Радиоактивность

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение нестабильных атомов ядер в другие ядра, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. К радиоактивным процессам относятся:

1. α– распад;

2. β- распад (в том числе и электронный захват);

3. γ- излучение атомных ядер;

4. спонтанное деление тяжёлых ядер;

5. протонная радиоактивность.

Естественной называют радиоактивность, наблюдаемую у ядер, существующих в природных условиях. Искусственной называют радиоактивность ядер, полученных в результате ядерных реакций. Между естественной и искусственной радиоактивностью нет принципиальных различий.

Получим основной закон радиоактивного превращения.

Будем считать, что радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга, и распад данного ядра является случайным событием. Обозначим число ядер, имеющихся в момент времени t, символом N, вероятность распада - символомλ. Тогда количество ядер, распадающихся за бесконечно малый промежуток времениdt, будет равно:

(14)

Разделим переменные в уравнении (14), и проинтегрируем полученное выражение:

(16)

Перейдём от логарифма к экспоненте, получим:

(17)

Формула (17) представляет собой основной закон радиоактивного распада.Из него следует, что число нераспавшихся ядер убывает во времени по экспоненциальному закону.

Величина - характерная для радиоактивного вещества константа, она называетсяпостоянной распада. Величинаназываетсясредним временем жизни радиоактивного ядра.

Характеристикой устойчивости ядер является период полураспада - время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Выражение для периода полураспада найдём из условия:

(17)

Период полураспада определится по формуле:

(18)

Период полураспада известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах .

Активностью данного радиоактивного препарата называется число распадов в единицу времени:

(19)

Продифференцируем выражение (19):

(20)

Так как , то окончательно получаем:

(21)

Единицей активности является Беккерель– активность препарата, в котором происходит один распад в секунду:

1Бк = с^-1

Внесистемная единица активности – кюри– это активность1градия:

1Ки = 3.7 ∙10¹⁰ Бк

Часто бывает, что возникающие при превращении ядра также оказываются радиоактивными. Новые продукты также могут быть радиоактивными. Возникает цепочка радиоактивных превращений. В природе существуют три радиоактивные семейства. Родоначальниками их являются:

• (ряд урана);

• (ряд тория);

• (ряд актиноурана).

Конечными продуктами являются во всех случаях изотопы свинца.

Рассмотрим некоторые виды радиоактивного распада.

-распадом называется испускание некоторыми ядрами- частиц. Распад протекает по схеме:

^(22)

Распадающееся ядро называетсяматеринским, а ядро продукта-дочернимядром. Из схемы распада видно, что зарядовое число у дочернего ядра на две единицы, а массовое на четыре единицы меньше, чем у материнского ядра.

-распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром- излучения. Скорости, с которыми- частицы вылетают из распадающегося ядра очень велики (~ 10⁷м/с). Пролетая через вещество,- частица, затрачивает свою энергию на ионизацию молекул вещества и образует ~ 10⁵пар ионов. Чем больше плотность вещества, тем меньше пробег- частиц до остановки. В воздухе пробег- частиц составляет несколько сантиметров, в твёрдом веществе имеет величину меньше миллиметра.

Кинетическая энергия- частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и- частицы. Эксперимент показывает, что радиоактивный элемент испускает несколько групп моноэнергетических- частиц (рис.). Таким образом энергетический спектр- частиц являетсялинейнчатым. Линейчатый спектр энергий- частиц свидетельствует о квантовании энергии атомного ядра.

Если дочернее ядро возникает в основном (невозбуждённом) состоянии, то кинетическая энергия - частиц наибольшая. Если дочернее ядро возникает в возбуждённом состоянии, то энергия- частиц уже меньше.Среднее время жизни возбуждённых состояний большинства ядер составляет величинуЗа это время дочернее ядро переходит в основное или более низкое энергетическое состояние, испуская- фотон.

Рассмотрим кратко механизм -распада.

