Радиоактивность

Практически 90 % из узнаваемых 2500 атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно преобразуется в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер именуется радиоактивностью. У огромных ядер непостоянность появляется вследствие конкуренции меж притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Не существует размеренных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209.

Но радиоактивными возможно окажутся и ядра атомов с значительно наименьшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит существенно больше протонов, чем нейтронов, то непостоянность обуславливается излишком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержали бы большой излишек нейтронов над числом протонов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превосходит массу протона. Повышение массы ядра приводит к повышению его энергии. Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем, который нашел, что соли урана испускают неведомое излучение, способное просачиваться через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. Через два года французские физики М. и П. Кюри нашли радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний  Радиоактивность
и радий  Радиоактивность
В следующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частички 3-х видов: положительно и негативно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. На рис. 9.7.1 изображена схема опыта, позволяющая найти непростой состав радиоактивного излучения. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отличия в обратные стороны, при этом β-лучи отклоняются существенно больше. γ-лучи в магнитном поле вообщем не отклоняются.

Схема опыта 1
Набросок 9.7.1. Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный продукт, Ф – фотопластинка,  Радиоактивность
– магнитное поле.

Эти три вида радиоактивных излучений очень отличаются друг от друга по возможности ионизировать атомы вещества и, как следует, по проникающей возможности. Меньшей проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при обычных критериях α-лучи проходят путь в несколько см. β-лучи еще меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия шириной в несколько мм. Большей проникающей способностью владеют γ-лучи, способные проходить через слой свинца шириной 5–10 см. Во 2-м десятилетии XX века после открытия Э. Резерфордом ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность – это свойство атомных ядер. Исследования проявили, что α-лучи представляют поток α-частиц – ядер гелия  Радиоактивность
, β-лучи – это поток электронов, γ-лучи представляют собой коротковолновое электрическое излучение с очень малой длиной волны λ < 10–10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными качествами, другими словами является потоком частиц – γ-квантов. Альфа-распад. Альфа-распадом именуется самопроизвольное перевоплощение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При всем этом испускается α-частица – ядро атома гелия  Радиоактивность
. Примером такового процесса может служить α-распад радия:

 Радиоактивность

  Альфа-частицы, испускаемые ядрами атомов радия, использовались Резерфордом в опытах по рассеянию на ядрах томных частей. Скорость α-частиц, испускаемых при α-распаде ядер радия, измеренная по кривизне линии движения в магнитном поле, примерно равна 1,5·107 м/с, а соответственная кинетическая энергия около 7,5·10–13 Дж (примерно 4,8 МэВ). Данная величина просто может быть определена по известным значениям масс материнского и дочернего ядер и ядра гелия. Хотя скорость вылетающей α-частицы громадна, но она все таки составляет только 5 % от скорости света, потому при расчете можно воспользоваться нерелятивистским выражением для кинетической энергии. Исследования проявили, что радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это разъясняется тем, что ядра могут находиться, подобно атомам, в различных возбужденных состояниях. В одном из таких возбужденных состояний возможно окажется дочернее ядро при α-распаде. При следующем переходе этого ядра в основное состояние испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с 2-мя значениями кинетических энергий приведена на рис. 9.7.2.

Энергетическая диаграмма 2
Набросок 9.7.2. Энергетическая диаграмма α-распада ядер радия. Обозначено возбужденное состояние ядра радона  Радиоактивность
Переход из возбужденного состояния ядра радона в основное сопровождается излучением γ-кванта с энергией 0,186 МэВ.

Таким макаром, α-распад ядер в почти всех случаях сопровождается γ-излучением. В теории α-распада подразумевается, что снутри ядер могут создаваться группы, состоящие из 2-ух протонов и 2-ух нейтронов, другими словами α-частица. Материнское ядро является для α-частиц возможной ямой, которая ограничена возможным барьером. Энергия α-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера (рис. 9.7.3). Вылет α-частицы из ядра оказывается вероятным только благодаря квантово-механическому явлению, которое именуется туннельным эффектом. Согласно квантовой механике, есть хорошая от нуля возможность прохождения частички под возможным барьером. Явление туннелирования имеет вероятностный нрав.

Туннелирование ?-частицы 3
Набросок 9.7.3. Туннелирование α-частицы через возможный барьер.

Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Снутри ядер электроны существовать не могут (см. § 9.5), они появляются при β-распаде в итоге перевоплощения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только лишь снутри ядра, да и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут. При распаде нейтрон  Радиоактивность
преобразуется в протон  Радиоактивность
и электрон  Радиоактивность
Измерения проявили, что в этом процессе наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, потому что суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частичка с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новенькая частичка получила заглавие нейтрино (небольшой нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частичка очень слабо ведет взаимодействие с атомами вещества, потому ее очень тяжело найти в опыте. Ионизирующая способность нейтрино настолько мала, что один акт ионизации в воздухе приходится примерно на 500 км пути. Эта частичка была найдена только в 1953 г. В текущее время понятно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона появляется частичка, которая именуется электрическим антинейтрино. Она обозначается эмблемой  Радиоактивность
Потому реакция распада нейтрона записывается в виде

