Радиоактивность

  Радиоактивность (от лат. radio — излучаю, radius — луч и activus — действенный), самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно — изотоп другого элемента). Сущность явления радиоактивность состоит в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем (метастабильном) состоянии. Такие превращения сопровождаются испусканием ядрами элементарных частиц либо других ядер, например ядер 2He (a-частиц). Все известные типы радиоактивных превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий микромира:сильных взаимодействий (ядерные силы) или слабых взаимодействий. Первые ответственны за превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц, например a-частиц, протонов или осколков деления ядер: вторые проявляются в b-распаде ядер. Электромагнитные взаимодействия ответственны за квантовые переходы между различными состояниями одного и того же ядра, которые сопровождаются испусканием гамма-излучения. Эти переходы не связаны с изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной классификации, не принадлежат к числу радиоактивных превращений. Понятие «Радиоактивность» распространяют также на b-распад нейтронов. 
Радиоактивность следует отличать от превращений составных ядер, образующихся в процессе ядерных реакций в результате поглощения ядром-мишенью падающей на него ядерной частицы. Время жизни такого ядра значительно превышает время пролёта падающей частицей расстояния порядка ядерных размеров (10-21—10-22 сек) и может достигать 10-13—10-14 сек. Поэтому условно нижней границей продолжительности жизни радиоактивных ядер считается время порядка 10-12 сек. 
   Открытие Радиоактивность датировано 1896, когда А. Беккерель обнаружил испускание ураномнеизвестного вида проникающего излучения, названного им радиоактивным. Вскоре была обнаружена Радиоактивность тория, а в 1898 супруги М. Кюри и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента — полоний и радий. Работами Э. Резерфорда и упомянутых учёных было установлено наличие 3 видов излучения радиоактивных элементов — a-, b- и g-лучей — и выявлена их природа. В 1903 Резерфорд и Ф. Содди выяснили, что испускание a-лучей сопровождается превращением химических элементов, например превращением радия в радон. В 1913 К. Фаянс (Германия) и Содди независимо сформулировали правило смещения, характеризующее перемещение изотопа в периодической системе элементов при различных радиоактивных превращениях. 
 В 1934 супругами И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри была открыта искусственная Радиоактивность, которая впоследствии приобрела особенно важное значение. 

Из общего числа (около 2000) известных ныне радиоактивных изотопов лишь около 300 природные, а остальные получены искусственно, в результате ядерных реакций.

  Между искусственной и естественнойРадиоактивность нет принципиального различия. В результате изучения искусственной Радиоактивность были открыты новые варианты b-распада — испускание позитронов (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) и электронный захват (Л. Альварес, 1938), предсказанный первоначально Х. Юкавой и С. Сакатой (Япония, 1935). Впоследствии были обнаружены сложные, включающие b-распад, превращения, в том числе испускание запаздывающих нейтронов (Дж. Даннинг с сотрудниками, США, 1939), запаздывающих протонов (В. А. Карнаухов с сотрудниками, СССР, 1962), запаздывающее деление ядер (Г. Н. Флёров с сотрудниками, 1966—71). Предсказана возможность существования запаздывающих излучателей ядер 3H и 3He (Э. Е. Берлович, Ю. Н. Новиков, СССР, 1969). В 1935 И. В. Курчатов с сотрудниками открыли явление изомерии (существование долгоживущих возбуждённых состояний) у искусственно радиоактивных ядер (см. Изомерия атомных ядер). В 1940 К. А. Петржак и Флёров открыли спонтанное деление ядер. Существование протонной активности предполагалось ещё Резерфордом. Перспективы обнаружения 4-го типа Радиоактивность и основные его характеристики изучались Б. С. Джелеповым (1951, СССР) и др. Экспериментально элементарный акт радиоактивного распада с испусканием протонов (из изомерного состояния) впервые наблюдали Дж. Черны с сотрудниками (США, 1970). В 1960 В. И.Гольданский предсказал существование двупротонной Радиоактивность, а в 1971 Гольданский и Л. К. Пекер (СССР) — двунейтронный радиоактивный распад ядер

(только из изомерного состояния). 
Открытие Радиоактивность оказало огромное влияние на развитие науки и техники. Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры вещества. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности и многих др. областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способностихимических элементов к самопроизвольным превращениям. За работы, связанные с исследованием и применениемРадиоактивность, было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии, в том числе А. Беккерелю, П. и М. Кюри, Э.Ферми, Э. Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д. Хевеши, О. Гану, Э. Макмиллану и Г. Сиборгу, У. Либби и др.

