Радиоактивность

История изучения ионизирующего излучения

Знакомство человечества с радиацией началось с ее обнаружения в конце XIX века. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген во время экспериментов с электронно-лучевыми трубками открыл рентгеновское излучение. Годом позже Анри Беккерель понял, что соли урана тоже создают какое-то излучение. Новое явление — радиоактивность — начали изучать Пьер и Мария Кюри, а затем и другие ученые, в том числе Эрнест Резерфорд, который в 1899 году открыл несколько типов радиоактивного распада.

Однако исследователи рубежа XIX–XX веков работали, опираясь лишь на Периодическую таблицу Менделеева, на знание о химических элементах, и поэтому многое в явлении ионизирующего излучения еще оставалось непонятным. Лишь в 1930-е годы люди начали активно изучать феномен изотопов, а окончательно все встало на свои места лишь после 1932 года, когда открыли нейтрон и поняли, что протонно-нейтронная модель ядра описывает много физических вопросов, которые давно уже стояли перед наукой.

Типы радиоактивного распада

Рассмотрим виды радиоактивного распада, их особенности, отличия.

Альфа-распад

Альфа-излучение (α) обладает наименьшей энергией и проникающей способностью – почти полностью поглощается алюминиевой плёнкой толщиной 0,05 мм. Отклоняется магнитными и электрическими полевыми образованиями. Представлено потоком ядер гелия с зарядом +2e и массой, как у изотопа 24He. α-распад присущ элементам с массовым числом 52 (теллур) и более тяжёлым. Вследствие число протонов и электронов снижается на четыре, атомный номер – на два.

ZAX Z — 2A — 4Y + α(24He).

Альфа-частица преодолевает потенциальный барьер благодаря туннельному эффекту. Из-за экспоненциальной зависимости этого эффекта от высоты барьера, время полураспада α-частиц стремительно увеличивается с падением их энергии.

Для живых организмов такой тип радиоактивного распада вреден только при проникновении источника излучения в тело. В ином случае тяжелые α-частицы теряют всю энергию через пару сантиметров «путешествия» по воздуху.

Бета-распад

β-распад заключается в самопроизвольном испускании электрона с антинейтрино. В ядрах электронов нет, значит бета-лучи объясняются распадом нейтронов на антинейтрино с электроном и протоном. Последний входит в состав ядра обратно, быстрые электроны – само β-излучение. Явление характерно для ядер с множеством нейтронов.

n  p+ + e- + v_e.

β-лучи отклоняются электромагнитным полем. Ионизирующая способность излучения на два порядка (в сотню раз) ниже, чем в α-частиц, проникающая способность выше – поглощается алюминиевым листом толщиной ~2 мм (в данном случае в 40 раз). Коэффициент отражения лучей зависит от вещества и габаритов тела, с которыми они взаимодействуют.

Встречаются ядра с двойным ββ-распадом, когда их заряд снижается на две единицы.

Гамма-распад

γ-частицы – высокоэнергетическое электромагнитное излучение с длиной волны до 2*10-10 м. Обладает высоким ионизирующим воздействием, значительной проникающей способностью – преодолевает свинцовые пластины толщиной до 5 см, но с магнитными и электрическими полями не взаимодействует. Представлено потоком гамма-квантов. Наблюдается в случае распада элементарных частиц, при протекании ядерных реакций. При облучении живых тканей γ-лучами вызывает лучевую болезнь в тяжелой форме; они убивают раковые клетки, являются прекрасным мутагенным фактором.

Назовите основные виды радиоактивного распада и их различия: образующиеся частицы и их проникающую способность.

Примечания

1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1994. — Т. 4. Пойнтинга — Робертсона — Стримеры. — С. 210. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
2. Манолов К., Тютюнник В. Биография атома. Атом — от Кембриджа до Хиросимы. — Переработанный пер. с болг.. — М.: Мир, 1984. — С. 20—21. — 246 с.
3. Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. — Москва: Энергоатомиздат, 1985. — С. 352.
4. Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — Москва: Энергоатомиздат, 1982.
5. I.R.Cameron, University of New Brunswick. Nuclear fission reactors. — Canada, New Brunswick: Plenum Press, 1982.
6. Камерон И. Ядерные реакторы. — Москва: Энергоатомиздат, 1987. — С. 320.

