2.6 Радиоактивность

2.6.1 Общая характеристика радиоактивности

Терминология. Атомное ядро является центральной частью атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Ядро состоит из нуклонов (протоны и нейтроны), связанных ядерными силами. Ядро атома, химического элемента X с порядковым (атомным) номером z в периодической системе Д.И.Менделеева содержит z протонов. Общее число нуклонов в ядре обозначается через А, число нейтронов черев /V , следовательно А=z+N , z, -определяет величину положительного заряда ядра и называется зарядовым числом; А - называется массовым числом, поскольку оно характеризует массу ядра. Для обозначения ядер различных элементов используется запись: или . Например: выражение ₄Ве⁹ обозначает ядро атома бериллия, имеющего четыре протона и пять нейтронов.

Разновидности химических элементов, в атомах которых содержится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называется изотопами данного элемента (изотопы имеют одинаковое z, но разное А). Изотопы не всегда являются устойчивыми, стабильными системами. Очень часто они самопроизвольно превращаются в другие изотопы (обычно даже другого элемента). Такие превращения называются радиоактивностью или радиоактивным распадом и сопровождаются испусканием электромагнитного излучения и элементарных частиц (частиц, которым нельзя приписать определённую структуру на современном уровне развития науки). Радиоактивность изотопов, существующих в природе - естественная, а изотопов, полученных в ядерных реакциях - искусственная. Принципиальных различий между ними не существует.

Радиоактивность – естественное свойство атомного ядра. Это вытекает из того, что на него не оказывают никакого воздействия вид химического соединения, агрегатное состояние, большие давления, температуры, электрические и магнитные поля, т.е. все те воздействия, которые могут изменить состояние электронной оболочки. На процесс естественной радиоактивности можно воздействовать лишь путем изменения состояния ядра, например, при облучении ядер нейтронами.

Состав излучения. Установлено, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, имеет сложный состав. Если пропустить узкий пучок радиоактивного излучения через магнитное поле, то пучок расщепляется:

а) на слабо отклоняемый поток положительных частиц (-частицы);

б) сильно отклоняемый пучок отрицательных частит -частицы);

в) неотклоняемый пучок нейтральных частиц (-лучи);

-, -, -лучи обладают различной проникающей и ионизирующей способностью: проникающая способность максимальна для -лучей, минимальна для -лучей, ионизирующая способность минимальна для -лучей, максимальна для -лучей.

Природа излучений. Излучение содержит - - и -лучи только для соединений, которые содержат несколько радиоактивных элементов. Чистый радиоактивный элемент испускает или -, или -лучи, которые могут сопровождаться -лучами. Испускание одного только -излучения наблюдается очень редко.

-лучи представляют собой ядра гелия ₂Не⁴. Это было доказано прямыми опытами Резерфорда и Содди. Газ радон (эманация радия) ₈₀Rn²²², помещенный в запаянном сосуде, испуская -лучи, приводит к появлению спектральных линий гелия. Такие же результаты дает и масс-спектрометрический анализ.

-лучи это поток электронов – они оказывают такое же действие, что и катодные лучи и имеют равный с ними удельный заряд.

-лучи представляют собой поток фотонов большой энергии и, следовательно, характеризуются большой частотой соответствующего волнового процесса. Они имеют такую же природу, как свет или рентгеновы лучи, возникающие при торможении быстрых электронов, созданных в рентгеновских трубках или ускорителях. Они отличаются от -лучей, получаемых в ускорителях, лишь механизмом образования, в остальном они тождественны.

Превращения элементов. Закон смещения. При радиоактивном излучении происходит превращение одних элементов в другие по вполне определенному закону, называемому правилом смещения. Например, в результате радиоактивности радия появляются два газа радон и гелий: радон, распадаясь, дает полоний и гелий и т.д.

При -радиоактивности заряд ядра уменьшается на две единицы (в единицах заряда протона) и массовое число на 4 единицы. Продукт распада помещается в таблице Менделеева на две клеточки левее исходного элемента.

При -распаде массовое число не меняется и заряд увеличивается на единицу — происходит сдвиг вправо в таблице Менделеева на одну клетку.

