4. Радиоактивные свойства вещества

Радиоактивные свойства вещества

Лекции профессора кафедры технических средств таможенного контроля и криминалистики

доктора технических наук Родина Геннадия Александровича

1

Радиоактивность

Радиоактивность - самопроизвольный распад атомных ядер с превращением их в другие ядра, при этом испускаются одна или несколько частиц и электромагнитное излучение (ЭМИ).

Поток этих частиц и ЭМИ называют радиоактивным излучением.

Ионизирующие излучения - любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.

Радиоактивными ядрам являются ядра, время жизни которых можно измерить, и оно лежит от 10-19 сек до 1022 лет.

Большинство радиоактивных ядер в природе не встречаются, а синтезировано в лабораториях.

2

Открытие радиоактивности

1896 г. – открытие радиоактивности А. Беккерелем. 1898 г. – открытие супругами Кюри полония и радия.

1899-1900 гг. – было установлено, что радиоактивное химических элементов излучение неоднородно по своей природе, оно состоит из трех компонент.

1903 г. – Резерфорд и Содди создали общую теорию радиоактивных превращений ядер.

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений.

К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, В – магнитное поле.

В настоящее время известно 3000 ядер.

Из них лишь 264 ядра стабильных.

Остальные испытывают различные формы распада:

•альфа-распад (испускание альфа-частицы, т.е. ядра атома гелия);

•бета-распад (одновременное испускание – электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино);

•электронный захват или К-захват

(поглощение атомарного электрона с

испусканием нейтрино);

гамма-распад (испускание фотона) и другие.

3

Виды ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения, образующиеся при радиоактивном распаде ядер:

•потоки альфа- и бета-частиц, потоки нейтронов (корпускулярное излучение);

•гамма-излучение (фотонное излучение).

Ионизирующиее излучение от других источников:

•рентгеновское излучение или Х-лучи (рентгеновская трубка,

ускорители, солнце);

•ультрафиолетовое излучение (УФ-лампы, электросварка, солнце);

•потоки заряженных частиц: протоны, ядра гелия и тяжелые элементы (ускорители, космическое излучение). При взаимодействии с атмосферой космическое излучение образуют потоки вторичных частиц (мезоны, гамма-кванты, нейтроны и др.).

Рентгеновское излучение (Х-лучи) – электромагнитное излучение с длиной волны от 10-4 до 1000 Å (от 10-14 до 10-7 м).

4

Альфа-распад

Альфа-распад – самопроизвольное испускание тяжелыми ядрами α-частицы (ядра атома гелия):

Z ХA Z-2 Y A-4 + 2He4

Примеры:

94Pu239 92U235 + 2He4 62Sm147 60Nd143 + 2He4

Альфа-распад – процесс внутриядерный.

Ядра, подверженные альфа-распаду:

•тяжелые ядра, следующие за висмутом (А>208);

•ядра редкоземельных элементов (А=140-160);

•изотоп бериллия 4Ве8, живущий 3·10-16 сек.

Скорость α-частиц в воздухе составляет 12 до 20 тыс. км/сек.

Энергия альфа-частиц - 4...9 МэВ (тяжелые элементы), 2...4,5 МэВ (редкоземельные элементы).

Начиная с массового числа 232 у тяжелых ядер вступает в конкуренцию новый процесс распада – спонтанное деление ядер.

Периоды полураспада альфа-активных ядер варьируются в очень широких пределах от 1 мкс (изотоп 86Rn215) до 1,4·1017 лет (изотоп 82Pb204).