 Радиоактивность

  Аналогичный процесс происходит и снутри ядер при β-распаде. Электрон, образующийся в итоге распада 1-го из ядерных нейтронов, немедля выбрасывается из «родительского дома» (ядра) с большой скоростью, которая может отличаться от скорости света только на толики процента. Потому что рассредотачивание энергии, выделяющейся при β-распаде, меж электроном, нейтрино и дочерним ядром носит случайный нрав, β-электроны могут иметь разные скорости в широком интервале. При β-распаде зарядовое число Z возрастает на единицу, а общее число A остается постоянным. Дочернее ядро оказывается ядром 1-го из изотопов элемента, порядковый номер которого в таблице Менделеева на единицу превосходит порядковый номер начального ядра. Обычным примером β-распада может служить перевоплощение изотона тория  Радиоактивность
возникающего при α-распаде урана  Радиоактивность
в палладий  Радиоактивность

 Радиоактивность

  Вместе с электрическим β-распадом найден так именуемый позитронный β+-распад, при котором из ядра вылетают позитрон  Радиоактивность
и нейтрино  Радиоактивность
. Позитрон – это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Через пару лет позитрон был найден в составе галлактических лучей. Позитроны появляются в итоге реакции перевоплощения протона в нейтрон по последующей схеме:

 Радиоактивность

  Гамма-распад. В отличие от α- и β-радиоактивности γ-радиоактивность ядер не связана с конфигурацией внутренней структуры ядра и не сопровождается конфигурацией зарядового либо массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро возможно окажется в неком возбужденном состоянии и иметь излишек энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием 1-го либо нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада. В любом образчике радиоактивного вещества содержится большущее число радиоактивных атомов. Потому что радиоактивный распад имеет случайный нрав и не находится в зависимости от наружных критерий, то закон убывания количества N(t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить принципиальной статистической чертой процесса радиоактивного распада. Пусть за малый просвет времени Δt количество нераспавшихся ядер N(t) поменялось на ΔN < 0. Потому что возможность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

ΔN = –λN(t)Δt.

  Коэффициент пропорциональности λ – это возможность распада ядра за время Δt = 1 с. Эта формула значит, что скорость  Радиоактивность
конфигурации функции N(t) прямо пропорциональна самой функции.

 Радиоактивность

  Схожая зависимость появляется в почти всех физических задачках (к примеру, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого уравнения приводит к экспоненциальному закону:

N(t) = N0e–λt,

где N0 – изначальное число радиоактивных ядер при t = 0. За время τ = 1 / λ количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза. Величину τ именуют средним временем жизни радиоактивного ядра.  Для практического использования закон радиоактивного распада комфортно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e:

N(t) = N0 · 2–t/T.

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

 Радиоактивность

  Рис. 9.7.4 иллюстрирует закон радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада. 4
Набросок 9.7.4. Закон радиоактивного распада.

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем лучше протекает распад. Так, для урана T ≈ 4,5 миллиардов лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Потому активность радия существенно выше, чем урана. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в толики секунды. При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также возможно окажется нестабильным. Потому вероятны серии поочередных радиоактивных распадов, которые завершаются образованием размеренных ядер. В природе существует несколько таких серий. Более длинноватой является серия  Радиоактивность
состоящая из 14 поочередных распадов (8 – альфа-распадов и 6 бета-распадов). Эта серия завершается размеренным изотопом свинца  Радиоактивность
(рис. 9.7.5).

Схема распада радиоактивной серии 5
Набросок 9.7.5. Схема распада радиоактивной серии  Радиоактивность
Указаны периоды полураспада.

В природе есть еще несколько радиоактивных серий, подобных серии  Радиоактивность
. Известна также серия, которая начинается с нептуния  Радиоактивность
не найденного в естественных критериях, и завершается на висмуте  Радиоактивность
Эта серия радиоактивных распадов появляется в ядерных реакторах. Увлекательным применением радиоактивности является способ датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Более нередко употребляется радиоуглеродный способ датирования. Нестабильный изотоп углерода  Радиоактивность
появляется в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых галлактическими лучами. Маленький процент этого изотопа содержится в воздухе вместе с обыденным размеренным изотопом  Радиоактивность
Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в их скапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После смерти растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в итоге β-распада равномерно преобразуется в азот  Радиоактивность
с периодом полураспада 5730 лет. Методом четкого измерения относительной концентрации радиоактивного углерода  Радиоактивность
в останках старых организмов можно найти время их смерти. Радиоактивное излучение всех видов (альфа, бета, палитра, нейтроны), также электрическая радиация (рентгеновское излучение) оказывают очень сильное био воздействие на живы 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. Потому при работе с хоть каким источником радиации нужно принимать все меры по радиационной защите людей, которые могут попасть в зону деяния излучения. Но человек может подвергаться действию ионизирующей радиации и в бытовых критериях. Суровую опасность для здоровья человека может представлять инертный, тусклый, радиоактивный газ радон  Радиоактивность
Как видно из схемы, изображенной на рис. 9.7.5, радон является продуктом α-распада радия и имеет период полураспада T = 3,82 сут. Радий в маленьких количествах содержится в почве, в камнях, в разных строй конструкциях. Невзирая на сравнимо маленькое время жизни, концентрация радона безпрерывно восполняется за счет новых распадов ядер радия, потому радон может скапливаться в закрытых помещениях. Попадая в легкие, радон испускает α-частицы и преобразуется в полоний  Радиоактивность
который не является химически инертным веществом. Дальше следует цепь радиоактивных перевоплощений серии урана (рис. 9.7.5). По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11 % за счет мед обслуживаний. Вклад галлактических лучей составляет приблизительно 8 %. Общая доза облучения, которую получает человек за жизнь, во много раз меньше максимально допустимой дозы (ПДД), которая устанавливается для людей неких профессий, подвергающихся дополнительному облучению ионизирующей радиацией.