  
 
 
 

Закон радиоактивного распада. Единицы радиоактивности. Для процессов радиоактивного распада ядер (и элементарных частиц) характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа активных ядер. Этот закон отражает независимость распада отдельного ядра от остальных ядер. Обычно продолжительность жизни радиоактивных ядер

характеризуют периодом полураспада — промежутком времени T1/2 на протяжении которого число радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое. Поскольку продолжительность жизни отдельного ядра оказывается неопределённой, экспоненциальный закон распада выполняется лишь в среднем, причём тем точнее, чем больше полное число радиоактивных ядер. 
  Основная единица радиоактивности — кюри, первоначально определялась как активность 1 г Ra. В дальнейшем под 1 кюри стали понимать активность радиоактивного препарата, в котором происходит 3,7×1010 распадов в сек. Широко используются дробные единицы (например, мкюри, мккюри) и кратные единицы (ккюри, Мкюри). Другая единица радиоактивности — резерфорд, равна   кюри, что соответствует 106 в сек.

  Все известные виды радиоактивность можно разделить на две группы: элементарные (одноступенчатые) превращения и сложные (двухступенчатые). К первым относятся:

альфа-распад,

все варианты бета-распада(с испусканием электрона, позитрона или с захватом орбитального электрона), спонтанное деление ядер, протонная радиоактивность,двупротонная радиоактивность двунейтронная Радиоактивность.  

В случае b-распада достаточно большое время жизни ядер обеспечивается природой слабых взаимодействий. Все остальные виды элементарных радиоактивных процессов обусловлены ядерными силами. Замедление таких процессов до промежутков времени ³ 10-12 сек вызвано наличием потенциальных барьеров (кулоновского и центробежного), которые затрудняют вылет ядер или ядерных частиц. 
  К двухступенчатым радиоактивным превращениям относят процессы испускания т. н. запаздывающих частиц: протонов, нейтронов, a-частиц, ядер трития и 3He, а также запаздывающее спонтанное деление. Запаздывающие процессы включают в себя b-распад как предварительную стадию, обеспечивающую задержку последующего, мгновенного испускания ядерных частиц.

Таким образом, в случае двухступенчатых процессов критерий

радиоактивность относительно времени жизни удовлетворяется только для

первой стадий, благодаря её осуществлению за счёт слабых взаимодействий. 

  Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:

  • лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;
  • лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали β-лучами (существуют, однако, позитронные бета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);
  • лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.

Альфа-распад

Основная  статья: α-распад

α-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4He).

α-распад, как правило, происходит в тяжёлых  ядрах с массовым числом А≥140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера экспоненциально уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

    .

Пример:

    .

В результате α-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева, массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Бета-распад

Основная  статья: β-распад

Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. β-распад — это проявление слабого взаимодействия.

β-распад (точнее, бета-минус-распад, β − -распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино.

β-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Правило смещения Содди для β − -распада:

Пример:

После β − -распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Существуют  также другие типы бета-распада. В позитронном распаде (бета-плюс-распаде) ядро испускает позитрон и нейтрино. При этом заряд ядра уменьшается на единицу (ядро смещается на одну клетку к началу таблицы Менделеева).

 Позитронный  распад всегда сопровождается конкурирующим процессом — электронным захватом (когда ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу). Однако обратное неверно: многие нуклиды, для которых позитронный распад запрещён, испытывают электронный захват. Наиболее редким из известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для десяти нуклидов, и периоды полураспадов превышают 1019 лет. Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра.

Гамма-распад (изомерный переход)

Почти все ядра имеют, кроме основного  квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра 1H, 2H, 3H и 3He).

 Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьи времена жизни измеряются микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.

Специальные виды радиоактивности:

  • Спонтанное деление

Спонта́нное деле́ние — разновидность радиоактивного распада тяжёлых ядер. Спонтанное деление является делением ядра, происходящим без внешнего возбуждения, и выдаёт такие же продукты, как и вынужденное деление: два осколка и несколько нейтронов. По современным представлениям причиной спонтанного деления являетсятуннельный эффект.

Спонтанное  деление могут испытывать только ядра, содержащее большое количество протонов, а именно:

     , где Z — число протонов, а A — общее число нуклонов.

Для ядер таких  элементов как уран и торий спонтанное деление является очень редким процессом; их ядра намного чаще распадаются другими путями. С увеличением показателя Z2/A доля спонтанно делящихся ядер растёт.

  • Кластерная радиоактивность

Кла́стерная радиоакти́вность, кластерный распад — явление самопроизвольного испускания ядрами ядерных фрагментов (кластеров) тяжелее, чем α-частица.

В настоящее  время экспериментально обнаружено 25 ядер от 114Ba до 241Аm (почти все они — тяжёлые), испускающих из основных состояний кластеры типа 14С, 20О, 24Ne, 26Ne, 28Mg, 30Mg, 32Si и 34Si. Энергии относительного движения вылетающего кластера и дочернего ядра Q меняются от 28 до 94 МэВ и во всех случаях оказываются заметно меньшими высоты потенциального барьера VB. Таким образом, кластерный распад, как и альфа-распад, обусловлен туннельным эффектом — запрещённым в классической физике прохождением частицы сквозь потенциальный барьер. Кластерный распад можно рассматривать как процесс, в некотором смысле промежуточный между альфа-распадом и спонтанным делением ядра.

Кластерная радиоактивность была открыта в 1984 году исследователями Оксфордского университета, которые  

зарегистрировали  испускание ядра углерода 14C ядром радия 223Ra, происходившее через каждый миллиард (109) альфа-распадов.[1]

Известные кластерные распады и их вероятность  по отношению к основной моде распада  материнского ядра приведены в таблице.[2]

Материнское ядро Вылетающий  кластер Относительная вероятность распада
114Ba 12C ~3,0×10−3
221Fr 14C 8,14×10−13
221Ra 14C 1×10−12
222Ra 14C 3,07×10−10
223Ra 14C 8,5×10−10
224Ra 14C 6,1×10−10
226Ra 14C 2,9×10−11
225Ac 14C 6×10−12
228Th 20O 
Ne		 1×10−13 
 ?
230Th 24Ne 5,6×10−13
231Pa 23F 
24Ne		 9,97×10−15 
1,34×10−11
232U 24Ne 
28Mg		 2×10−12 
1,18×10−13
233U 24Ne 
25Ne 
28Mg		 7×10−13 
  
1,3×10−15
234U 28Mg 
24Ne 
26Ne		 1×10−13 
9×10−14 
 
235U 24Ne 
25Ne 
28Mg 
29Mg		 8×10−12 
  
1,8×10−12
236U 24Ne 
26Ne 
28Mg 
30Mg		 9×10−12 
  
2×10−13
236Pu 28Mg 2×10−14
238Pu 32Si 
28Mg 
30Mg		 1,38×10−16 
5,62x10−17 
 
240Pu 34Si 6×10−15
237Np 30Mg 1,8×10−14
241Am 34Si 2,6×10−13
242Cm 34Si 1×10−16

Кластерный  распад кинематически разрешён для  гораздо большего числа тяжёлых  изотопов, однако вероятность в большинстве  случаев настолько мала, что находится  за пределами достижимости для реальных экспериментов. Это вызвано экспоненциальным уменьшением проницаемости потенциального барьера при росте его ширины и/или высоты.

  • Протонная радиоактивность и двухпротонная радиоактивность

Прото́нный  распа́д (протонная эмиссия, протонная радиоактивность) — один из видов радиоактивного распада, при котором атомное ядро испускает протон.

    (A, Z) → (A − 1, Z − 1) + p.

