Радиоактивный распад кратко. Радиоактивный распад

ВИДЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии , которая "уносится" с альфа- бета- и гамма-излучениями.

Все радиоактивные элементы подвержены радиоактивным превращениям.
В некоторых случаях у радиоактивного элемента наблюдается альфа- и бета-излучения одновременно .
Чаще химическому элементу присуще или альфа-излучение, или бета-излучение.
Альфа- или бета- излучения часто сопровождаются гамма- излучением.

Испускание радиоактивных частиц называется радиоактивным распадом.
Различают альфа-распад (с испусканием альфа-частиц), бета-распад (с испусканием бета-частиц), термина "гамма-распад" не существует.
Альфа- и бета-распады – это естественные радиоактивные превращения.

Альфа - распад

Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами , т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того, чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией.
При объединении двух протонов и двух нейтронов в альфа-частицу ядерные силы в подобном сочетании (между нуклонами частицы) являются наиболее крепкими, а связи с другими нуклонами слабее, поэтому альфа-частица способна "выйти" из ядра. Вылетевшая альфа-частица уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы.
В результате альфа-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, меньше.

То ядро, которое распадается, называют материнским, а образовавшееся дочерним.
Дочернее ядро оказывается обычно тоже радиоактивным и через некоторое время распадается.
Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор , пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.

Бета-распад

Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы - антинейтрино.
Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения.
Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов .

В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом.

Гамма - распад - не существует

В процессе радиоактивного излучения ядра атомов могут испускать гамма-кванты. Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома.

Гамма излучение зачастую сопровождает явления альфа- или бета-распада.
При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и, когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты (в оптическом или рентгеновском диапазоне волн).

Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается потерей массы и энергии ядра, атома и вещества в целом.
Доказательством того, что радиоактивное излучение несет энергию, является опыт, показывающий, что при поглощении радиоактивного излучения вещество нагревается.

Вспомни тему "Атомная физика" за 9 класс:

Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.

Другие страницы по теме "Атомная физика" за 10-11 класс:

О ЗНАМЕНИТЫХ УЧЕНЫХ

Читая лекции в Монреальском университете, профессор Э. Резерфорд останавливался у доски всегда в одних и тех же местах. Сейчас эти места можно определить при помощи счетчика Гейгера!
___

Памятная надпись , сделанная Полем Дираком на стене кабинета теоретической физики Московского государственного университета, гласит: "Физические законы должны обладать математической красотой ".
___

Э. Резерфорд говорил: "Есть три стадии признания научной истины: первая - когда говорят, что это абсурд, вторая - "в этом что-то есть"..." и третья – «это общеизвестно ».
___

Осенью 1913 года в Брюсселе собралась Конференция Сольвея при Международном физическом институте. На ней присутствовало около 30 виднейших ученых, в том числе Эйнштейн, Линдеман, Рубенс, Ланжевен, Резерфорд и многие другие. Единственной женщиной , присутствовавшей на этом конгрессе была Мария Склодовская – Кюри.

Нуклид является стабильным в отношении радиоактивного распада, если его масса меньше суммы масс всех продуктов, образующихся при предполагаемом распаде. Поэтому радиоактивный распад возможен только в том случае, если сумма масс образующихся продуктов будет меньше массы исходного нуклида. Радиоактивный распад в общем виде можно представить следующим образом:

А (материнский нуклид) = В(дочерний нуклид) + Х (испускаемые частицы) + Q(энергия)

Под энергией подразумевают кинетическую энергию испускаемых частиц и g-квантов. Суммарная энергия Q, выделяющаяся при радиоактивном распаде, определяется разностью масс исходного нуклида и продуктов, образующихся после распада в основном состоянии:

Q=dmc 2 =(mA-mB-mX)c 2 .

Во всех случаях радиоактивного распада соблюдаются законы сохранения массы и заряда.

По типу испускаемых частиц различают следующие виды радиоактивного распада:

1) a-распад;

2) b-распад, который подразделяется на b--распад, b+-распад и электронный захват (ЭЗ);

3) эмиссия 7-квантов, электронов конверсии и электронов Оже;

4) спонтанное деление.