Ядерный распад

Ядерный распад может также сопровождаться испусканием электромагнитного излучения с высокой энергией.
 

Ядерный распад зависит только от внутренних свойств данного типа атомного ядра. Особенность атомных ядер состоит в том, что они могут распадаться.
 

Ядерный распад, ведущий к испусканию р-лучей, происходит различными путями. Радиоактивные ядра могут рассеивать всю свою энергию превращения при одном единственном переходе. В этом случае получается простой р-спектр. С другой стороны, остаточное ядро может обладать несколькими энергетическими состояниями, на любое из которых возможен переход. В этом случае получается составной — спектр, состоящий из нескольких единичных р-спектров. Такой спектр сопровождается у-излучением, возникающим вследствие переходов в остаточном ядре. Гамма-излучение ядерного происхождения может быть также связано с единичным р-спектром.
 

Продукты ядерных распадов в реакторе имеют незначительную массу.
 

Процесс ядерного распада сравнивается с испарением частиц с поверхности жидкости, а процесс ядерного захвата — с конденсацией пара. Представление об энергетических уровнях, которое было создано для внешней оболзчки атома, может быть перенесено с небольшими изменениями в область ядра.
 

Требования к крупному заполнителю по истираемости.

При ядерном распаде наибольшую опасность для живых организмов представляют Ц — лучи и нейтронное излучение. Для улучшения защитных свойств в их состав вводят добавки карбида бора, хлорида лития, сернокислого кадмия, содержащих легкие элементы — водород, литий, кадмий, бор.
 

В противоположность рассмотренным ранее ядерным распадам и превращениям, радиоактивные процессы являются замедленными, но самопроизвольными ядерными превращениями.
 

Тепло, образуемое ядерным распадом. Дальнейшая информация касается наиболее часто встречаемых источников возгорания.
 

Реакция деления ядра — ядерный распад — сопровождается выделением энергии, которая называется ядерной энергией.
 

В целях использования энергии ядерного распада применяют ядерные энергетические реакторы. Ядерным реактором, или атомным котлом, называется устройство, в котором осуществляется саморегулирующая реакция деления атомных ядер, обеспечиваемая замедлителем и отражателем частиц. Выделяемая в реакторах тепловая энергия воспринимается охладителем-теплоносителем, в дальнейшем направляемым непосредственно в турбогенераторы или в теплообменники, в которых получают пар, идущий в турбины.
 

Появление в атмосфере продуктов ядерного распада создало новую категорию загрязнений, которые также необходимо изучить и оценить.
 

В настоящее время энергия ядерного распада превращается в тепловую и механическую. Проводятся опыты по непосредственному превращению в ядерном реакторе тепловой энергии в электрическую. В СССР создана установка Ромашка, с помощью которой тепловая энергия атомного реактора непосредственно преобразуется в электрическую.
 

Ядерная геохронология базируется на ядерном распаде элементов в минералах и горных породах, что приводит к накоплению определенных продуктов распада в течение геологического времени.
 

Кинетика ( скорость реакции) ядерного распада подчиняется уравнению первого порядка.
 

§ 39. Закон радиоактивного распада

При всем разнообразии реакций самопроизвольного (спонтанного) распада ядер в этом процессе наблюдается общая закономерность, которую можно описать математически. Интересно, что зависимость количества распавшихся ядер от времени задается одной и той же функцией для различных ядер, участвующих в распаде. Перейдем к количественному описанию процессов радиоактивного распада.

