Радиоактивность. Общие понятия

В 1896 году А. Беккерель в поисках ответа на вопрос о природе излучения, открытого в предыдущем году В. Рентгеном, обнаружил почернение фотопластинки под воздействием соли урана. Было установлено, что испускаемое ураном излучение приводило к ионизации воздуха. Эти явления, которые Марией Кюри были названы радиоактивностью, свидетельствовали о самопроизвольном (спонтанном) распаде ядер. В результате распада происходило образование новых элементов, что коренным образом изменило господствовавшее в XIX веке представление о химическом элементе.

В 1903 г. Беккерель получил совместно с Пьером и Марией Кюри Нобелевскую премию по физике «В знак признания его выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности». В его честь названа единица радиоактивности в системе единиц СИ — беккерель (Бк).

Радиоактивность происходит от латинских слов radio – излучаю (radius – луч), activus – действенный, активный.

Радиоактивность – это способность ядер атомов некоторых химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных, субатомных частиц, гамма-квантов.

К радиоактивным относятся превращения ядер с испусканием:

  • a-частиц (альфа-распад),
  • электронов и позитронов (бета-распад),
  • спонтанное деление ядер.

Радиоактивность часто сопровождается g-излучением.

Различают:

  • Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе (открыта А. Беккерелем).
  • Искусственная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции (обнаружена в 1934 г. И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри для открытых ранее двух новых элементов – радия и полония).

Испускаемые частицы взаимодействуют с атомами среды. Это может приводить к образованию ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул, т.е. к ионизации воздуха. Такое излучение впоследствии стали называть ионизирующим.

Радиоактивность и сопутствующее ей ионизирующее излучение всегда существовали и на Земле, и в Космосе. Поэтому во всякой живой ткани присутствуют следы радиоактивности.

Экранирование живых организмов от естественного радиационного фона приводит к ослаблению процессов жизнедеятельности организмов и снижению их жизнеспособности.

Естественный радиационный фон является неотъемлемым фактором окружающей среды, таким же как, например, гравитация и электромагнитные поля. Все живые организмы развиваются в условиях постоянного воздействия естественной радиации. Она играет существенную роль в процессе жизнедеятельности живых организмов. Причем в различных местах земного шара ее количественное значение существенно меняется.

Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования. Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился в радон. А в сосуде дополнительно появился гелий: 226 88 Ra→222 86 Rn+4 2 He. Чтобы понимать смысл написанного выражения, он изучил тему о массовом и зарядовом числе ядра атома.

Удалось установить, что основные виды радиоактивного распада – альфа и бета-распад – происходят согласно следующему правилу смещения.

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро атома гелия). Из вещества с количеством протонов Z и нейтронов N в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов Z−2 и количеством нейтронов N−2 и, соответственно, атомной массой A−4. То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.

Пример α-распада: 238 92 U→234 90 Th+4 2 He.

Альфа-распад – это внутриядерный процесс. В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон (β-частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример β-распада: 40 19 K→40 20 Ca+−0 1 e+0 0 v.

Бета-распад – это внутринуклонный процесс. Превращение претерпевает нейтрон. Существует также бета-плюс-распад или позитронный бета-распад. При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино, а элемент смещается при этом на одну клетку назад по периодической таблице. Позитронный бета-распад обычно сопровождается электронным захватом.

Гамма-распад

Кроме альфа и бета-распада существует также гамма-распад. Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях, либо при радиоактивных распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Также существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности — это альфа, бета и гамма-распад.

Можно описать и так, что альфа-распад – это вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия 4He – альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер – на 2. Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер (атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше 200). Альфа-частица испытывает туннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растет с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима 144Nd) до 23700 км/с (у изотопа полония 212mPo). В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом: А Z X→A-4 Z-2 +α(4 2 He).

Пример альфа-распада для изотопа 238U: 238 92 U→234 90 Th+α(4 2 He).

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Одновременно в Париже французский физик Пол Виллард проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский и американский физик Георгий Гамов.

Как определить бета-распад?

Теория: При бета-распаде излучается электрон e − 0 1 (β-частица). При этом один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино. Уравнение β-распада: X Z A → Y Z A + 1 + e − 0 1 .

Какие виды бета-распада вам известны?

Электронный захват, позитронный распад (или β+-распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада. Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада.

В чем отличие альфа и бета-распада?

В распадах происходит излучение альфа-частиц и пар лептонов (бета-распады). В альфа-распадах число нуклонов А в ядрах изменяется на 4 , бета-распады происходят без изменения А. Поэтому существует всего 4 ряда (семейства) радиоактивных распадов тяжелых ядер с массовыми числами А = 4n, 4n + 1,4n + 2 и 4n + 3.

Что такое альфа распад формула?

Альфа-распад — самопроизвольное излучение α-частиц ( He 2 4 — полностью ионизированное ядро гелия). При α-распаде радиоактивное ядро X превращается в новое ядро Y, испуская при этом α-частицу. Уравнение α-распада: X Z A → Y Z A − − 2 4 + He 2 4 .

Как считать альфа распад?

Для того чтобы происходил α-распад, необходимо, чтобы масса исходного ядра M(A,Z) была больше суммы масс конечного ядра M(A-4, Z-2) и α-частицы Mα: M(A,Z) >M(A-4, Z-2) + Mα. где Qα = [M(A,Z) – M(A-4, Z-2) + Mα]c2 − энергия α-распада.