Альфа-распад. Альфа-распаду подвержены ядра многих изотопов (тяжёлых) элементов − урана, радия, тория и др. Возможность α-распада связана с тем, что масса (а значит, и энергия покоя) α-радиоактивного ядра больше суммы масс (суммарной энергии покоя) α-частицы и образующего после α-распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии α-частицы и дочернего ядра. Кинетическая энергия α-частиц у большинства α-радиоактивных ядер находится в небольших пределах 4 − 9 Мэв. Периоды полураспада, наоборот, изменяются очень сильно: от 10-7 сек до 2∙1017 лет.

Бета-распад. В процессе β-распада из радиоактивного ядра самопроизвольно испускается электрон (электронный β-распад) или позитрон (позитронный β-распад), которые возникают в самый момент β-распада (их нет в ядре). Третьим видом β-распада является захват ядром электрона из электронной оболочки своего атома (е-захват). Во всех трёх случаях β-распад сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино. В результате β-распада заряд ядра повышается, β+-распада и е-захвата понижается на единицу. Массовое число ядра остаётся неизменным.

Электронный распад испытывают ядра с избытком нейтронов. Этому типу распада подвержены почти все искусственные и некоторые естественные радиоактивные элементы (С12, К40 и др.)

При электронном распаде вновь образующееся дочернее ядро сохраняет массовое число исходного элемента, а положительный заряд нового ядра в результате превращения нейтрона в протон оказывается на одну единицу больше заряда ядра исходного элемента.

Материнский и дочерний радионуклиды при электронном распаде представляют собой изобары, так как сумма протонов и нейтронов не изменяется.

Позитронный распад испытывают ядра с избытком протонов. Этому типу распада подвержены лишь некоторые искусственные радиоактивные изотопы, например 6С11, в ядре которого при 5 нейтронах содержится 6 протонов. У естественных радиоактивных изотопов позитронный распад не наблюдается.

Электронный захват. Радиоактивные изотопы избавляются от избыточных протонов путём электронного захвата, который наблюдается в случае, когда в ядре недостаточно энергии для позитронного распада. Такое ядро обычно захватывает электроны (е-захват) с ближайшего слоя (К-слоя, иногда L-слоя) и «лишний» протон, соединившись с эти электроном, превращается в нейтрон, испуская нейтрино. Следовательно, е-захват представляет собой процесс, прямо противоположный электронному распаду. В данном случае дочерний элемент так же, как и при позитронном распаде, смещается в периодической системе на одну клетку влево от исходного. На освободившееся в К-слое место перескакивает электрон с L-слоя, на место последнего с М-слоя и т.д. каждый перескок связан с высвобождением энергии, которая и высвечивается с квантами рентгеновского излучения.

Гамма-лучи представляют собой поток γ-квантов, т.е. коротковолновых электромагнитных излучений, испускаемых возбуждёнными атомными ядрами.

В процессе γ-излучения ядро самопроизвольно переходит из возбуждённого состояния в менее возбуждённое или основное. При этом избыток энергии освобождается в виде кванта коротковолнового электромагнитного излучения − γ-кванта. γ-кванты лишены заряда и поэтому не отклоняются электрическим или магнитным полем. Они распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника.

В большинстве случаев γ-источники испускают γ-кванты различной энергии, т.е. они бывают моноэнергетическими. Нуклиды, находящиеся в возбужденном состоянии, могут распадаться, испуская нейтроны или протоны.

Радионуклиды претерпевают самопроизвольный распад и становятся источниками излучений определенного вида и строго определенной для каждого атома энергии. Различают несколько основных типов радиоактивного распада и соответствующие им виды излучения.

1) Альфа (a)-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия (два протона + два нейтрона). Возникает оно в результате альфа-распада, который характерен для радиоактивных изотопов с большим атомным номером. Испускание a-частицы приводит к образованию нового химического элемента, у которого заряд ядра меньше на две единицы и массовое число – меньше на четыре единицы.

2) Бета (b)-излучение представляет собой поток электронов или позитронов. Возникает оно в результате бета-распада ядра атома. Если в ядре есть избыток нейтронов, то один из них распадается с образованием протона, который остается в ядре, электрона, который испускается в виде бета-излучения, а также антинейтрино, не имеющего ни массы, ни заряда, но уносящего из ядра часть энергии. Антинейтрино очень трудно обнаружить, так как оно практически не взаимодействует с веществом.

Позитрон - античастица электрона образуется при распаде ядра с избытком протонов. Такой тип распада встречается гораздо реже, чем b-распад.

