2. Радиоактивность. Характеристики радиоактивных излучений

   • Потоков частиц

Единственным реально используемым в информационных методах свойством, проявляющимся без какого-либо воздействия извне, является радиоактивность.

Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер атомов, протекающий с определѐнной вероятностью, характерной для данного радионуклида.

Ядро становится неустойчивым и самопроизвольно распадается при отклонении от соотношения, связывающего атомный номер элемента Z с его массовым числом A: Z=A/(1,98+A^2/3), что, как правило, характерно для тяжѐлых элементов. Этот процесс называется радиоактивным распадом, а элементы с неустойчивыми ядрами – радиоактивными. Различают естественные, встречающиеся в природе, и искусственные (продукты ядерных реакций) радиоактивные элементы.

Известны следующие основные типы радиоактивных превращений: альфа-распад, бета-распад (электронный и позитронный распады, электронный захват), спонтанное деление ядер (имеет подчинѐнное значение и возможно лишь у тяжѐлых ядер). Для естественных радиоактивных элементов в равной мере характерен α-распад и электронный β-распад, для искусственных характерны β-превращения, включая и электронный захват.

И альфа- и бета-распады сопровождаются гамма-излучением.

В табл. 6.1 приведена характеристика различных радиоактивных превращений. Радиоактивный распад протекает с изменением состава и энергетического состояния ядра.

Альфа-распад – это вылет α-частицы (⁴₂ He), сопровождающийся уменьшением заряда ядра Z на две единицы по сравнению с материнским нуклидом. При таком распаде ядра испускают коротковолновое (от десятков до первых сотен кэВ) электромагнитное γ-излучение сравнительно небольшой интенсивности. Начальная кинетическая энергия α-частицы, образовавшейся при распаде ядра при движении еѐ в веществе, вызывает сильную ионизацию атома. Поэтому еѐ проникающая способность весьма низка (десятки микрон).

51

Таблица 6.1

Характеристика различных радиоактивных превращений

Элементы, для

Тип

Схема

которых данный

Вид излучений,

превращений

превращений

тип распада

сопровождающих распад

преобладает

Альфа-распад

Вылет α-частицы

Тяжѐлые

(Z≥83),

α-излучение;

TRс

числом

γ-излучение

нейтронов 84

низкоэнергетическое;

электроны

внутренней

конверсии;

характеристическое

фотонное излучение

Бета-распад

n → p 



~

Благоприятно

β–-излучение

с

электронный

,

при условии

непрерывным

спектром;

где

–

-распад)

(A-Z)/Z>1

γ-излучение

разных

(β

~

 – антинейтрино

энергий;

электроны

внутренней

и парной

конверсии;

характеристическое

фотонное изучение



+

Бета-распад

p → n 

,

Благоприятно

β -излучение

с

позитронный

где

при условии

непрерывным

спектром;

(β+-распад)

(A-Z)/Z≤1

γ-излучение

разных

ν – нейтрино

энергий

Электронный

p  e → n ,

E-захват

γ-излучение

разных

захват

Слабое возбуждение

сопутствует β+-,

энергий;

(E-захват)

ядра

реже β–-распаду

характеристическое

фотонное изучение

Спонтанное

Вылет

двух

Th, U,

n-излучение; γ-излучение;

деление ядер

осколков (два новых

трансурановые

β–-излучение осколков

ядра с

новыми

элементы

массовыми

числами)

и

нейтронов деления

Электронный бета-распад возникает в результате внутриядерного превращения нейтрона в протон, при этом испускается быстрый электрон и антинейтрино.

Если распад позитронный, протон превращается в нейтрон с испусканием положительно заряженного позитрона и нейтрино, порядковый номер элемента уменьшается на единицу.

Энергетический спектр β-частиц непрерывный, максимум кривой распределения энергий β-частиц приходится в среднем на энергию, равную 28 % от максимального уровня энергии β-частиц. При переходе дочерних ядер

52

бета-распада с промежуточных энергетических уровней на основной испускаются γ-кванты с энергией от десятков до тысяч кэВ. Среди естественных радионуклидов основными излучателями γ-квантов являются именно β-излучатели.