5

Характеристики некоторых α-излучателей

	Изотоп	Название	Энергия альфа-частиц,	Период	Дочерний
					изотоп
			МэВ	полураспада
	Ra226	радий-226	4,78 (94,3%);	1620 лет	Rn222
			4,60 (5,7%)
	Ra224	радий-224	5,68 (95%); 5,44 (5%)	3,64 сут.	Rn220
	Rn222	радон-222	5,49 (99%); 4,89 (1%)	3,82 сут.	Po218
	Po218	полоний-218	6,00	3,05 мин.	Pb214
	Po210	полоний-210	5,30	140 сут.	Pb206
	Th228	торий-228	5,42 (72%); 5,34 (28%)	1,91 года	Ra224
	Bi212	висмут-212	6,09	60,5 мин.	Tl208
	U238	уран-238	4,17	4,5·109 лет	Th234
	Am241	америций-241	5,57	432,2 года	Np237

6

Бета-распад

Бета-распад - самопроизвольно испускание ядром электрона е- и
легчайшей электрически нейтральной частицы антинейтрино ν̃ или
нейтрино ν:
ХA →	Z+1	Y A + е-+ ν̃	ХA	→	Z-1	Y A + е++ ν
Z			Z
Примеры бета-распада:
Sr90 Y90 + e- + ν̃			Zn65		29		Cu65 + e+ + ν
38	39		30

В круг β-распадных явлений входит также электронный захват (часто называемый К- захватом):

е- + ZХA → Z-1 Y A + ν

Бета-распад процесс внутринуклонный (в ядре распадается одиночный нуклон): n → p + е- + ν̃

p → n + е+ + ν

Бета-распаду подвержены все ядра во всей области массовых чисел от единицы (свободный нейтрон) и кончая массовыми числами самых тяжелых ядер.

Энергия β-частиц: от 0,02 МэВ (распад трития) до 13,4 МэВ (распад тяжелого изотопа бора 5В12).

При β-распаде распределение энергии между электроном и нейтрино носит случайный характер, поэтому энергия β- частицы может варьировать от нуля до максимально возможной энергии.

Поэтому энергетический спектр β-излучения непрерывный.

Характеристики β -излучения некоторых радионуклидов

	Радионуклид и дочерний					Период полураспада	Граничная энергия	Энергия
								большинства -
	продукт					Т1/2	спектра Еmax, кэВ
								частиц, кэВ
					"чистые" β- излучатели (не имеют гамма-составляющей)
	H3	He3				12,34 года	18,6	5,71
	1		2
	С14				N14	5730 лет	156,1	49,3
	6				7
	P32				S32	14,3 суток	1709	694
	15				16
	S35				Cl35	88 суток	162	49
	16			17
	Ni63				Cu63	100,1 года	66	17
	28			29
	Sr89				Y89	50,55 суток	1489	582
	38				39
	Sr90				Y90	28,6 года	546	196
	38				39
						смешанные β-. γ-излучатели
	K40	Ca40				1,28·109 лет	1314	509
	19		20
	Ca45				Sc45	163 суток	257	77
	20				21
	Со60				Ni60	5,27 года	318	96
	27				28
	Ag110				Cd110	250,4 суток	2893	1197
	47				48
	Cs137				Ba137	30,2 года	512	179,8
	55				56
	Cs134				Ba134	2,06 года	658	210
	55				56
	Sb124				Te124	60,2 суток	2297	379,4
	51				52
	Ce144				Pr144	284,3 суток	316	86
	58				59

8

Гамма-излучение

Гамма-излучение – электромагнитное излучение с длиной волны менее 10-12 м, что много меньше радиуса ядра.

Волновые свойства этого гамма-излучения проявляются слабо, и на первый план выступают корпускулярные свойства.

Образование гамма-излучения происходит при переход ядра в основное (не возбужденное) состояние после испускания α- или β-частиц (или других ядерных реакций) .

Гамма-излучение имеет внутриядерное происхождение (иногда внутринуклонное).

При вылете из ядра γ-кванта не происходит изменения массы ядра А и его

заряда Z:	27	Co60	28	Ni60	+ e- + γ + γ		2
					1
Диапазон энергий гамма-квантов
радиоизотопов: 0,05 -5 МэВ (обычно не более
3 МэВ). Мягкое - до 1 МэВ; жесткое - более
1 МэВ.
Спектр гамма-излучения состоит из одной или,
нескольких линий, каждая из которых
соответствует энергии испускаемых гамма-
квантов.							9

Спектры излучений

Альфа-спектр	Бета-спектр

Гамма-спектры Co-60 и Cs-137

10