При -распаде превращения элементов не происходит, но происходит изменение внутренней энергии возбужденного состояния ядра. Правила смещения отражают закон сохранения заряда и массового числа.

Основные типы радиоактивных превращений представлены следующей таблицей:

Типы превращений	z	A	Процесс
-распад	-2	-4
-распад	1	0
+-распад	-1	0
К-захват	-1	0
-излучение	0	0

Закон радиоактивного распада. Радиоактивный распад нестабильных ядер является процессом статистическим. Каждое радиоактивное ядро распадается независимо от остальных ядер. Вероятность распада одного ядра за одну секунду называется постоянной распада и обозначается буквой . Для любого ядра данного изотопа постоянная распада одинакова. Ядра различных изотопов имеют различные постоянные распада.

Если имеется п ядер радиоактивного изотопа с постоянной распада , то за малый промежуток времени dt секунд, число распавшихся из них dn определится так: dn=-ndt; интегрируя, получим закон убывания со временем числа радиоактивных ядер: n_t=п₀e^-t, где n₀ - число радиоактивных ядер в момент времени t=0, n_t - число не распавшихся радиоактивных ядер через t секунд, минус указывает на убывание числа ядер. Промежуток времени, за который число радиоактивных ядер уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т. Период полураспада Т и постоянная распада  связаны соотношением: .

Если использовать параметр Т, то закон распада можно преобразовать к виду, более удобному для расчетов:

,

Если измерять время t в количестве периодов полураспада n, то

что особенно удобно, если проходит целое число периодов полураспада. Среди радиоактивных элементов встречаются распады с самыми разнообразными периодами от миллиардных долей секунды до миллиардов лет.

Число распадов радиоактивных ядер, происходящих в препарате за единицу времени, называется активностью препарата А.

Примеры распадов:

Продукты распада могут быть в свою очередь радиоактивными. Это приводит к появлению радиоактивных цепочек или рядов, в которых один элемент порождает другой (или другие). Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством. Распадающийся элемент называется материнским, образующийся – дочерним. Элемент, начинающий ряд, называется родоначальником. Известны три естественных радиоактивных семейства и одно искусственно полученное радиоактивное семейство.

1. Семейство урана. Родоначальником является – уран ₉₂U²³⁸. Массовые числа элементов этого ряда определяются формулой А=4n+2, где n – целое число, определенное условием: 51n59. Ряд заканчивается стабильным изотопом свинца ₈₂Рb²⁰⁶. К этому семейству относятся такие, например, элементы, как радий ₈₈Ra²²⁶ радон ₈₆Rn²²², полоний ₈₄Ро²¹⁸.

2. Семейство тория. Родоначальником является торий ₉₀Тh²³². Массовое число определяется формулой А=4n (52n58). Ряд заканчивается стабильным изотопом свинца ₈₂Pb²⁰⁸.

3. Семейство актиния или актиноурановое. Родоначальником является изотоп урана ₉₂U²³⁵. Массовое число ряда определяется формулой А=4n+3

(51 n 58). Ряд оканчивается стабильным изотопом свинца ₈₂Рb²⁰⁷.

4. Семейство нептуния. В природе это семейство не встречается; получено искусственно. Названо оно по элементу ₉₄Np²⁴¹. Массовое число этого семейства определяется формулой А=4n+1. Семейство кончается стабильным изотопом висмута ₈₃Вi²⁰⁹, среди членов семейства находится ₉₂U²³³.

Помимо радиоактивных семейств встречаются отдельные радиоактивные элементы, к которым относятся: калий ₁₉К⁴⁰, рубидий ₃₇Rb⁸⁷, самарий ₆₂Sm¹⁵², лутеций ₇₁Lu¹⁷⁶, рений ₇₅Rе¹⁷⁸.

Далее в таблицах приведены характеристики радиоактивных семейств.

