Виды радиоактивного распада, правила смещения, период полураспада, закон радиоактивного распада, дозиметрия
Явление радиоактивности
Радиоактивностью называют самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивых атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием частиц или электромагнитного излучения. Явление радиоактивности было открыто французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году при исследовании солей урана, а затем детально исследовано супругами Марией и Пьером Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы (полоний и радий). Радиоактивность — процесс полностью самопроизвольный: он не зависит от внешних физических и химических воздействий (температуры, давления, химического соединения, в котором находится радиоактивный атом) и определяется исключительно внутренним строением ядра.
Альфа-распад
Альфа-распадом (α-распадом) называют самопроизвольное превращение ядра, сопровождающееся испусканием α-частицы — ядра атома гелия ⁴₂He (двух протонов и двух нейтронов). При α-распаде массовое число ядра уменьшается на 4, а зарядовое — на 2, что описывается правилом смещения для α-распада:
Альфа-распад характерен главным образом для тяжёлых ядер (обычно с массовым числом A>200), для которых деление на более лёгкие фрагменты энергетически выгодно (в соответствии с формой кривой удельной энергии связи, рассмотренной в предыдущей статье).
Бета-распад
Бета-распадом (β-распадом) называют самопроизвольное превращение одного из нуклонов ядра, сопровождающееся испусканием электрона (или позитрона) и нейтрино (или антинейтрино). При наиболее распространённом β⁻-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона e⁻ и антинейтрино ν̃; при этом массовое число ядра не меняется, а зарядовое число увеличивается на единицу (правило смещения для β⁻-распада):
Важно понимать, что вылетающий при β-распаде электрон не является орбитальным электроном атомной оболочки — он рождается непосредственно в момент распада за счёт превращения нейтрона в протон внутри ядра (что на фундаментальном уровне объясняется слабым взаимодействием между кварками, кратко упомянутым в заключительной статье цикла).
Гамма-излучение
Ядро, образовавшееся в результате α- или β-распада, нередко оказывается не в основном, а в возбуждённом энергетическом состоянии (по аналогии с возбуждёнными состояниями атома, рассмотренными в статье о постулатах Бора, но для ядерных, а не атомных энергетических уровней). Переход такого возбуждённого ядра в основное состояние сопровождается испусканием гамма-излучения (γ-излучения) — высокоэнергетических фотонов, не сопровождающимся изменением состава ядра (ни массового, ни зарядового числа). Гамма-излучение, таким образом, обычно сопутствует α- и β-распаду, но не является самостоятельным видом превращения ядра (см. рис. 1, обобщающий все три вида радиоактивных превращений).
Пример 1: применение правила смещения
Условие. Ядро урана ²³⁸₉₂U испытывает α-распад. Определите состав образовавшегося ядра.
Решение. По правилу смещения для α-распада: A'=238−4=234, Z'=92−2=90 (элемент с зарядовым числом 90 — торий Th). Получаем ²³⁴₉₀Th.
Статистический характер радиоактивного распада
Момент распада конкретного отдельного радиоактивного ядра принципиально непредсказуем — это случайный процесс, подчиняющийся законам квантовой физики, а не классической механики. Однако для очень большого числа одинаковых радиоактивных ядер (а в макроскопическом образце вещества их число огромно, порядка числа Авогадро) статистические закономерности распада проявляются с высочайшей точностью — подобно тому, как результат подбрасывания одной монеты непредсказуем, но доля выпадения орла при очень большом числе подбрасываний предсказуема и близка к 50%.
Закон радиоактивного распада
Основной статистической характеристикой скорости радиоактивного распада служит период полураспада T — время, за которое распадается половина от первоначального количества ядер данного радиоактивного изотопа. Период полураспада — строго индивидуальная характеристика каждого радиоактивного изотопа, изменяющаяся в огромных пределах для разных веществ (от долей секунды до миллиардов лет). Количество нераспавшихся ядер N с течением времени t убывает по экспоненциальному закону — закону радиоактивного распада:
где N₀ — начальное число радиоактивных ядер (при t=0), T — период полураспада данного изотопа. Из формулы видно, что за каждый последующий промежуток времени, равный периоду полураспада, количество нераспавшихся ядер уменьшается ровно вдвое (см. рис. 1), независимо от того, сколько времени прошло с начала наблюдения, — это отражает статистическую независимость распада каждого отдельного ядра от «возраста» всего образца или отдельного ядра.
Пример 2: применение закона радиоактивного распада
Условие. Период полураспада изотопа йода-131, используемого в медицине, составляет 8 суток. Через какое время активность образца этого изотопа уменьшится в 8 раз?
Решение. Уменьшение в 8 раз означает N/N₀=1/8=2⁻³, то есть прошло 3 периода полураспада:
Активность радиоактивного источника
Активностью радиоактивного источника называют число распадов, происходящих в источнике за единицу времени; она измеряется в беккерелях (Бк): 1 Бк соответствует одному распаду в секунду. Поскольку число нераспавшихся ядер N убывает по экспоненциальному закону, активность источника, пропорциональная числу оставшихся радиоактивных ядер, убывает по тому же самому закону с тем же периодом полураспада.
Радиоактивный фон и биологическое действие излучения
Ионизирующее излучение, сопровождающее радиоактивный распад (α-частицы, β-частицы, γ-кванты), способно повреждать биологические ткани, разрушая молекулярные связи в клетках организма (в первую очередь молекулы ДНК) — поэтому работа с радиоактивными источниками требует строгого соблюдения мер радиационной безопасности. Вместе с тем небольшой естественный радиоактивный фон (от космических лучей, природных радиоактивных изотопов в горных породах и почве, а также содержащихся в самом организме человека) существовал всегда и не представляет существенной опасности для здоровья. В медицине контролируемое радиоактивное излучение находит важное практическое применение — в лучевой терапии онкологических заболеваний и в диагностике (сцинтиграфия с использованием короткоживущих изотопов, подобных йоду-131 из примера 2).
Типичные ошибки
Частая ошибка — считать, что период полураспада — это время, за которое распадаются все радиоактивные ядра образца; в действительности за время T распадается ровно половина ядер, а полностью (теоретически) все ядра не распадаются никогда — количество нераспавшихся ядер лишь асимптотически стремится к нулю. Другая ошибка — думать, что скорость распада зависит от «возраста» отдельного радиоактивного ядра (то есть от того, сколько времени оно уже «прожило»); в действительности вероятность распада каждого отдельно взятого ядра в единицу времени постоянна и не зависит от предыстории — радиоактивные ядра не «стареют» в привычном смысле.
Краткий словарь терминов
Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер с испусканием частиц или излучения.
Альфа-распад — испускание ядром α-частицы (ядра гелия), A уменьшается на 4, Z — на 2.
Бета-распад — превращение нейтрона ядра в протон с испусканием электрона и антинейтрино.
Период полураспада — время, за которое распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер.
Заключение
Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых ядер посредством α-распада, β-распада и сопутствующего γ-излучения — подчиняется статистическому экспоненциальному закону N=N₀·2⁻ᵗ/ᵀ с характерным для каждого изотопа периодом полураспада T. Явление радиоактивности находит применение в медицине, энергетике и научных исследованиях, но требует строгого соблюдения мер радиационной безопасности. Следующая статья рассмотрит управляемые человеком ядерные превращения — ядерные реакции, включая деление и синтез атомных ядер, лежащие в основе ядерной энергетики.