Большинство изотопов любого химического элемента превращается в более устойчивые изотопы путем радиоактивного распада. Каждый радиоактивный элемент распадается со своей, присущей только ему «скоростью». При этом для каждого радиоактивного ядра существует характерное время, называемое периодом полураспада , спустя которое в исходном состоянии остается половина имевшихся ядер. Таким образом, периодом полураспада называется промежуток времени, за который распадается половина начального количества  радиоактивных ядер. Другая половина ядер превращается в более устойчивые изотопы посредством распада.Отметим, что период полураспада не зависит от того, в каком состоянии находится вещество: твердом, жидком или газообразном. Кроме того, период полураспада радиоактивного вещества не зависит от его количества, от времени, места и условий, в которых оно находится. Поэтому количество радиоактивных ядер «тогда»  и «сейчас»  непосредственно определяет промежуток времени ,  прошедший с момента уменьшения числа ядер от  до .Невозможно точно предсказать, когда произойдет распад данного ядра. Однако можно оценить среднее число ядер, которые распадутся за данный промежуток времени. Таким образом, закон радиоактивного распада является статистическим и он справедлив только при достаточно большом количестве радиоактивных ядер.

Для записи закона радиоактивного распада будем считать, что в начальный момент времени () число радиоактивных ядер . Через промежуток времени, равный периоду полураспада, это число будет , еще через такой же промежуток времени —  (рис. 218). Спустя промежуток времени, равный n периодам полураспада , радиоактивных ядер останется:

(1)

Это соотношение выражает закон радиоактивного распада, который можно сформулировать следующим образом:

число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает с течением времени по закону, представленному соотношением (1).

Закон радиоактивного распада позволяет найти число нераспавшихся ядер в любой момент времени. Полученное выражение хорошо описывает распад радиоактивных ядер, если их количество достаточно велико.Приведем экспериментальные результаты, которые показывают, что при малом количестве радиоактивных ядер это выражение неприменимо. На рисунке 219 изображен график распада 47 ядер изотопа фермия , период полураспада которого .  Из рисунка 219 видно, что пока ядер было достаточно много — от 47 до 12, то показательная функция хорошо описывала закон распада. Однако при меньшем числе ядер истинная зависимость существенно отличается от показательной функции.Периоды полураспада некоторых радиоактивных изотопов веществ приведены в таблице 11.

Таблица 11. Периоды полураспада радиоактивных изотопов веществ
Вещество	Период полураспада
	30,17 лет
	5,3 года
	8,04 суток
	24 390 лет
	1600 лет
	3,8 суток
	700 млн лет
	4,5 млрд лет

Впервые процесс радиоактивного распада для измерения промежутков времени был использован в 1904 г. Резерфордом. По отношению концентрации урана и его дочернего продукта распада (гелия) он определил возраст урановой породы. Эта работа положила начало ядерной геохронологии — определению возраста различных минералов Земли по радиоактивным долгоживущим веществам. В дальнейшем исследование процессов ядерного синтеза позволило перейти к ядерной космохронологии, т.е. к определению продолжительных промежутков времени, прошедших с момента образования элементов в масштабах Галактики и Вселенной. В основу ядерной космохронологии положена неизменность «скорости» радиоактивного распада. В 1927 г. американский ученый Г. Блюмгарт, используя изотоп  , впервые определил скорость кровотока у людей. В 1934 г. венгерский ученый Дьердь фон Хевеши, используя дейтерий, впервые установил, что в организме человека вода полностью обновляется в течение 14 суток.  В 1943 г. Дьердь фон Хевеши была присуждена Нобелевская премия по химии «за работу по использованию изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов».

Период полураспада радиоактивного вещества

«  Период полураспада  » или период полураспада радиоактивного изотопа — это время, по истечении которого количество ядер этого изотопа, присутствующих в образце, уменьшается вдвое. Обычно обозначается буквой T или t _½ .

Если мы наблюдаем образец радиоактивного материала, через время t _1/2 , этот образец (по определению) потеряет половину своего материала, и останется только половина исходного материала. Но по истечении этого времени дважды потеря дополнительного материала относится только к оставшейся половине, а не к исходной сумме; после двойного t _½ останется половина половины исходного материала, то есть четверть. Точно так же после трехкратного увеличения t _½ останется только (1/2) 3 = 1/8 первоначальной выборки и так далее. После того, как этот период полураспада будет увеличиваться в десять раз, активность снизится в 2 10 = 1024 раза, то есть существенно разделить на тысячу. t _1/2 — время, по истечении которого количество радиоактивных ядер, присутствующих в образце, уменьшается вдвое, но «срок службы» образца намного превышает его «период полураспада»: радиоактивного вещества всегда остается немного, даже после большое количество «периодов полураспада».

