Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы. Радиоактивность обусловлена внутренним строением ядер и не зависит от внешних условий.

Явление радиоактивности было открыто французским физиком А. Беккерелем в 1896 г., который при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной природы. Продолжая исследования супруги Кюри обнаружили, что данное излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким как торий и актиний. Причем, радиоактивное вещество является источником трех видов излучения.

a -излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей и малой проникающей способностью (поглощается слоем свинца толщиной примерно 0,05 мм). Представляет собой поток положительно заряженных a -частиц (ядер ).

- излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше, а проникающая гораздо больше (поглощается слоем свинца толщиной примерно 2 мм), чем у a -частиц. Представляет собой поток быстрых электронов.

-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей (проходит через слой свинца толщиной примерно 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой l ~ и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком g -квантов (фотонов).

Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращения независимо друг от друга. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро – дочерним. Радиоактивные вещества принято характеризовать количеством распадов в единицу времени.

Количество ядер dN, распадающихся за промежуток времени dt, пропорционально числу N не распавшихся ядер

(13.6)

- характерная для радиоактивного вещества константа, называемая постоянной распада. Знак минус показывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада убывает.

После интегрирования получим закон радиоактивного распада

(13.7)

- количество ядер в начальный момент времени, - число не распавшихся ядер в момент времени t. Таким образом, число не распавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

Продолжительность жизни радиоактивных ядер принято характеризовать периодом полураспада, то есть промежутком времени, за который число радиоактивных ядер уменьшится вдвое. Тогда

, откуда . (13.8)

Периоды полураспада для радиоактивных ядер колеблются от долей секунды до многих миллиардов лет.

Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна . Тогда среднее время жизни радиоактивного ядра

. (13.9)

Активностью A нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N) в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих в 1 сек.

. (13.10)

Измеряется в беккерелях Применяется и внесистемная единица .

Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро появится в результате распада. Возникшее ядро, в свою очередь, может быть радиоактивным. Это приводит к возникновению цепочки или ряда радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом.

a - распад. Характерен для тяжелых элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева. В настоящее время насчитывается около 40 естественных и более 100 искусственных a- активных ядер.

Примеры: ; .

a -частицы, испускаемые конкретным ядром, обладают определенной энергией. Причем, энергетический спектр обнаруживает тонкую структуру, т.е. испускается несколько групп a -частиц и в пределах каждой группы их энергии практически постоянны. Дискретный спектр a -частиц свидетельствует о том, что атомные ядра обладают дискретными энергетическими уровнями.

Период полураспада и энергия вылетевшей a -частицы взаимосвязаны. Эта взаимосвязь определяется законом Гейгера Неттола, который обычно выражают в виде зависимости между пробегом (расстоянием, проходимым частицей в веществе до ее полной остановки) a -частицы в воздухе и l:

, (13.11)

В ₁ и В ₂ – эмпирические постоянные. Согласно (13.11), чем меньше период полураспада, тем больше пробег, а следовательно, и энергия a -частицы.

Энергия испускаемых a -частиц заключена в узких пределах от , что значительно меньше энергии, которую a -частица должна была бы получить при ускорении в электрическом поле ядра. Кроме того, энергия a -частицы оказалась мала и по сравнению с потенциальным барьером ядра, что не укладывалось в рамки классической механики. Вылет a -частиц из ядра возможен благодаря туннельному эффекту, обусловленному их волновой природой. Так как вероятность просачивания -частиц через барьер зависит от размеров ядер, то зная энергию -частицы Е_a, можно оценить размеры ядра.

b -распа д. Существуют три разновидности b -распада.

.

Пример:

Для объяснения - распада пришлось преодолеть ряд трудностей. Поскольку электрон не вылетает из ядра и не вырывается из оболочки атома, было сделано предположение, что он рождается в результате процессов происходящих внутри ядра. Так как при - распаде число нуклонов в ядре не изменяется, а Z увеличивается на единицу, то единственной возможностью одновременного осуществления этих условий является превращение одного из нейтронов в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино . В этом процессе выполняются законы сохранения электрических зарядов, импульса и массовых чисел. Нейтрино (антинейтрино) имеет нулевой заряд, спин и нулевую массу покоя. Именно поэтому выброс электрона, имеющего спин не изменяет спин ядра. Гипотеза о существовании нейтрино позволила Э. Ферми создать теорию - распада. Нейтрино может принимать участие только в слабом взаимодействии, поэтому прямое наблюдение нейтрино весьма затруднительно. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится на 500 км пути. Проникающая же способность столь огромна (пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет примерно ), что затрудняет удержание этих частиц в приборах. Для экспериментального выявления нейтрино (антинейтрино) поэтому применялся косвенный метод, основанный на том, что в реакциях выполняется закон сохранения импульса.

Введение нейтрино (антинейтрино) позволило не только объяснить кажущееся не сохранение спина, но и разобраться с вопросом непрерывности энергетического спектра выбрасываемых электронов. Сплошной спектр - частиц обусловлен распределением энергии между электронами и антинейтрино, причем сумма энергий обеих частиц равна .

Если превращение нейтрона в протон энергетически выгодно, то должен наблюдаться радиоактивный распад свободных нейтронов, который и был обнаружен в 1950 г.

(позитронный распад) .

Пример: .

Процесс протекает так, как если бы один из протонов ядра превратился в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино . Одновременный выброс нейтрино вытекает из тех же соображений, что и для - распада. Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию у других нуклонов.

Электронный захват

Пример:

Материнское ядро с избытком р (по сравнению с n) может захватить электрон с одной из внутренних оболочек своего атома, в результате один из протонов превращается в нейтрон . Необходимость появления нейтрино вытекает из закона сохранения спина.

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкое энергетическое состояние, оно испускает g -фотоны. Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами вышележащих слоев, в результате чего возникает характеристическое рентгеновское излучение.

Несмотря на разнообразие -распадов, все они обладают одной важной особенностью: энергетический спектр -частиц является сплошным, т.е. энергия изменяется от нуля до некоторого максимального значения, которое считается энергией распада. Тогда и выясняется, что энергия вылетевшей -частицы зависит от энергии нейтрино.

Дата добавления: 2014-01-13