3) Гамма (g)-излучение представляет собой поток фотонов или квантов электромагнитного излучения. При наличии в ядре избытка энергии, например, после a- или b-распада, переход ядра из возбужденного состояния в стабильное может происходить путем гамма-изомерного перехода, т.е. с испусканием гамма-квантов. При этом атомный номер элемента и массовое число изотопа остаются прежними, меняется только энергетическое состояние ядра.

Наряду с понятием «ионизирующее излучение» используется термин «радиация». Эти понятия одинаковы по смыслу и являются синонимами.

Энергия излучения, выделяющаяся при радиоактивном распаде ядра атома, несоизмеримо больше энергии обычных химических реакций, которые протекают путем взаимодействия между орбитальными электронами атомов. Единицей измерения энергии ядерных изменений является электрон-вольт (эВ). 1 эВ = 1,6×10-19 Дж.

11) Антиоксиданты. Программа очищения организма от радионуклидов. Конкурентосодержащие продукты питания, препятствующие накоплению 137 Cs и 90 Sr.

Антиоксиданты (антиокислители, консерванты) - ингибиторы окисления, природные или синтетические вещества, способные замедлять окисление.

Наиболее известные антиоксиданты: аскорбиновая кислота (витамин С), токоферол (витамин Е), ß-каротин (провитамин А) и ликопин (в томатах). К ним также относят полифенолы: флавин и флавоноиды (часто встречаются в овощах), танины (в какао, кофе, чае), антоцианы (в красных ягодах).

Почти 90 % из 2500 известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью . У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209 не существует. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и A . Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержат избыток нейтронов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем, который обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. Через два года французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий .

В последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. На рис. 6.7.1 изображена схема эксперимента, позволяющая обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.

Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров. β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Во втором десятилетии XX века, после открытия Э. Резерфордом ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность – это свойство атомных ядер . Исследования показали, что α-лучи представляют поток α-частиц – ядер гелия , β-лучи – это поток электронов, γ-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ < 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов.

Альфа-распад . Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α-частица – ядро атома гелия . Примером такого процесса может служить α-распад радия:

Альфа-частицы, испускаемые ядрами атомов радия, использовались Резерфордом в опытах по рассеянию на ядрах тяжелых элементов. Скорость α-частиц, испускаемых при α-распаде ядер радия, измеренная по кривизне траектории в магнитном поле, приблизительно равна 1,5·10 7 м/с, а соответствующая кинетическая энергия около 7,5·10 –13 Дж (приблизительно 4,8 МэВ). Эта величина легко может быть определена по известным значениям масс материнского и дочернего ядер и ядра гелия. Хотя скорость вылетающей α-частицы огромна, но она все же составляет только 5 % от скорости света, поэтому при расчете можно пользоваться нерелятивистским выражением для кинетической энергии.

Исследования показали, что радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться, подобно атомам, в разных возбужденных состояниях. В одном из таких возбужденных состояний может оказаться дочернее ядро при α-распаде. При последующем переходе этого ядра в основное состояние испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с двумя значениями кинетических энергий приведена на рис. 6.7.2.

Таким образом, α-распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением.

В теории α-распада предполагается, что внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, т. е. α-частица. Материнское ядро является для α-частиц потенциальной ямой , которая ограничена потенциальным барьером. Энергия α-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера (рис. 6.7.3). Вылет α-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому явлению, которое называется туннельным эффектом . Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования имеет вероятностный характер.

Бета-распад . При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут. При распаде нейтрон превращается в протон и электрон

Измерения показали, что в этом процессе наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году Вольфганг Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино . Она обозначается символом Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде

Аналогичный процесс происходит и внутри ядер при β-распаде. Электрон, образующийся в результате распада одного из ядерных нейтронов, немедленно выбрасывается из «родительского дома» (ядра) с огромной скоростью, которая может отличаться от скорости света лишь на доли процента. Так как распределение энергии, выделяющейся при β-распаде, между электроном, нейтрино и дочерним ядром носит случайный характер, β-электроны могут иметь различные скорости в широком интервале значений.

