§ 4 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада
Радиоактивность – самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Радиоактивность ядер, встречающихся в природе, называют естественной. Радиоактивность ядер, синтезируемых искусственным путем (с помощью ядерных реакций), называют искусственной. Принципиального различия между искусственной и естественной радиоактивностью нет, их процессы подчиняются одним и тем же закономерностям.
Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. французским физиком Анри Беккерелем. Систематическое изучение естественной радиоактивности было проведено Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри. Искусственная радиоактивность была открыта в 1934 г. Фредериком Жолио-Кюри и Ирен Жолио-Кюри.
Радиоактивность как всякий квантовый
процесс – явление статистическое, так
как одинаковые ядра, находясь в одинаковых
условиях, распадаются за различные
интервалы времени. Радиоактивность
характеризуется величиной
(с–1), которая определяет вероятность
распада ядра в единицу времени. Величину
называют постоянной распада.
Число ядер
,
распавшихся за время
,
прямо пропорционально числу ядер
,
не распавшихся к моменту времени
. (4.1)
Знак минус указывает на то, что
,
так как
является приращением (конечное минус
начальное) количества нераспавшихся
ядер.
Проинтегрируем (4.1)
,
где
– количество ядер в начальный момент
времени (их количество до рассматриваемого
распада).
, 
, 
, 
.
Окончательно получим
, (4.2)
т.е. число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте. Выражение (4.2) и есть закон радиоактивного распада.
Количество ядер, распавшихся за время , равно
.
Периодом полураспада
называют время, в течение которого
распадается половина первоначального
количества ядер. Этот период определим
из (4.2)
, 
, 
, 
.
За интервал времени
,
т.е. от момента времени
до момента
,
число распадающихся ядер равно
(здесь
).
Время жизни каждого из этих ядер равно
.
Сумма времен жизни всего первоначального
количества ядер
определяется выражением
Тогда среднее время жизни радиоактивного ядра равно
.
§ 5 Радиоактивные распады
Типы распадов:
Альфа-распад (
-распад)
сопровождается испусканием
-частиц
.
,
где
– химический символ распадающегося
ядра (материнского ядра),
– химический символ образующегося ядра
(дочернего ядра).
Образующееся ядро находится в возбужденном
состоянии и при переходе в основное
состояние излучается квант большой
энергии (
-квант).
Поэтому чаще всего альфа-распад
сопровождается выделением большого
количества энергии.
Бета-распад. Существуют три разновидности:
1) Позитронный распад (
-распад)
сопровождается испусканием позитрона
(античастицы электрону, отличающейся
от электрона знаком заряда) и элементарной
частицы нейтрино
.
Схема распада:
.
2) Электронный распад (
-распад)
сопровождается испусканием электрона
и антинейтрины
(античастицы нейтрино)
.
3) Электронный захват протекает при поглощении ядром одного из K-электронов (реже одного из L-электронов или из M-электронов) своего атомов. В результате один из протонов превращается в нейтрон, при этом испускается нейтрино:
.
Схема распада:
.
Образующееся ядро может оказаться в возбужденном состоянии. При переходе в более низкие энергетические состояния испускаются гамма-кванты. Кроме того, место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев. В результате этих переходов возникает рентгеновское излучение.
Пример электронного захвата является превращение калия в аргон:
.
Гамма-распад ( -распад) порождается ядрами, находящимися в возбужденном состоянии (помечено *). Гамма-распад сопровождает почти все виды распадов. Схема распада:
,
– гамма-квант (
-квант).