§ 5.1. Радионуклиды, как источники излучений

Источники первой группы представляют собой нуклиды, обладающие радиоактивностью. Нуклидом называют атом с определенным числом протонов и нейтронов в ядре. Каждое ядро X характеризуется определенной атомной массой, зарядом и энергией и обычно представляется в виде ^А_ZX, где Z — атомный номер, равный числу протонов в ядре и соответственно числу электронов в оболочках; А — массовое число, равное сумме чисел протонов и нейтронов, т. е. числу нуклонов в ядре. Причина различия атомов химических элементов состоит в разнице числа протонов в ядре, при этом разница в числе нейтронов не сказывается на химических свойствах атомов. Атомы, различающиеся только числом нейтронов в ядре, называются изотопами химического элемента. Следовательно, каждый нуклид является изотопом соответствующего элемента. Атомы, ядра которых содержат одинаковое число нейтронов, но разное число протонов называются изотонами. Атомы с одинаковыми массовыми числами, но различающиеся протон-нейтронным составом, называются изобарами. Радиоактивные нуклиды – это нуклиды, имеющие радиоактивные или нестабильные ядра. Радиоактивные ядра являются неустойчивыми нуклонными системами и, как принято говорить, испытывают радиоактивный распад. К радиоактивному распаду ведет самопроизвольное, спонтанное изменение хотя бы одной из характеристик нуклида.

Степень стабильности или радиоактивности нуклидов и характер распада радиоактивных ядер зависит от соотношения в их ядрах числа нейтронов и протонов. Так, к категории наиболее устойчивых относятся нуклиды с четным числом протонов и четным числом нейтронов, напротив, наименее устойчивыми являются нуклиды с нечетным числом нейтронов и протонов. Отсюда переход при β-распаде от нечетно-нечетных нуклидов к четно-четным является предпочтительным, как переход от нестабильного состояния к более стабильному, что свидетельствует о частоте таких переходов в природе. Кстати, четность числа нейтронов в составе тяжелых ядер определяет их способность делиться под действием нейтронов.

П риведенная на рис.5.1 диаграмма стабильности нуклидов показывает, что при А<40 к категории стабильных относятся нуклиды, имеющие одинаковое число нейтронов и протонов в ядре, что объясняется действием ядерных сил. Для ядер с большими А это правило нарушается за счет кулоновского отталкивания многих протонов в ядре. Причем для тяжелых ядер влияние кулоновского отталкивания становится настолько значительным, что энергия связи двух протонов и двух нейтронов в ядре

Рис.5.1 Диаграмма нейтрон-протонного состава стабильных и долгоживущих нуклидов Обозначено: - стабильный, - неустойчивый в отношении α- и β-распада

становится меньше энергии связи этих частиц в ядре ⁴Не, что приводит к тому, что все более тяжелые ядра становятся неустойчивыми к α-распаду. Если ядро имеет протон-нейтронный состав, не совпадающий с составом какого-либо стабильного ядра, то оно претерпевает β-распад, при этом ядра, имеющие избыток нейтронов по сравнению со стабильным, являются β^—активными, а имеющие избыток протонов – β⁺-активными. Из известных к настоящему времени более 1700 видов ядер только около 270 являются стабильными, остальные нестабильны и подвержены радиоактивному распаду, т.е. являются радиоактивными.

При радиоактивном распаде происходит испускание различных видов ионизирующих излучений: альфа-, бета-, гамма-излучение, излучение позитронов, нейтронов, нейтрино. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называют материнским, а ядро-продукт – дочерним. Если дочерний продукт является нестабильным, то он может выступать в качестве материнского при своем распаде; так формируется цепочка дочерних продуктов.

Радиоактивные превращения ядра характеризуются временем протекания распада, видом и энергией испускаемых частиц. Радиоактивность ядер, существующих в природных условиях, называют естественной. Радиоактивные ядра, синтезированные в лабораторных условиях искусственными способами посредством ядерных реакций, называются искусственными.

По физической природе искусственные радиоактивные ядра ничем не отличаются от естественных и такое разделение условно, так как свойства ядер данного радиоактивного нуклида не зависят от способа его образования. Основным критерием здесь является характерное время жизни ядер. Естественные радиоактивные ядра образовались в процессе эволюции Вселенной и существуют в заметных количествах в настоящее время потому, что имеют время жизни, превышающее возраст Земли, или же сравнимое с ним. Остальные естественные радиоактивные ядра распались в процессе эволюции Земли.

Впервые радиоактивность природных солей урана была обнаружена А. Беккерелем в 1896 г. Искусственная радиоактивность синтезируемых ядер была открыта Ф. и И. Кюри в 1934 г.

Одними из основных характеристик радионуклидов, независимых от вида испускаемого излучения, являются: активность и временные параметры радиоактивных превращений. В большинстве практических случаев такие радионуклидные источники излучают частицы или γ-кванты равновероятно во всех направлениях, т.е. относятся к изотропным в каждой точке пространства.