2. Радиоактивный распад элементов

1.2.1 Радиоактивность

Каждый элемент периодической системы состоит из нескольких сор­тов атомов. Ядра при одном и том же числе протонов могут иметь раз­личное число нейтронов, а следовательно, разные массовые числа. Нукло­ны с одинаковым атомным номером, но разными массовыми числами называют изотопами. Например, природный уран имеет три изотопа: ²³⁴₉₂U, ²³⁵₉₂U, ²³⁸₉₂U. В настоящее время известно около 1500 изотопов. Одни из них устойчивые (стабильные), другие — неустойчивые, радио­активные. У химических элементов с атомным номером (зарядом ядра) Z < 83 существуют как стабильные, так и радиоактивные изотопы. У элементов с атомным номером Z > 84 имеются лишь радиоактивные изотопы. Такие изотопы называют еще радионуклидами. Радиоактив­ность заключается в том, что ядра радиоактивных элементов обладают способностью самопроизвольно распадаться с испусканием альфа-, бета-частиц и гамма-квантов или путем деления; при этом исходное ядро превращается в ядро другого элемента.

Естественная радиоактивность. В земной коре, воде и воздухе встре­чается около 70 радионуклидов. Последовательность нуклидов, каждый из которых самопроизвольно, благодаря радиоактивному распаду, пере­ходит в следующий до тех пор, пока не будет получен стабильный изо­топ, называется радиоактивным рядом. Исходный нуклид называется материнским, а все остальные нуклиды в ряду называют дочерними. Все они генетически связаны между собой и находятся в определенном соотношении. В природе существуют три радиоактивных ряда (семейст­ва): урана, актиноурана и тория. В природе встречаются и отдельные ра­дионуклиды, не имеющие генетической связи между собой, например:¹⁴₆С, ⁴⁰₁₉К, ⁴⁸₂₀Са, ⁸⁷₃₇Рb и др.

Искусственная радиоактивность. Принципиальной разницы между естественной и искусственной радиоактивностью нет; ядерные превраще­ния можно вызывать с помощью заряженных частиц (протонов, альфа-частиц и др.), фотонного излучения или нейтронов.

Основная масса радиоактивных изотопов получена искусственно в ядерных реакторах и ускорительных установках в результате взаи­модействия ионизирующих излучений со стабильными изотопами.

1.2.2 Превращения атомных ядер

При радиоактивном распаде различают следующие типы превраще­ний: альфа-распад, бета-распад, электронный захват (К-захват) и спонтанное деление.

Альфа-распад. При альфа-распаде радиоактивное ядро испускает альфа-частицу, представляющую собой ядро атома гелия, имеющую двойной положи­тельный заряд и четыре атомные единицы массы, и превращается в ядро, электрический заряд которого меньше первоначального на две единицы, а массовое число меньше первоначального на четыре единицы. Такой про­цесс распада характерен для ядер элементов, расположенных в конце периодической таблицы Менделеева.

Бета-распад. При бета-распаде ядра могут испускать электроны (е^-) или позитроны (е⁺). В зависимости от этого распад будет называться электронным или позитронным. Позитрон в отличие от электрона име­ет положительный заряд, но равную с ним массу. В результате электрон­ного распада массовое число ядра остается без изменения, а заряд увели­чивается на единицу, ядро исходного элемента превращается в ядро с порядковым номером на единицу больше, чем у исходного. В результате позитронного распада массовое число ядра остается также без измене­ния, а заряд уменьшается на единицу; ядро исходного элемента превра­щается в ядро с порядковым номером на единицу меньше, чем у исход­ного. Испускаемые при бета-распаде электроны и позитроны называются бета-частицами. Кроме бета-частиц ядро испускает нейтрино — незаряженную частицу с массой, близкой к нулю.

Альфа- и бета-распад часто сопровождается коротковолновым электромагнитным излучением, по своим физическим свойствам не от­личающимся от жесткого рентгеновского.

Электронный захват. У некоторых радионуклидов атомное ядро за­хватывает электрон с ближайшей к нему К-оболочки. В результате захва­та электрона один из протонов ядра превращается в нейтрон, массовое число ядра остается без изменения, а заряд уменьшается на единицу, т. е. порядковый номер элемента уменьшается на единицу, как и при позитронном бета-распаде. Процесс захвата электрона с К-оболочки атома называют еще К-захватом.

Процесс электронного захвата сопровождается излучением характерис­тического рентгеновского излучения.

Спонтанное деление. При спонтанном делении ядро самопроизвольно распадается на осколки средней массы, которые в свою очередь могут распадаться с испусканием бета-частиц и гамма-квантов. Этот процесс свойствен тяжелым ядрам и сопровождается образованием осколков деления — атомных ядер, имеющих заряды от 30 (⁷²Zn) до 63 (¹⁵⁷Eu) и соответ­ственно массовые числа от 72 до 157.

Все типы ядерных превращений, происходящих при радиоактивном распаде, сопровождаются испусканием ионизирующих излучений.