Закономірності радіоактивних процесів

Природною радіоактивністю називається явище спонтанного (самодовільного) перетворення атомних ядер нестійких ізотопів одних хімічних елементів в ізотопи інших, що супроводжується викидом елементарних частинок і випромінюванням енергії. Явище відкрите у 1896 році Бекерелем, який винайшов, що уранова сіль випромінює невідомі промені, здатні проходити через папір, дерево, тонкі металеві пластинки, іонізують гази, спричиняють почорніння фотопластини, флуоресцентне світіння ряду твердих тіл і рідин. Це випромінювання було назване радіоактивним. Радіоактивними властивостями володіють також радій, полоній, актиній, торій.

Експериментально було встановлено, що радіоактивне випромінювання має неоднорідний характер і складається із декількох видів. У магнітному полі тонкий пучок радіоактивного випромінювання розщеплюється на три складових: слабо відхилюваний пучок позитивних a-променів - моноенергетичних ядер гелію; сильно відхилюваний пучок негативних b-променів - швидких електронів; невідхилюваний пучок g-променів - короткохвильового електромагнітного випромінювання із дуже малою довжиною хвилі та яскраво вираженими корпускулярними властивостями.

Розпад ядер є випадковою подією, тому зміна радіоактивності зі спливанням часу повинна підлягати статистичній закономірності. Кількість ядер радіоактивного ізотопу зменшується з часом за експоненціальним законом, який називають

законом радіоактивного розпаду: де N0 – початкова кількість радіоактивних ядер (у момент часу t= 0), N – кількість ядер, які ще не розпались на момент часу t.

Коефіцієнт l характеризує вірогідність розпаду ядра атома у одиницю часу і називається сталою радіоактивного розпаду. Проміжок часу Т, за який в середньому кількість ядер, які не розпались, зменшиться удвічі, називають періодом піврозпаду. Якщо t=T, то за визначенням N=N₀/ 2, тобто:

звідки l×Т=ln (2), або Т=ln (2) /l= 0,693 /l. Період піврозпаду є сталою величиною для даного ізотопу, яка змінюється від 4,5 мільярдів років у урану до 3×10-7 секунди у полонію. Активніс-

тю радіоактивного ізотопу називають кількість ядер, які розпадаються за одиницю часу: А= | dN/dt |= l×N. Одиниця активності – 1 Бекерель (Бк) – активність нукліду, при якій за 1 с відбувається 1 акт розпаду. Частіше застосовується одиниця активності 1 Кюрі (Ки): 1 Ки=3,7×10¹⁰ Бк. Залежність активності ізотопу від часу та-

кож має експоненціальний характер: де А0 – активність ізотопу у початковий момент часу t= 0. Величину t= 1 /l називають середнім часом життя радіоактивного

ізотопу. Значення величин l і t визначаються лише властивостями атомного ядра ізотопу і не залежать від зовнішніх умов.

Атомне ядро, що здійснює радіоактивний розпад, називається материнським (символ материнського ядра ). Атомне ядро, яке утворюється в результаті радіоактивного розпаду, називається дочірнім (символ дочірнього ядра ). При ядерних перетвореннях виконуються закони збереження зарядового і масового чисел:

1) Сума зарядових чисел утворених дочірніх ядер і частинок дорівнює зарядо-вому числу початкового материнського ядра.

2) Сума масових чисел утворених дочірніх ядер і частинок дорівнює масовому числу початкового материнського ядра.

Наслідком законів збереження зарядового і масового чисел є правила змі-щення, які дозволяють встановити, які ядра і частинки виникають в результаті розпаду даного материнського ядра. Розглянемо особливості кожного із видів радіоактивного розпаду ядер.

a-Розпад – це розпад важких атомних ядер (А>200, Z>82), який супроводжується випромінюванням a-частинок – ядер ізотопу гелію . Тільки невелика група ядер рідкоземельних елементів із масовими числами А=140¸160 є a -активными. Правило зміщення для a- розпаду має вигляд: Умова протікання a -розпаду: маса материнського ядра мусить бути більшою за суму мас дочірнього ядра і a -частинки, оскільки дочірнє ядро часто виникає у збудженому стані, і відбувається викид одного або декількох g -квантів. a- Частинки утворюються в момент радіоактивного розпаду при зустрічі рухомих усередині ядра двох протонів та двох нейтронів. Прикладами a -розпаду є такі ядерні перетворення:

