1.1.4 Радиоактивность и ее виды. Закон радиоактивного распада. Альфа-, бета- и гамма-распады и их особенности.

Радиоактивностью называют свойства атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра (изменяя Z и А) путем испускания элементарных частиц и различных видов излучения. При одних и тех же закономерностях процессов различают радиоактивность естественную (фон природных неустойчивых изотопов) и искусственную (при инициируемых ядерных реакциях, трансурановые элементы).

Радиоактивный распад происходит:

• из-за избыточности в ядрах числа нейтронов или протонов по сравнению с равновесным соотношением числа нейтронов и протонов в устойчивых ядрах того же нуклида (рис. 1.2.): при Z > 20 N/Z отклоняется от 1 и для последнего стабильного изотопа достигает N/Z = 1,52;

• из-за избыточности энергии у нуклонов ядра по сравнению с их энергией в стабильном ядре.

Закон радиоактивного распада дает зависимость числа радиоактивных ядер от времени N(t). Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, можно считать, что число ядер dN, распадавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально числу ядер N(t), имеющихся в момент времени t и промежутку времени dt: , где λ – постоянная радиоактивного распада данного вида, знак «–» указывает на то, что число ядер уменьшается. Разделим переменные и проинтегрируем , тогда получим закон радиоактивного распада, справедливый для всех видов распада

,

где N₀ – число радиоактивных ядер при t = 0.

Для того чтобы узнать количество распадавшихся за время t ядер N_расп, надо из начального числа ядер N₀ вычесть число ядер, оставшихся спустя время t:

N_расп=N₀-N(T)=N₀(1-e^-λt).

Рис. 1.2. Виды радиоактивного распада (точки – область стабильных

изотопов)

Широко используемая величина в ядерной и реакторной физике такая характеристика радиоактивного распада, как период полураспада. Периодом полураспада Т_1/2 называется время, за которое распадается половина первоначального количества ядер (изменяется в широких пределах от 3·10^–7 с до 5·10¹⁵ лет).

Радиоактивное (вековое) равновесие наступает при условии равенства скоростей распада материнских (или рождения дочерних ядер) и распада дочерних ядер:

Для грубых оценок постоянной распада λ используется ее связь с пробегом -частиц в воздухе, устанавливаемую законом Гейгера–Нэттола: чем больше постоянная распада λ радиоактивного элемента, тем больше пробег R_ в воздухе испускаемых им -частиц

,

где А и В – опытные постоянные, причем В – одинаково для всех радиоактивных семейств.

Интенсивность самопроизвольных ядерных превращений (радиоактивных распадов) характеризуется величиной, называемой активностью. Активностью радиоактивного вещества а называется число распадов в единицу времени, измеряется в беккерелях: 1 Бк = 1 распад/с, внесистемная единица – кюри, 1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк. С учетом закона радиоактивного распада имеем:

.

Используя связь постоянной распада λ и периода полураспада Т_1/2, выражение для активности радиоактивного вещества примет вид:

.

Все виды распада имеют вероятностный характер.

Возникающие в результате радиоактивного распада ядра часто тоже оказываются радиоактивными. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений (семейство), заканчивающихся стабильным элементом. В настоящее время обнаружено четыре радиоактивных ряда (семейства), начинающихся с тория , двух изотопов урана и и нептуния . Эти ряды заканчиваются соответственно стабильными изотопами свинца  для тория и и для изотопов урана, стабильным ядром висмута для нептуния.

Типичным примером -радиоактивного распада является реакция

.

где Q – энергия.

Обобщенная формула -радиоактивного распада материнского X-ядра в дочернее Y-ядро при испускании -частиц (ядер гелия):

.

Альфа-распда наблюдается только у тяжелых ядер (Z>82). Если дочернее ядро X` образуется в возбужденном состоянии, то после испускания a-частицы испускается γ- квант.

Бета-распадом (β-распадом, β-излучением) называется спонтанное внутриядерное превращение нейтрона в протон или наоборот, что сопровождается испусканием электрона и электронного антинейтрино или позитрона и электронного нейтрино:

– электронный или β^–-распад,

– позитронный или β⁺-распад,

при этом материнское и дочернее ядра являются изобарами.

У многих тяжелых ядер возможен третий вид -распада – электронный или K-захват: возбужденное ядро захватывает электрон K-оболочки атома, при этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и нейтрино:

или .

На освободившееся место переходит другой электрон с испусканием кванта рентгеновского излучения, являющегося характеристическим.

Бетта-распад более существен для ядерного реактора по сравнению с альфа-распадом.

Типичными примерами радиоактивного β-распада являются реакции

, , .

Гамма-излучение (-изучение) является наиболее проникающим видом ионизирующего излучения и наблюдается в тех случаях, когда атомное ядро по каким-либо причинам переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, в том числе в основное. -изучение сопровождает α- и β-распады радиоактивных ядер, причем при распаде одного и того же изотопа могут испускаться -кванты различных характерных энергий (частот). При этом диапазон энергий -квантов составляет от 10 кэВ до 5 МэВ.

Кроме процессов испускания ядрами частиц возможно и испускание одними ядрами других ядер – кластерная радиоактивность (1984 г.):

.