При β-распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным. Дочернее ядро оказывается ядром одного из изотопов элемента, порядковый номер которого в таблице Менделеева на единицу превышает порядковый номер исходного ядра. Типичным примером β-распада может служить превращение изотона тория возникающего при α-распаде урана в палладий

Наряду с электронным β-распадом обнаружен так называемый позитронный β + -распад, при котором из ядра вылетают позитрон и нейтрино . Позитрон – это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей. Позитроны возникают в результате реакции превращения протона в нейтрон по следующей схеме:

Гамма-распад . В отличие от α- и β-радиоактивности, γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада . В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N (t ) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Пусть за малый промежуток времени Δt количество нераспавшихся ядер N (t ) изменилось на ΔN < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N (t ) и промежутку времени Δt :

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада ядра за время Δt = 1 с. Эта формула означает, что скорость изменения функции N (t ) прямо пропорциональна самой функции.

Подобная зависимость возникает во многих физических задачах (например, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого уравнения приводит к экспоненциальному закону:

где N 0 – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. За время τ = 1 / λ количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза. Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра.

Для практического использования закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e :

Величина T называется периодом полураспада . За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Величины T и τ связаны соотношением

Рис. 6.7.4 иллюстрирует закон радиоактивного распада.

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость процесса. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для урана T ≈ 4,5 млрд лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность радия значительно выше, чем урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды.

При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер. В природе существует несколько таких серий. Наиболее длинной является серия состоящая из 14 последовательных распадов (8 α-распадов и 6 β-распадов). Эта серия заканчивается стабильным изотопом свинца (рис. 6.7.5).

В природе существуют еще несколько радиоактивных серий, аналогичных серии . Известна также серия, которая начинается с нептуния не обнаруженного в естественных условиях, и заканчивается на висмуте . Эта серия радиоактивных распадов возникает в ядерных реакторах.

Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом. Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Радиоактивное излучение всех видов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают очень сильное биологическое воздействие на живые организмы, которое заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул, входящих в состав живых клеток. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и клеточные структуры, что приводит к лучевому поражению организма . Поэтому при работе с любым источником радиации необходимо принимать все меры радиационной защиты людей, которые могут попасть в зону действия излучения.

Однако человек может подвергаться действию ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Серьезную опасность для здоровья человека может представлять инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон . Как видно из схемы, изображенной на рис. 6.7.5, радон является продуктом α-распада радия и имеет период полураспада T = 3,82 сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в различных строительных конструкциях. Несмотря на сравнительно небольшое время жизни, концентрация радона непрерывно восполняется за счет новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях. Попадая в легкие, радон испускает α-частицы и превращается в полоний , который не является химически инертным веществом. Далее следует цепь радиоактивных превращений серии урана (рис. 6.7.5). По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11 % за счет медицинских процедур. Вклад космических лучей составляет примерно 8 %. Общая доза облучения, которую получает человек за жизнь, во много раз меньше предельно допустимой дозы (ПДД), которая устанавливается для людей некоторых профессий, подвергающихся дополнительному облучению ионизирующей радиацией.

Изучение радиоактивности убеждает нас в том, что радиоактивные излучения испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов. Это очевидно в отношении частиц, так как в электронной оболочке их просто нет. Ядерное происхождение частиц доказывается химическими опытами. Если частицы испускаются ядрами, то радиоактивность должна приводить к изменению химической природы атома. В самом деле, электрон уносит из ядра единицу отрицательного заряда, т. е. увеличивает положительный заряд ядра на единицу. Ядро будет удерживать вокруг себя уже не , а электронов; радиоактивный атом превратится в атом следующего по порядку элемента периодической системы. И действительно, химические исследования обнаружили, что в веществах, испускающих излучение, накапливаются атомы элемента с порядковым номером, на одну единицу превышающим порядковый номер излучателя.

Испускание частиц также изменяет заряд ядра и потому также должно приводить к изменению химической природы радиоактивного атома. Это предсказание полностью подтверждается опытами.

Итак, испуская излучение, атомы радиоактивного элемента изменяются, превращаясь в атомы нового элемента.

В этом смысле испускание радиоактивных излучений называют радиоактивным распадом. Различают распад - испускание частиц, и распад - испускание частиц.

Так как частица уносит положительный заряд в две единицы и массу в четыре единицы, то в результате распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на две единицы меньше, а массовое число на четыре единицы меньше. Масса частицы ничтожно мала по сравнению с атомной единицей массы; поэтому испускание частицы не изменяет массового числа ядра. Следовательно, в результате распада радиоактивный элемент превращается в элемент с порядковым номером, на единицу большим и с тем же массовым числом.

Эти правила, указывающие смещение элемента в периодической системе, вызванное распадом, называются правилами смещения.