     
     

    Распад  протонно-избыточного ядра А заполняет возбужденные состояния дочернего ядра В путём позитронного распада или электронного захвата (ЕС). Те возбуждённые состояния, которые лежат ниже энергии отделения протона (Sp), распадаются с излучением гамма-квантов в основное состояние дочернего ядра В. Для более высоких состояний существует конкурирующий канал распада с эмиссией протона, называемый задержанным протонным распадом.

      Протонный распад может происходить  из высоких возбужденных состояний  в ядре вслед за бета-распадом (в этом случае процесс называется бета-задержанным протонным распадом) или из основного состояния (или низколежащего изомерного состояния) очень богатых протонами ядер; в последнем случае процесс очень похож на альфа-распад.

    Чтобы протон покинул ядро, энергия отделения  протона должна быть отрицательной — в этом случае протон не связан и туннелирует из ядра за конечное время. Протонная эмиссия не наблюдается у нуклидов, существующих в природе; ядра,

    распадающиеся по этому каналу, могут быть получены путём ядерных реакций, как правило, с использованием какого-либо ускорителя частиц. 
     
     

    Хотя мгновенная (то есть не бета-задержанная) протонная эмиссия наблюдалась из изомерного состояния кобальта-  53 ещё в 1969 году, другие такие протон-излучающие состояния не были найдены до1981 года, когда протонная радиоактивность основного состояниялютеция-151 и тулия-147 была обнаружена в экспериментах в Центре исследований тяжёлых ионов (GSI) в Западной Германии. После этого прорыва исследования в этой области стали бысто развиваться, и на сегодняшний день обнаружено более 25 изотопов, распадающихся из основного (или изомерного) состояния по этому каналу. Изучение протонного распада способствовало исследованию деформаций, массы и структуры ядер, Этот процесс является чистым примером квантового туннелирования (в отличие от альфа-распада, где вероятность распада несколько маскируется вероятностью образования альфа-кластера в ядре и другими побочными факторами).

     В 2002 году впервые наблюдался процесс одновременного излучения двух протонов (двухпротонный распад). Он был обнаружен у изотопажелеза-45 в экспериментах на GSI и GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, возле Кана, Франция). В 2005 году было экспериментально обнаружено, что цинк-54 тоже испытывает двухпротонный распад.

    Не  следует путать протонный распад с распадом протона — гипотетическим процессом, не сохраняющим барионное число.

  • Нейтронная радиоактивность

    Нейтронное  излучение — поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов.

    При неупругих взаимодействиях возникает  вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов.

    При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов очень велика по причине отсутствия заряда и, как следствие, слабого взаимодействия с веществом. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которыми они взаимодействуют. Слой половинного ослабления лёгких материалов для нейтронного излучения в несколько раз меньше, чем для тяжёлых. Тяжёлые материалы, например металлы, хуже ослабляют нейтронное излучение, чем гамма-излучение. Условно нейтроны в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 МэВ), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. Медленные и тепловые нейтроны вступают в ядерные реакции, в результате могут образовываться стабильные или радиоактивные изотопы.

    Лучшими для защиты от нейтронного излучения  являются водородсодержащие материалы. Обычно применяют воду, парафин, полиэтилен. Кроме того, нейтронное излучение  хорошо поглощается бором, бериллием, кадмием, графитом. Поскольку нейтронные излучения сопровождаются гамма-излучениями, необходимо применять многослойные экраны из различных материалов: свинец-полиэтилен, сталь — вода и т. д. В ряде случаев для одновременного поглощения нейтронного и гамма-излучений применяют водные растворы гидроксидов тяжёлых металлов, например, железа Fe(OH)3. 
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

Список  литературы.

  1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1994. — Т. 4. Пойнтинга — Робертсона - Стримеры. 
  2. А.Н.Климов Ядерная физика и ядерные реакторы. — Москва: Энергоатомиздат, 1985.
  3. Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — Москва: Энергоатомиздат, 1982.
  4. И.Камерон Ядерные реакторы. — Москва: Энергоатомиздат, 1987.          
Радиоактивность