Математически закон распада радиоактивного образца можно охарактеризовать следующим образом:

Математическая характеристика периода полураспада и средней продолжительности жизни

Если N (t) представляет собой количество радионуклидов в момент времени t, то:

НЕТ(т12)знак равноНЕТ2знак равноНЕТе-λт12знак равноНЕТепер⁡(12){\ displaystyle N (t_ {1/2}) = {\ frac {N_ {0}} {2}} = N_ {0} e ^ {- \ lambda t_ {1/2}} = N_ {0} e ^ {\ ln (1/2)}}

Сразу выводим:

т12знак равнопер⁡(2)λ{\ displaystyle t_ {1/2} = {\ frac {\ ln (2)} {\ lambda}}}

или же:

λзнак равнопер⁡(2)т12{\ displaystyle \ lambda = {\ frac {\ ln (2)} {t_ {1/2}}}}

где — количество начальных ядер, — радиоактивная постоянная, соответствующая типу ядер.
НЕТ{\ displaystyle N_ {0}}λ{\ displaystyle \ lambda}

Средняя выживаемость

Период полураспада не следует путать со средней продолжительностью t . Это получается с помощью следующих рассуждений: количество ядер, распадающихся в момент t, «проживало» в течение этого времени t или, точнее, в момент t остается N exp (–λ t) ядер. Из них за период времени уничтожаются:

dНЕТзнак равноλНЕТexp⁡(-λт)dт{\ displaystyle dN = \ lambda N_ {0} \ exp (- \ lambda t) dt}.

Следовательно, эти dN имеют срок службы от t до t + dt. Таким образом, мы можем определить среднюю продолжительность жизни всех радионуклидов в выборке (или просто среднюю продолжительность жизни ) следующим образом:

т¯знак равно∫НЕТтdНЕТНЕТ{\ displaystyle {\ overline {t}} = \ int _ {N_ {0}} ^ {0} t {\ frac {dN} {N_ {0}}}}.

Таким образом, учитывая приведенное выше выражение для dN, получаем

т¯знак равноλ∫+∞тexp⁡(-λт)dтзнак равно1λзнак равнот12пер⁡(2)≈1,44 годт12{\ displaystyle {\ overline {t}} = \ lambda \ int _ {0} ^ {+ \ infty} t \ exp (- \ lambda t) dt = {\ frac {1} {\ lambda}} = {\ гидроразрыв {t_ {1/2}} {\ ln (2)}} \ приблизительно 1 {,} 44 \, t_ {1/2}}.

В научной литературе среднее время жизни радиоактивного вещества обычно обозначается греческой буквой τ, поэтому

τзнак равнот¯знак равно1λ{\ displaystyle \ tau = {\ overline {t}} = {\ frac {1} {\ lambda}}}.

Этот срок службы не зависит от размера образца  ; это характерное время рассматриваемого радионуклида, как и его период полураспада . По истечении этого характерного времени τ активность снижается до доли 1 / e от своего начального значения:
НЕТ{\ displaystyle N_ {0}}т12{\ displaystyle t_ {1/2}}

НЕТ(τ)знак равноНЕТexp⁡(-λλ)знак равноНЕТе{\ Displaystyle N (\ тау) = N_ {0} \ ехр (- \ lambda / \ lambda) = {\ frac {N_ {0}} {e}}}.

Можно отметить, что это «время жизни» на самом деле является средним временем выживания атома в образце с начала наблюдения . В случае естественного радионуклида его предыдущая жизнь могла быть намного дольше, иногда составляя миллионы лет и более. Символическим примером является Плутоний 244 , с периодом полураспада 80,8 мега- лет, из которых следы атомов , образованных процессов примитивных звездных взрывов задолго до формирования и эволюции системы находятся в почве Земли. Солнечная , так что там больше 5 Гиг- лет. Эти атомы первоначально имели среднюю выживаемость около 80,8 / Ln (2) = 80,8 x 1,4427 млн ​​лет, или 116,7 миллиона лет; но те, кого мы обнаруживаем сегодня — то немногое, что от них осталось — выжили, по крайней мере, в пятьдесят раз больше. Они выжили благодаря удаче; и в среднем их потенциал выживания, отсчитываемый с сегодняшнего дня, составляет 80,8 мега- лет, как в первый день.

