться, что возникающие в результате радиоактивного превращения ядра в свою очередь окажутся радиоактивными и будут распадаться со скоростью, характеризуемой постоянной распада l¢. Новые продукты распада могут также оказаться радиоактивными, и т. д. В результате возникнет целый ряд радиоактивных превращений. В природе существуют три радиоактивных ряда (или семейства), родоначальниками которых являются U ²³⁸ (ряд урана), Th²³² (ряд тория) и U ²³⁵ (ряд актиноурана). Конечными продуктами во всех трех случаях служат изотопы свинца: в первом случае Pb²⁰⁶, во втором Pb²⁰⁸ и, наконец, в третьем Pb²⁰⁷.

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. французским ученым А. Беккерелем. Было обнаружено, что радиоактивное вещество является источником трех видов излучения. Одно из них под действием магнитного поля отклоняется в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положительно заряженных частиц; оно получило название a-лучей. Второе, названное b-лучами, отклоняется магнитным полем в противоположную сторону, т. е. так, как отклонялся бы поток отрицательно заряженных частиц. Наконец, третье излучение, никак не реагирующее на действие магнитного поля, было названо g-лучами. Впоследствии выяснилось, что улучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны (от 10^-3 до 1 ангстрема).

Альфа-распад. Альфа-лучи представляют собой поток ядер гелия . Распад протекает по следующей схеме:

. (11)

Буквой X обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y – химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа-распад обычно сопровождается возникновением g -лучей. Как видно из схемы, атомный номер дочернего вещества на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного вещества. Примером может служить распад изотопа урана U²³⁸, протекающий с образованием тория:

.

Скорости, с которыми a -частицы (т. е. ядра гелия) вылетают из распавшегося ядра, очень велики (~10⁹ см/сек, кинетическая энергия порядка нескольких Мэв). Пролетая через вещество, a -частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эв. Таким образом, а-частица образует на своем пути примерно 10⁵ пар ионов. Естественно, что чем больше плотность вещества, тем меньше пробег a -частиц до остановки. Так, в воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров, в твердом веществе пробег достигает всего нескольких десятков микрон (a -частицы полностью задерживаются обычным листом бумаги).

Кинетическая энергия a -частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и
a -частицы. Эта избыточная энергия распределяется между a -частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Энергии (скорости) a -частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, оказывается строго определенными. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп a -частиц близкой, но различной энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях.

Бета-распад. Существуют три разновидности b-распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом – позитрон, в третьем случае, называемом К-захватом (или электронным захватом), ядро поглощает один из электронов К-слоя атома (значительно реже происходит L- и М -захват, т. е. поглощение электрона из L или М -слоя).

Первый вид распада (b-распад) протекает по схеме:

. (12)

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе
b-распада, мы приписали (b-электрону зарядовое число Z = –1 и массовое число А = 0. Как видно из схемы (12), дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино . Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон, претерпев превращение по схеме . Вообще процесс по этой схеме представляет собой частный случай процесса (12). Поэтому говорят, что свободный нейтрон b-радиоактивен.

Бета-распад может сопровождаться испусканием g -лучей. Причина их возникновения та же, что и в случае a-распада: дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает g-фотон.

В качестве примера b-распада можно привести превращение тория Th²³⁴ в протактиний Ра²³⁴ с испусканием электрона и антинейтрино:

.

Второй вид b-распада (b⁺-распад) протекает по схеме:

. (13)

В качестве примера можно привести превращение азота в углерод:

.

Как видно из схемы, атомный номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона е⁺ (в формуле он обозначен символом и нейтрино , возможно также возникновение g-лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде (13), представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при распаде (12). Процесс b⁺-распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино: . Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов ядра.

Третий вид b-распада (К-захват или е-захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов (реже один из L- или М -электронов) своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино: . Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает g-фотоны. Схема процесса выглядит следующим образом:

. (14)

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи, в результате чего К-захват легко обнаруживается. Примером (К-захвата может служить превращение калия K⁴⁰ в аргон Аг⁴⁰:

.

Протонная радиоактивность. Как показывает само название, при протонной радиоактивности ядро претерпевает превращение, испуская один или два протона (в последнем случае говорят о двупротонной радиоактивности)..

Спонтанное деление тяжелых ядер – процесс самопроизвольного деления тяжелых ядер на две примерно равные части.

Единица активности. В международной системе единиц (СИ) активность радиоактивных препаратов измеряется числом распадов в секунду. Соответственно единицей активности в этой системе является распад/сек. Допускается применение внесистемных единиц: распад/мин и кюри. Единица активности, называемая кюри, определяется как активность такого препарата, в котором происходит 3,700 10¹⁰ актов распада в секунду. Применяются дробные и кратные единицы.