Радиоактивные превращения

Тема 1. Радиоактивность

Лекция1. Радиоактивные превращения

 

    Радиоактивностью называется способность атомных ядер к самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием одной или нескольких заряженных частиц и фотонов. Ядра, обладающие свойством самопроизвольно распадаться, называются радиоактивными, а ядра, не имеющие таких свойств – стабильными. Из более чем 1700 известных в настоящее время нуклидов, только 200 стабильны. Большинство радионуклидов получено искусственно.

    Все встречающиеся в природе элементы с атомными номерами > 83 (висмут) – радиоактивны. Они представляют собой отдельные звенья последовательных превращений – радиоактивные ряды. Существует четыре ряда радиоактивных превращений: три естественных (ряды урана-235, урана-238 (актиноурана, AcU), тория-232) и один искусственный (ряд нептуния). Характерной особенностью трех естественных семейств является наличие в ряду превращений газообразных радиоактивных продуктов – изотопов радона. Как видно из схем превращений, в некоторых случаях возможны два пути перехода одного и того же изотопа в два новых элемента с одной и той же скоростью в результате альфа- и бета-распада. Это так называемые «вилки» – одни и те же ядра с разными вероятностями претерпевают различные типы радиоактивного распада. Более вероятен тот процесс, по которому осуществляется превращение большей доли ядер. Обычно на схемах радиоактивных семейств в случае «вилок» под типом распада в скобках обозначена доля (%) превращающихся ядер.

    Существуют  также радиоактивные элементы не входящие в ряды. Одним из наиболее важных радиоактивных изотопов, не связанных ядерными превращениями с другими, является калий-40 (Т_1/2= 1,3·10⁹; β^-, k-захват). Несмотря на низкую активность и малую распространённость изотопа (около 0,0119%), калий-40 играет не менее важную роль в тепловом балансе Земли, чем уран и торий. Элементов с Т_1/2<10⁸ лет на Земле не существует: они давно «вымерли». Их следы можно обнаружить по стабильным продуктам распада.

    Атомное ядро содержит более 99, 95% всей массы  атома, имеет размеры порядка 10^-12 – 10^-13 см. Атомные ядра состоят из элементарных частиц – протонов и нейтронов, их массы близки между собой. Протон электрически положителен (его заряд равен заряду электрона), нейтрон – электрически нейтрален. Протон и нейтрон, входящие в состав атомного ядра, объединяются под общим названием нуклон. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается через А. Число протонов в ядре называется атомным номером химического элемента (Z, зарядное число). Число  нейтронов в ядре обозначается через N. В нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Химические свойства атома определяются особенностями структуры его электронных оболочек и числом электронов.

    Тип атомного ядра обозначают:

,      

где А  – массовое число; Z – атомный номер химического элемента; N – число нейтронов.

Следовательно,

N + Z = A.

    Ядра  с одним и тем же числом Z, но различным числом А называются изотопами химического элемента с атомным номером Z, например изотопы водорода:

• (Z=1, N=0) – обычный водород, или протий;
• (Z=1, N=1) – тяжёлый водород, или дейтерий;
• (Z=1, N=2) – радиоактивный водород, тритий.

    Ядра  с одинаковыми величинами А, но разным Z называются изобарами. Пример триады изобаров: аргон , калий , кальций .

    Возбуждённое  ядро может находиться в метастабильном состоянии. Это объясняет существование изомеров – ядер с одинаковыми А и Z, но с различным запасом энергии. Наиболее часто явление ядерной изомерии встречается у искусственно радиоактивных изотопов.

    Нуклиды – группы атомов с одинаковыми значениями А и Z. Радиоактивные нуклиды называются радионуклидами.

    К числу радиоактивных явлений  относят:

• α-распад;
• β-превращение;
• γ-излучение;
• нейтронное излучение;
• протонная и двухпротонная радиоактивности;
• кластерная радиоактивность и др.

    Альфа-излучение  – поток ядер гелия  или, иначе, α-частиц. Альфа-частица состоит из двух протонов p и двух нейтронов n:

.

    Следовательно,

• электрический заряд α-частицы равен двум элементарным электрическим зарядам со знаком (+);
• масса равна 4 атомным единицам массы (масса этих частиц превышает массу электрона в 7300 раз);

энергия α-частиц колеблется в пределах 2¸11 МэВ (индивидуальная и постоянная для каждого изотопа). В ядерной физике энергию частиц выражают в электронвольтах [эВ]. Электронвольт – энергия, которую приобретает электрон, проходящий в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В.

    Возникают α-частицы при распаде тяжёлых  ядер. Ядра с порядковым номером  Z больше 82 (₈₂Pb), за редким исключением, альфа-активны. В настоящее время известно более 160 альфа-активных видов ядер.

    Процесс альфа-распада схематично можно  представить так:

где Х  – символ исходного ядра; Y – символ дочернего; Q – излучаемый избыток энергии; А – массовое число; Z – порядковый номер элемента.

    Например,

    При альфа-распаде дочерний элемент  смещается на две клетки влево относительно материнского в периодической системе Д.И. Менделеева.

    Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов ядерного происхождения. Позитрон – элементарная частица, подобная электрону, но с положительным знаком заряда (античастица электрона). Физические параметры электронов ядерного происхождения (масса, заряд) такие же, как и у электронов атомной оболочки. Обозначаются бета-частицы символами β^- или е^-, β⁺ или е⁺.

    Бета-частицы  возникают внутри ядер при  превращении  нейтронов в протоны или протонов в нейтроны. В 1932 г.для объяснения исчезновения энергии Вольфганг Паули (1900-1958) предложил считать, что при β-распаде вместе с электроном (позитроном) вылетает ещё одна частица. Итальянский физик Энрико Ферми (1901-1954) назвал ее нейтрино ( ) – маленький нейтрон (или антинейтрино ( ) – в случае β⁺-распада). Экспериментальное доказательство существования этих частиц было выполнено в 1953-1954 гг.

     Характеристики  нейтрино и антинейтрино:

    1) нейтральные частицы (Z=0);

    2) масса покоя равна нулю;

    3) нейтрино от антинейтрино отличается  направлением спина по отношению  к импульсу. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Таким образом, внутриядерные превращения  имеют следующий вид:

    Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между бета-частицей и нейтрино. Поэтому, в отличие от альфа-частиц, бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии (от нуля до некоторого максимального значения). Если бета-частица вылетает из ядра с большим запасом энергии, то нейтрино испускается с малым количеством энергии и наоборот. Поэтому энергетический спектр бета-излучения сплошной и непрерывный. Средняя энергия бета-частиц в спектре  равна примерно ⅓ их максимальной энергии (рис. 1). Максимальная энергия бета-частиц различных элементов имеет широкие пределы: от 0,015÷0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3÷12 МэВ (жёсткое бета-излучение). Электронный (бета-минус) распад описывается уравнением:

    При этом распаде заряд ядра и, соответственно, атомный номер элемента увеличиваются на единицу, а массовое число остаётся неизменным. То есть, в периодической системе химических элементов дочерний элемент сдвигается на одну позицию вправо относительно исходного. Примером бета-минус распада может служить распад естественного радиоактивного изотопа калия:

    Позитронный (бета-плюс) распад имеет вид:

    При этом заряд ядра и, соответственно, атомный номер элемента уменьшаются на единицу,  а массовое число остаётся неизменным. В периодической системе химических элементов дочерний элемент сдвигается на одну позицию влево относительно материнского.

    Позитронный распад типичен для искусственно полученных изотопов. Например:

.

    Электронный захват (К-захват). Превращение ядра может быть осуществлено путём электронного захвата, когда один из протонов ядра захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего, с ближайшего к нему К-слоя или, реже, с L-слоя, и превращается в нейтрон:

.

    Порядковый  номер нового ядра становится на единицу  меньше порядкового номера исходного  ядра, а массовое число не меняется. Превращение при К-захвате записывают следующим образом:

.

    Например,

.

    Освободившееся  место, которое занимал в К- или L-слое захваченный электрон, заполняется электроном из более удалённых от ядра слоев оболочки атома. Избыток энергии, освободившейся при таком переходе, испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, так как количество протонов в ядре при электронном захвате также уменьшается на единицу.

    Позитронный распад и электронный захват, как правило, наблюдают только у искусственно-радиоактивных изотопов.

    Гамма-излучение – это поток квантов электромагнитной энергии (волн) высокой частоты (рис. 7.2). Физическая природа этих волн такая же, как и у радиоволн, видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, рентгеновского излучения.

    При различных переходах атомов и  молекул из возбужденного состояния в стабильное может также происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.

 

Рис. 1.1. Спектр электромагнитного излучения

    Гамма-кванты испускаются ядрами атомов при альфа- и бета-распаде природных и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- или бета-частицей). Этот избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов (рис. 7.3).

    Рис. 7.2. Образование γ-квантов при радиоактивном

    распаде

• Гамма-кванты лишены массы покоя. Это значит, что фотоны существуют только в движении.
• Они не имеют заряда, поэтому в электрическом и магнитном полях не отклоняются.
• Скорость распространения гамма-квантов в вакууме равна скорости света (3·10¹⁰ см/с).

    Частота колебаний гамма-квантов связана  с длиной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, т. е. частота колебаний обратно пропорциональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от нескольких килоэлектронвольт до 2¸3 МэВ и редко достигает 5¸6 МэВ.

    Гамма-излучатели редко имеют однозначную энергию  квантов (моноэнергетический или монохроматический  спектр). В состав потока гамма-излучения чаще входят кванты различной энергии. Однако «набор» их для каждого изотопа постоянен и образует линейчатый спектр излучения.

    Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100¸150 м.

    Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия ядра с другим ядром, элементарной частице или фотоном, в результате которого образуется одно или несколько новых ядер. Кроме того, ядерная реакция сопровождается излучением фотонов или некоторых элементарных частиц. Первой ядерной реакцией, осуществленной человеком, было превращение азота в кислород (Э. Резерфорд, 1919 г.):