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 (чьё время жизни измеряется 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.

Закон радиоактивного распада

Время, в течение которого претерпевает радиоактивный распад половина ядер данного радиоактивного элемента от первоначального его количества, называется периодом полураспада.

Для разных радионуклидов период полураспада различен, например для

238U – 4,5 млрд. лет, 14 С — 5730 лет,

232 Th — 13 млрд. лет, 226 Ra — 1620 лет,

214 Po – 160 мкс.

Закон радиоактивного распада записывается следующей формулой

N = N 0 * е (- 0,693 t/Т),

где N – количество ядер по истечении времени t; N0 – начальное количество ядер; t – время, в течение которого определяется количество распавшегося вещества; T – период полураспада данного радиоактивного элемента.

Если в начальный момент времени t=0 в радиоактивном препарате содержалось большое число N0 радионуклидов данного типа, то спустя некоторое время t их число уменьшится и станет равным

N = N0 e – lt,

где l — постоянная распада, характеризующая вероятность распада ядра за единицу времени. Эта формула также выражает основной закон радиоактивного распада. Время t можно отсчитать от любого момента, принимаемого за начальный.

Время Т1/2, в течение которого первоначальное число радиоактивных ядер (N0) уменьшается в два раза (N = 1/2N0), называется периодом полураспада. Величины Т ½ и l связаны соотношением

ln 0,693

Т 1/2 = —— = ——— .

l l

Периоды полураспада у различных радионуклидов изменяются в очень широком интервале: от долей секунды до миллиардов лет. Очевидно, что спустя время Т1/2, 2Т1/2, 3Т1/2, 4Т1/2 и т.д. в радиоактивном препарате будет оставаться соответственно 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и т.д. часть первоначального числа радионуклидов (рис. 1).

N

N0

Т1/2 2Т1/2 3Т1/2 4Т1/2 t

Рис. 1. Кривая радиоактивного распада.

Альфа-распад

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

Альфа-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 очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

ZAX→Z−2A−4Y+24He.{\displaystyle {}_{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow {}_{Z-2}^{A-4}{\textrm {Y}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

92238U→90234Th+24He.{\displaystyle {}_{92}^{238}{\textrm {U}}\rightarrow {}_{90}^{234}{\textrm {Th}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Ионизирующее излучение

Излучение — передача энергии с помощью распространения волн или частиц. К ионизирующему излучению относятся электромагнитное излучение и потоки частиц (электронов, позитронов, протонов, дейтонов, альфа-частиц, нейтронов и др.), которые при взаимодействии с веществом ионизируют его атомы и молекулы.

Юлия Кузьмина для ПостНауки

Корпускулярное (альфа-, бета-, нейтронное и другие) излучение представляет собой поток частиц — элементарных частиц и ионов, в том числе частиц ядер атомов. 

Электромагнитное излучение становится ионизирующим, когда энергия кванта излучения превышает 13 электронвольт (эВ) — столько нужно для ионизации атома водорода. Энергии квантов ультрафиолета недостаточно, чтобы серьезно ионизировать глубокие слои вещества, поэтому к ионизирующему излучению относят рентгеновские фотоны и гамма-кванты.

Рентгеновское излучение тормозное. Это электромагнитные волны, появляющиеся в результате резкого торможения электронов либо перехода их с одной орбиты на другую. Энергия рентгеновских квантов обладает широким диапазоном — примерно с 120 эВ до 0,1 МэВ. Гамма-излучение — вершина спектра электромагнитных волн. Оно появляется при ядерных реакциях, радиоактивных распадах. Энергия таких квантов уже превышает 0,1 МэВ. Они могут ионизировать вещество, глубоко проникая в него и воздействуя на десятки, сотни атомов одновременно.