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивного элемента. В случае урана, тория и радия скорость распада настолько мала, что уменьшение числа атомов этих элементов неощутимо даже за промежуток времени в несколько лет. Существует, однако, большое число быстрораспадающихся радиоактивных элементов. Рассмотрим, например, радиоактивный изотоп висмута с массовым числом 210, так называемые (радий ). выделяется из радия, в котором присутствует в крайне малых количествах. Ничтожные по массе количества легко обнаруживаются по интенсивному излучению. Измеряя периодически с помощью газоразрядного счетчика число частиц, испускаемых препаратом в единицу времени, мы обнаружим, что это число постепенно уменьшается. График спадания активности со временем приведен на рис. 388.

Рис. 388. График спадания активности радиоактивного вещества со временем

Как видно из графика, по истечении 5 суток активность равна начальной, через 10 суток - начальной, через 15 суток - начальной и т. д. За каждые 5 суток активность уменьшается вдвое. Но для того, чтобы уменьшить активность вдвое, достаточно разделить препарат пополам. Следовательно, число атомов уменьшается вдвое за каждые 5 суток.

Интервал времени, в течение которого распадается половина атомов радиоактивного вещества, носит название периода полураспада. Таким образом, вещество, распад которого изображен на рис. 388, имеет период полураспада 5 суток. Пусть в начальный момент число атомов радиоактивного вещества равно . Период полураспада этого вещества обозначим . По истечении периодов полураспада, т. е. в момент , число нераспавшихся атомов равно, очевидно,

Подставляя , получим

Наш вывод соотношения (215.1) проведен для промежутков времени , кратных периоду полураспада (т. е. для целых ); можно доказать, однако, что оно справедливо и для любых . Соотношение (215.1), дающее зависимость числа нераспавшихся радиоактивных атомов от времени, называется законом радиоактивного распада.

Период полураспада является одной из основных характеристик радиоактивного вещества. Многочисленные опыты показали, что период полураспада радиоактивного вещества есть строго постоянная величина, которая не может быть изменена такими воздействиями (в доступных нам пределах), как охлаждение, нагрев, давление, магнитное поле, силы химического средства и др. Независимость периода полураспада от внешних условий не должна быть для нас удивительной. Радиоактивный распад есть свойство атомных ядер, а для изменения атомного ядра энергия обычных земных воздействий недостаточна (§208).

Измерение периода полураспада короткоживущих ядер сводится к определению промежутка времени, в течение которого интенсивность излучения спадает вдвое. Период полураспада долгоживущих ядер можно вычислить, измерив число атомов, распадающихся в единицу времени (равное числу испускаемых за это время частиц), и зная полное число атомов в образце. Действительно, доля числа атомов, распадающаяся за некоторое время, зависит от периода полураспада. Чем меньше период полураспада, тем быстрее распад и тем большая доля атомов распадается за то же время.

Измерения такого рода дают для периода полураспада радия величину 1600 лет. Естественно, что за промежутки времени порядка года убыль радия настолько мала, что изменение его активности практически незаметно.

Из геологии известно, что возраст минералов измеряется миллионами лет. За промежутки времени геологического масштаба распад радия должен был бы привести к его полному исчезновению. Очевидно, в природе наряду с распадом происходит образование новых атомов радия. Тот факт, что радий всегда содержится в урановых и только в урановых рудах, наводит на мысль, что источником новых атомов радия служит радиоактивный распад урана.

Уран является радиоактивным веществом, т. е. испускает частицы. Период полураспада урана (точнее, основного изотопа урана с атомной массой 238), измеренный по активности, составляет 4,5 миллиарда лет. Даже по геологической шкале времени распад урана происходит весьма медленно.

распад ядра приводит, согласно правилам смещения, к образованию ядра с зарядом и массовым числом , т. е, изотопа тория . Этот изотоп тория, называемый иначе , (уран-икс-один), также оказывается радиоактивным веществом, испускающим частицы. Продуктом распада оказывается - изотоп элемента протактиния с атомной массой 234, называемый иначе . Этот изотоп опять-таки радиоактивен и т.д. Цепочка последовательных продуктов распада урана, так называемое радиоактивное семейство урана, изображена на рис. 389. Только после 14 следующих друг за другом распадов атом урана превращается в нерадиоактивный или, как говорят, стабильный изотоп свинца .