При недостатке нейтронов в ядре протон может превратиться в нейтрон в результате захвата электрона обычно с ближайшего к ядру K-уровня. Этот тип распада называют E-захватом. При восполнении образовавшейся вакансии на K-уровень переходит электрон с более высокого уровня, что сопровождается испусканием γ-кванта. Поскольку захват орбитального электрона происходит раньше, чем заполнение образовавшейся вакансии, то испускание γ-кванта относят к конечному ядру.

Длины волн γ-излучения естественных радионуклидов находятся в диапазоне 3,1·10^-11–4,7·10^-13 м, энергия квантов меняется в пределах

0,04-2,6 МэВ (1 МэВ=1,602·10^-13 Дж).

Спонтанное деление ядер возможно у естественно неустойчивых ядер, если Z²/A=50. При этом ядро самопроизвольно раскалывается на два разлетающихся осколка.

Продукты распада радиоактивных элементов также могут распадаться, образуя цепочки радиоактивных элементов, называемых семействами или рядами (урановый, ториевый, актиноурановый ряды).

Излучения и потоки элементарных частиц, испускаемые при самопроизвольном распаде ядер радиоактивных элементов и продуктов их распада, отличаются энергетическими спектрами и интенсивностью.

Естественной радиоактивностью обладают урановые, ториевые руды, а также руды, содержащие природные радиоактивные элементы, такие как

₁₉⁴⁰ K, ⁸⁷₃₇Rb, ¹⁴⁷₆₂Sm и др.

В табл. 6.2 приведены характеристики радиоактивных элементов земной коры.

Наибольший интерес для радиометрического обогащения представляют урановые и ториевые руды.

На рис. 6.1 и 6.2 приведены радионуклиды и спектры их излучения для уранового и ториевого рядов.

53

Рис. 6.1. Радионуклиды уранового ряда и их спектры излучения (²³⁸U – 99,28 % в природном U)

54

Рис. 6.2. Радионуклиды ториевого ряда и их спектры излучения

55

Таблица 6.2

Радиоактивные элементы земной коры и константы их распада

56

• Элементы литофильной группы.

• Средневзвешенная энергия частиц и γ-квантов в группе.

Уран, торий и их дочерние радиоактивные элементы являются источниками различных видов излучения и потоков частиц. Собственно уран и торий испускают α-излучение и низкоинтенсивное γ-излучение, следующие дочерние элементы при распаде испускают β-излучение и слабое γ-излучение. Наиболее интенсивными излучателями семейств урана и тория являются элементы дочерних рядов радия и радиотория, имеющие малую продолжительность жизни.

Все естественные и дочерние радиоактивные элементы имеют различные времена жизни, оцениваемые периодом полураспада, и, следовательно, разные скорости распада.

Задача определения содержаний радиоактивных элементов с использованием радиоактивных излучений весьма сложна, поскольку в руде могут одновременно содержаться в меняющихся соотношениях как родоначальники радиоактивных рядов, так и их дочерние элементы. Каждый из них испускает различные (α-, β-, γ-) виды излучений, отличающиеся интенсивностями испускания и энергетическими спектрами. Поэтому для обеспечения благоприятных условий определения концентраций требуется их радиоактивное равновесие с наиболее интенсивными излучателями соответствующего ряда. Нарушение равновесия снижает эффективность определения содержаний и разделения.

В естественных условиях все радиоактивные элементы приходят в состояние радиоактивного равновесия с продуктами своего распада.

Нарушение радиоактивного равновесия в рядах вызывается растворением и выщелачиванием отдельных элементов, а также частичным удалением газообразных изотопов, таких как ²²²Rn, Tn (²²²Rn), An (²¹⁹Rn). Наиболее часто отмечается нарушение равновесия в урановом ряду, особенно между U, Io (²³⁰Th), изотопами тория, радия. Радиоактивные элементы ряда тория дают труднорастворимые химические соединения, у них также малый срок существования и потому нет условий для избыточного накопления дочерних элементов. Благодаря этому руды тория всегда находятся в состоянии радиоактивного равновесия.

Состояние радиоактивного равновесия между ураном и радием, например, характеризуется коэффициентом равновесия c из выражения

c  ^Ra  2,9 10⁶ ,

_U

где α_Ra, α_U – содержание радия и урана в руде, %.

При c=1 урановая руда равновесная, при c<1 равновесие смещено в сторону урана, при c>1 равновесие смещено в сторону радия.

57