- частица возникает внутри тяжелых ядер с массовыми числамиА>200. Этому способствует насыщение ядерных сил. Ядро является для

- частицыпотенциальным барьером (рис. ). Внутренняя «сторона» барьера обусловлена действием ядерных сил (притяжение). Наружная сторона барьера обусловлена действием сил кулоновского отталкивания. Высота барьера больше энергии- частицы. Отсюда следует, что вылет- частицы из ядра при его- распаде представляет собой эффект прохождения частицысквозь барьер–туннельный эффект.

- распад. Существуют три разновидности - распада:

1. Электронный (-распад)

2. Позитронный (-распад)

3. Электронный захват.

- распад протекает по схеме:

(23)

- материнское ядро ,- дочернее ядро;- электрон;- электронное антинейтрино. Дочернее ядро имеет зарядовое число на единицу больше, чем материнское. Массовые числа у обоих ядер одинаковы.

- распад может сопровождаться испусканием- квантов. Механизм их возникновения тот же, что и при- распаде, а именно : дочернее ядро возникает не только в основном, но и в возбуждённых состояниях.

Энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при - распаде, – сплошной; это означает, что электроны обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до. Энергиясоответствует разности между массой материнского ядра и массами дочернего ядра и электрона:

(24)

Следовательно, распады, для которых , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии. Возникает вопрос: куда исчезает энергия ?

В 1932 г Паули высказал предположение, что при -распаде вместе с электроном испускается еще одна частица^, она и уносит энергию.

Приведём схемы двух других разновидностей - распада.

- распад протекает по схеме:

(25)

В этом случае дочернее ядро имеет зарядовое число на единицу меньше, чем материнское. Массовые числа у обоих ядер одинаковы. Процесс сопровождается испусканием позитрона и нейтрино. Возможно также возникновение -квантов.

Электронный захват заключается в том, что ядро поглощает один из электронов ближайшей к нему к-оболочки своего атома. В результате этого один из протонов ядра превращается в нейтрон. Схема процесса имеет вид:

(26)

В результате из ядра вылетает только одна частица - нейтрино.

Возникшее ядро может оказаться в возбуждённом состоянии, поэтому процесс сопровождается испусканием - квантов. Место захваченного электрона вк-оболочке заполняется электронами из более удалённых от ядра оболочек. В результате этого возникает характеристическое рентгеновское излучение.

γ-излучение и его свойства

γ-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности. Оно сопровождает процессыα- иβ-распадов и не вызывает изменения зарядового и массового числа ядер.γ-излучение испускается дочерним ядром, которое в момент своего образования оказывается в возбужденном состоянии.

γ-излучение оказывает сильное воздействие на вещество, в частности, на биологические объекты. Основными процессами, происходящими при взаимодействииγ-излучения с веществом являются:

1) фотоэффект (E_γ≤ 0,1 МэВ);

2) комптон-эффект (E_γ~ 0,5 МэВ) ;

3) образование электронно-позитронных пар (E_γ> 1 МэВ) ;

4) ядерный фотоэффект – выброс из ядра нейтрона (E_γ> 7 МэВ).

Действие γ-излучения и других видов ионизирующего излучения оценивается дозой излученияD, которая представляет собой отношение поглощенной энергии излучения к массе облучаемого вещества. Единицей поглощённой дозы излучения являетсягрей:.

Экспозиционная доза излучения D_э– физическая величина, равная отношению суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, освобождёнными в облученном воздухе, к массе этого воздуха. Единицей измерения экспозиционной дозы в системе Си является; внесистемная единица –рентген:.

Доза излучения может быть оценена по ее биологическому воздействию на организм. Единицей биологической дозы излучения является биологический эквивалент рентгена (бэр).1 бэр- доза любого вида излучения, производящая такое же биологическое действие как и дозаγ-излучения в1Р.

1 бэр.

Общая доза радиации, получаемая человеком за год от естественного радиационного фона, составляет около 0,1 бэр. Для человек безопасной считается мощность дозы ≈ в 250 раз превышающая мощность естественного радиационного фона.