Распад урана приводит в конечном счете к накоплению свинца. И действительно, урановые руды всегда содержат свинец. В урановых рудах накапливаются, конечно, и все промежуточные продукты цепи распада урана. Радий является пятым продуктом в этой цепи. , о котором шла речь выше, - седьмой продукт в цепи распада радия. Первым потомком радия является - радиоактивный инертный газ радон (называемый иногда эманацией радия).

Накопление радиоактивных продуктов превращения ограничивается их распадом. Чем меньше период полураспада вещества, тем быстрее оно распадается и тем меньше его содержание в материнском веществе (уране или радии).

Всякое радиоактивное превращение связано, как мы знаем, с испусканием либо , либо частицы. Некоторые превращения сопровождаются еще и распад

Помимо семейства урана, в природе существуют еще два радиоактивных семейства. Родоначальником одного из них является торий, родоначальником другого - редкий изотоп урана .

Второй случай рассмотрим на примере распада изотопа Хлора-17, схема которого приведена на рисунке Рис.7.

Из схемы видно, что собственно b -распад Хлора-17 может происходить по трем путям (синие линии).

В первом случае атом дочернего нуклида Аргон-18 образуется в основном состояниии. На этом акт единичного распада завершается.

Во втором случае атом дочернего нуклида образуется в возбужденном состоянии (энергия возбуждения составляет 2,170 МэВ). В возбужденном состоянии атом находится ограниченное время, после чего он переходит в основное состояние, испуская при этом g -квант. Энергия этого кванта в точности равна энергии возбуждения.

В третьем случае атом дочернего нуклида также образуется в возбужденном состоянии (энергия возбуждения составляет 3,77 МэВ). Однако, в отличие от второго случая здесь атом дочернего нуклида может перейти в основное состояние двумя путями.

Во-первых, атом может сразу перейти в основное состояние, испустив g -квант с энергией 3,77 МэВ. Вероятность такого перехода невелика и только 0,06% атомов "идут" по этому пути.

Во-вторых, (по этому пути идет подавляющее большинство атомов - 99,94%) атом может сначала испустить g -квант с энергией 1,60 Мэв и перейти в состояние с меньшей энергией возбуждения, а затем, по истечении некоторого времени, перейти в основное состояние, испуская g -квант с энергией 2,17 МэВ. Такое последовательное испускание g -квантов называется g -каскадом.

Очевидно, что энергетический спектр g -квантов в данном случае будет линейчатым . В спектре будет три линии с энергиями 1,60 МэВ, 2,17 МэВ и 3,77МэВ.

Если атомы дочернего нуклида образуются только в основном состоянии то в этом случае материнский нуклид будет чистым a - или b -излучателем, а g -излучения не будет.

Примером может служить распад Полония-210 (чистый a -излучатель), схема которого приведена на Рис.8.

При эмиссии g -квантов энергия квантов может находиться в пределах от 5 КэВ до 7МэВ, причем нижний предел находится в области характеристического рентгеновского излучения.

Ввиду того, что g -кванты не имеют ни электрического заряда, ни массы покоя испускание g -квантов не приводит к изменению числа нуклонов A и заряда ядра Z .

Кванту с энергией D E , равной разности энергий ядра дочернего нуклида в начальном (возбужденном) E 2 и E 1 конечном (основном или возбужденном с меньшей энергией возбуждения):

D E = E 2 - E 1 = E g

далеко не всегда удается покинуть атом.

Он часто взаимодействует с одним из электронов оболочек атома. Если энергия D E больше энергии связи электрона E св , то электрон имеет шанс покинуть атом. Такие электроны называются электронами конверсии . Очевидно, что энергия таких электронов будет также как и энергия g -квантов дискретной :

E е = E g - E св - E отд

где E отд энергия отдачи дочернего нуклида (см. Рис. 9).

В большиестве случаев электронами конверсии являются электроны ближайшей к ядру К-оболочки. Если же энергия, отданная ядром, меньше E св для электронов К-оболочки, то электроны конверсии отщепляются от внешних оболочек (L, M), где энергия связи меньше.

После отщепления электрона конверсии образуется вакансия, которая заполняется электронами с внешних оболочек. При этом образуется соответствующее рентгеновское излучение, называемое характеристическим К a , К b , L a , ...

Характеристическое рентгеновское излучение может в свою очередь конвертироваться. Испускаемые при этом электроны называют по имени ученого их открывшего электронами Оже.

На Рис.10 приведена схема, поясняющая все сказанное.