Когда происходит альфа распад?

Альфа-частица — это просто ядро атома гелия, два протона и два нейтрона. Такая комбинация скреплена ядерными силами особенно крепко. Поэтому если уж тяжелое ядро и готово потерять лишние протоны и нейтроны, то они, как правило, вылетают именно в форме альфа-частицы. Этот процесс и называется альфа-распадом.

Что такое альфа бета и гамма распад?

Испускание радиоактивных частиц называется радиоактивным распадом. Различают альфа-распад ( с испусканием альфа-частиц), бета-распад (с испусканием бета-частиц), термина "гамма-распад" не существует. Альфа- и бета-распады – это естественные радиоактивные превращения.

Что опаснее альфа бета или гамма излучение?

Гамма-излучение для человека считается самым опасным. Альфа-излучение, хотя и обладает малой проникающей способностью, опасно в случае попадания альфа-частиц непосредственно в организм человека (в легкие или пищеварительную систему).

Альфа-распад

Явление α-распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают α-частицы. (A,Z) → (A-4, Z-2) + 4He.

Характерные особенности α‑распада:

  1. α-распад происходит на тяжелых ядрах с Z >60.
  2. Периоды полураспада известных α-радиоактивных ядер варьируются в широких пределах. Так, изотоп вольфрама 182W имеет период полураспада T1/2 >8.3·1018 лет, а изотоп протактиния 219Pa – T1/2 = 5.3·10-8 c.

Энергия a-распада Qα = [M(A,Z) – M(A-4, Z-2) – mα]c2. (10.1)

Так как mα< M(A,Z) и mα< M(A-4, Z-2), то Qα >0. Энергия α-распада заключена в пределах 4 – 9 МэВ. Время жизни α-радиоактивных ядер изменяется в очень широких пределах от 10-7 с до 1017 лет.

Бета-распад

Бета-распад – это самопроизвольное превращение ядра, в результате которого его заряд изменяется на ±1, а массовое число остается неизменным. Существует три типа β-распада: β- (n → p + e- + νe), β+ (p → n + e+ + νe), e-захват (p + e- → n + νe).

Условия, при которых возможны различные типы β-распада: β- (n → p + e- + νe), M(A, Z) >M(A, Z+1) + me, β+ (p → n + e+ + νe), M(A, Z) >M(A, Z-1) + me, e-захват (p + e- → n + νe), M(A, Z) + me >M(A, Z-1).

Энергия β-распада, выраженная через массы ядер, Qβ± = [Mядр(A,Z) − Mядр(A,Z±1) − me]c2, Qe = [Mядр(A,Z) − Mядр(A,Z-1) + me]c2. (10.4)

Она заключена в интервале от 18.61 кэВ для распада трития (3H → 3He + e- + e) до 13.4 МэВ для распада тяжелого изотопа бора (12B → 12C + e- + e). При прочих равных условиях отношение вероятностей wl и w0 вылета пар лептонов с относительным орбитальным моментом leν = l и leν = 0: wl/w0 ≈ (R/)2l. (10.5)

Типичные энергии β-распада Qβ ≈ 1 МэВ. При R ≈ 5 Фм R/ = R·p/ћ ≈ R·Qβ/ћc ≈ 0.02. Это объясняет наблюдающееся снижение вероятности β-распада на несколько порядков при возрастании на единицу leν. В результате β-распада ядра (A,Z+1) и (A,Z-1) могут образоваться в возбужденном состоянии. Если энергия возбужденных ядер (A,Z+1), (A,Z-1) больше энергии отделения протона или нейтрона, из этих состояний может происходить испускание протонов или нейтронов. Испускание протонов и нейтронов происходит практически мгновенно после того, как произошел предшествующий β-распад.

Гамма-распад

Явление γ-распада ядер состоит в том, что ядро испускает γ‑квант без изменения массового числа А и заряда ядра Z. Гамма-излучение возникает при распаде возбужденного состояния ядра. Спектр γ-излучения всегда дискретен из-за дискретности ядерных уровней.

Гамма-переходы происходят между ядерными состояниями, характеризующимися определенными значениями спина J и чётности P. Поэтому испускаемые γ-кванты также имеют определённые значения JP. ƒ = i + γ или |Ji − Jf| ≤ Jγ ≤ Ji + Jf, Pf = Pi ·Pγ или Pγ = Pi · Pf. (10.6)

В зависимости от чётности при определенном J фотоны различают по типу на магнитные (MJ) и электрические (EJ): P = (-1)J+1 − магнитные фотоны (МJ); P = (-1)J − электрические фотоны (ЕJ).

Вероятности вылета (или поглощения) магнитных и электрических фотонов подчиняются следующим приближенным соотношениям (10.7)

Для записи закона радиоактивного распада будем считать, что в начальный момент времени () число радиоактивных ядер . Через промежуток времени, равный периоду полураспада, это число будет , еще через такой же промежуток времени — (рис. 218). Спустя промежуток времени, равный n периодам полураспада , радиоактивных ядер останется: 1. Это соотношение выражает закон радиоактивного распада, который можно сформулировать следующим образом: число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает с течением времени по закону, представленному соотношением (1). Закон радиоактивного распада позволяет найти число нераспавшихся ядер в любой момент времени. Полученное выражение хорошо описывает распад радиоактивных ядер, если их количество достаточно велико.