b-Розпад – інший вид радіоактивного випромінювання, пов'язаного з перетворенням нуклонів у ядрі. Вивчення b- розпаду показало, що енергетичний спектр b- частинок, які вилітають із ядра, має суцільний характер (на відміну від a- частинок) аж до деякого максимального значення Е_max. b- випромінюваня відхиляється електричним і магнітним полями, воно сильно розсіюється речовиною. Його іонізуюча здатність значно менша, а проникна здатність набагато більша, ніж у a -частинок. Згідно сучасним уявленням, існує три різновиди b-розпаду: електронний, позитронний і К-захоплення. Експериментально було встановлено, що масове число ядра при b- розпаді не змінюється, тому не повинен змінюватись сумарний спін всіх нуклонів у ядрі. b- Частинка, що вилітає із ядра, має спін ±ħ/2 і мусить змінити спін ядра, проте цього не відбувається. Аналізуючи дослідні дані, В.Паулі припустив, що разом із b- частинкою, з ядра повинна вилітати ще одна частинка, яка не має заряду і маси спокою, проте має спін, рівний спіну електрона. При одночасному вильоті із ядра, спіни їх орієнтовані у протилежних напрямках, тому сумарний спін ядра при b- розпаді зберігається. Нейтральні частинки, що випромінюються при електронному і позитронному b- розпаді, не тотожні. Частинка, що випускається при позитронному розпаді, називається нейтрино (n), а при електронному – антинейтрино . Правило зміщення для електронного b^--розпаду має вигляд: ( - символічне позначення електрона, - електронного антинейтрино). Згідно гіпотезі Фермі, який розробив теорію b- розпаду, в ядрі можливі взаємні перетворення нуклонів, в результаті яких з'являються електрони (хоча до складу ядра вони не входять) і антинейтрино. b^--розпад відбувається за схемою: . (Тут - символічне позначення нейтрона, а - протона). Оскільки маса нейтрона більша за масу протона, такі перетворення супроводжуються виділенням енергії. Часто b ^- -розпад супроводжується випуском g -випромінюваня, відповідного переходу дочірнього ядра зі збудженого енергетичного стану у основний. Правило зміщення для позитронного b⁺-розпаду має вигляд: ( - символічне позначення позитрона – античастки електрона, - електронного нейтрино). Цей вигляд b- розпаду відбувається у тому випадку, якщо в ядрі один із протонів перетворюється на нейтрон. b ⁺ -Розпад відбувається за схемою: Оскільки маса спокою протона менша, ніж у нейтрона, то така реакція для вільного нейтрона спостерігатись не може. Проте, для протона у ядрі ця реакція виявляється енергетично можливою завдяки ядерній взаємодії частинок: енергія запозичується від сусідніх нуклонів.

У багатьох ядер важких елементів має місце процес третього типу b -розпаду, який називається електронним або К-захопленням. В цьому випадку збуджене материнське ядро захоплює електрон із внутрішньої К-оболонки атома. Правило зміщення для К-захоплення має вигляд: При цьому один із протонів ядра перетворюється на нейтрон і випускається нейтрино. Поява нейтрино випливає із закону збереження спіну. К-захоплення відбувається за схемою: Його характерною особливістю є характеристичне рентгенівське випромінювання, яке виникає при заповненні вакансій, утворених у внутрішніх електронних оболонках атома. Вся енергія розпаду виноситься нейтрино, на відміну від попередніх видів b^± - розпадів, де енергія розподілялась між обома типами випромінених частинок.

g-випромінювання ядер – найбільш короткохвильове електромагнітне випромінювання, що супроводжує a- та b- розпади, а також виникає при ядерних реакціях, при гальмуванні заряджених частинок у речовині, при їхньому розпаді. Воно не відхиляється електричним і магнітним полями, володіє відносно слабкою іонізуючою і дуже великою проникною здатністю. При проходженні через кристали, g -випромі-нювання здійснює дифракцію. Володіючи найменшою довжиною хвилі (l £10^-12 м), воно має яскраво виражені корпускулярні властивості. Спектр g -випромінювання є лінійчатим, що служить доказом дискретності енергетичних станів атомних ядер. Вільні нуклони, як і електрони, не можуть випромінювати g -кванти, оскільки це суперечило б законам збереження імпульсу та енергії. Усередині ж ядра це можливо, оскільки випущений (поглинений) g -квант може обмінятись імпульсом із нуклонами ядра. При g -випромінюванні масове число А і зарядове число Z не змінюються, тому воно не описується правилами зміщення. g -Випромінювання випускається не материнським, а дочірнім ядром. Повертаючись у основний стан, збуджене ядро може пройти через ряд проміжних станів. Тому g -випромінювання певного радіоактивного ізотопу може містити декілька груп g -квантів, відмінних своєю енергією.