Теория

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, полученных искусственным путём через соответствующие ядерные реакции.

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, и ядро, возникающее в результате этого распада, называют соответственно материнским и дочерним ядрами. Изменение массового числа и заряда дочернего ядра по отношению к материнскому описывается правилом смещения Содди.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада, когда в результате первого этапа распада возникает дочернее ядро в возбуждённом состоянии, затем испытывающее переход в основное состояние с испусканием гамма-квантов.

Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с испусканием нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β+-распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро. Последовательность таких распадов называется цепочкой распадов, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Ядра с одинаковым массовым числом A (изобары) могут переходить друг в друга посредством бета-распада. В каждой изобарной цепочке содержится от 1 до 3 бета-стабильных нуклидов (они не могут испытывать бета-распад, однако не обязательно стабильны по отношению к другим видам радиоактивного распада). Остальные ядра изобарной цепочки бета-нестабильны; путём последовательных бета-минус- или бета-плюс-распадов они превращаются в ближайший бета-стабильный нуклид. Ядра, находящиеся в изобарной цепочке между двумя бета-стабильными нуклидами, могут испытывать и β−-, и β+-распад (или электронный захват). Например, существующий в природе радионуклид калий-40 способен распадаться в соседние бета-стабильные ядра аргон-40 и кальций-40:

1940K+e−→1840Ar+νe,{\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}+e^{-}\rightarrow {}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}+\nu _{e},}

1940K→1840Ar+e++νe,{\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}\rightarrow {}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}+e^{+}+\nu _{e},}

1940K→2040Ca+e−+ν¯e.{\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}\rightarrow {}_{20}^{40}{\textrm {Ca}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}

Альфа-распад

Определение 4

Альфа-распад – это самопроизвольное преобразование атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в иное (дочернее) ядро, в котором содержится число протонов Z–2 и нейтронов N–2, сопровождающееся испусканием α-частицы – ядра атома гелия He24.

Пример 1

Образцом альфа-распада может служить α-распад радия: 

Ra88226→Rn86222+He24

α-частицы, которые испускают ядра атомов радия, Резерфорд применял, проводя экспериментальное рассеивание на ядрах тяжелых элементов. Измерение по кривизне траектории в магнитном поле установило скорость α-частиц, испускаемых при α-распаде ядер радия: порядка 1,5·107 мс. Размер кинетической энергии при этом — примерно 7,5·10–13 Дж (около 4,8 МэВ). Эта величина несложно определяется, когда известны значения масс материнского и дочернего ядер и ядра гелия. Скорость испускаемой α-частицы очень велика, однако она равна лишь 5 % от скорости света, т.е. в расчетах допустимо использовать нерелятивистское выражение для кинетической энергии.

Также результатом исследований стал факт, что радиоактивное вещество способно испускатьα-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Объяснение этому явлению заключается в способности ядер находиться, аналогично атомам, в различных возбужденных состояниях. В одном из таких состояний может оказаться дочернее ядро при α-распаде. Далее ядро переходит в основное состояние, и испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с двумя значениями кинетических энергий указана на рис. 6.7.2.

Рисунок 6.7.2. Энергетическая диаграмма α-распада ядер радия. Продемонстрировано возбужденное состояние ядра радона Rn*86222. При переходе из возбужденного состояния ядра радона в основное происходит излучение γ-кванта с энергией ,186 МэВ.

Итак, α-распад ядра во множестве случаев происходит совместно с γ-излучением.

Теория α-распада также содержит предположение о возможном образовании ядер групп, включающих в себя два протона и два нейтрона, т. е. α-частицу. Материнское ядро служит для α-частиц потенциальной ямой, ограниченной потенциальным барьером. Количество энергии α-частицы в ядре не хватает, чтобы преодолеть данный барьер (рис. 6.7.3).

Определение 5

Испускание α-частицы из ядра возможно лишь благодаря такому квантово-механическому явлению, как туннельный эффект.

Квантовая механика гласит, что существует неравная нулю вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования носит вероятностный характер.

Рисунок 6.7.3. Туннелирование α-частицы сквозь потенциальный барьер.