Семейство нептуния (получено искусственно)

Элемент	Период полураспада	Вид излучения
Америций 95Am241	500 лет	
Нептуний 93N237	2,25106 лет	
Протактиний 91Pa233	27,4 дня	
Уран 92233	1,6105 лет	
Торий 90Th229	7103лет	
Радий 88Ra225	14,8 дней	
Актиний 89Ac225	10 дней	
Франций 87Fr221	4,8 мин	
Астатин 85At217	0,18 сек	
Висмут 83Bi213	47 мин	
Полоний 84Po213	4,210-6 сек	
Свинец 82Pb209	3,34 сек	
Висмут 83Bi209	Стабилен	

Семейство урана

Название члена ряда	Обозначение члена ряда	Элемент	Период полураспада	Энергия излучения, Мэв
						
Уран UI	UI	Уран 92U238	4,55109 лет	4,21		
Уран X1	UX1	Торий 90Th234	24,1 дня		0,13	0,09
Уран X2	UX2, UZ	Протактиний 91Pa234	1,14 мин		2,32	0,80
Уран UII	UII	Уран 92U234	2,69105 лет	4,75		
Ионий	Io	Торий 90Th230	8,22104 лет	4,66		
Радий	Ra	Радий 88Ra226	1600 лет	4,79		0,19
Радон	Rn	Радон 86Rn222	3,825 дня	5,49		
Радий A	RaA	Полоний 84Po218	3,05 мин	5,99		
Радий B	RaB	Свинец 82Pb214	26,8 мин		0,65	
Радий C	RaC	Висмут 83Bi214	19,7 мин	5,50	3,15	1,8
Радий CI	RaCI	Полоний 84Po214	1,510-4 сек	7,68		
Радий CII	RaCII	Таллий 81Ti210	1,32 мин		1,80	
Радий D	RaD	Свинец 82Pb210	22,2 года		0,025	0,47
Радий E	RaE	Висмут 83Bi210	4,97 дня		1,17	
Радий F	RaF	Полоний 84Po210	139 дней	5,30		
Радий G	RaG	Свинец 82Pb206	Стабилен			

Семейство актиния

Название члена ряда	Обозначение члена ряда	Элемент	Период полураспада	Энергия излучения, Мэв
						
Актиноуран AcU	AcU	Уран 92U235	8,52108 лет	4,52		
Уран Y	UY	Торий 90Th231	24,6 час		0,2	
Пратоктиний	Pa	Протактиний 91Pa231	3.2104 лет	5,05		
Актиний	Ac	Актиний 92Ас227	13,5 лет	5,0	0,22	
Радиактиний	RdAc	Торий 90Th227	18,9 дня	6,05		
Актиний Х	AcX	Радий 88Ra223	11,2 дня	6,72		
Актион	An	Родон 86Rа219	3,92 сек	6,82		
Актиний A	AcA	Полоний 84Po215	1,8310-3 сек	7,36		
Актиний B	AcB	Свинец 82Pb211	236,1 мин		0,5	
Актиний C	AcC	Висмут 83Bi211	2,16 мин	6,62	1,4	0,6
Актиний CI	AcCI	Полоний 84Po211	510-3 сек	7,43		
Актиний CII	AcCII	Таллий 81Ti207	4,76 мин		1,47	
Актиний D	AcD	Свинец 82Pb207	Стабилен			

Семейство тория

Название члена ряда	Обозначение члена ряда	Элемент	Период полураспада	Энергия излучения, Мэв
						
Торий	Th	Торий 90Ер232	1,341010 лет	4,20		
Мезоторий 1	MsYh1	Радий 88Кф228	6,7 лет		0,053	
Мезоторий 2	MsTh2	Актиний 89Ac228	6,13 час	4,5	1,55	
Радиоторий	RdTh	Торий 90Th228	1,90 лет	4,22		
Торий Х	ThX	Радий 88Ra224	3,64 дня	5,68		
Торон	Tn	Радон 86Rn220	54,5 сек	6,28		
Торий А	ThA	Полоний 84Po216	0,158 сек	6,77		
Торий B	ThB	Свинец 82Pb212	10,6 час		0,36	
Торий C	ThC	Висмут 83Bi212	60,5 мин	6,05	2,20	
Торий CI	ThCI	Полоний 84Po212	310-7 сек	8,77		
Торий CII	ThCII	Таллий 81Ti208	31 мин		1,82	2,62
Торий D	ThD	Свинец 82Pb208	Стабилен			