Радиоактивность. Для того чтобы разобраться в явлении радиоактивности, необходимы знания о строении атома, из которых состоят молекулы веществ

Для того чтобы разобраться в явлении радиоактивности, необходимы знания о строении атома, из которых состоят молекулы веществ. Коротко вспомним сведения о структуре атома. Атом представляет собой систему взаимодействующих между собой элементарных частиц - протонов, нейтронов, электронов. Атом состоит из положительно заряженного ядра и оболочки из отрицательно заряженных электронов, которые двигаются на определенных, «разрешенных» орбитах: К (ближайшая к ядру орбита), L, M, N, O, P, Q. Электроны на внутренних орбитах связаны с ядром наиболее прочно, на внешней (валентной) орбите прочность связи наименьшая. Емкость каждой из орбит ограничена; структура орбит и количество электронов на внешней оболочке определяет индивидуальные химические свойства элемента – его валентность, степень окисления и др. Один электрон несет элементарный (единичный) отрицательный электрический заряд, а общий отрицательный заряд электронной оболочки атома равен числу электронов. Носителем элементарного положительного заряда в ядре является протон. В целом атом электронейтрален, т.е. число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре атома. В ядре кроме протонов содержатся нейтроны, частицы с массой протона, но не имеющие электрического заряда. Протоны и нейтроны имеют общее название - нуклоны. Число нейтронов в ядре может быть не равным числу протонов. Это не отражается на химических свойствах элемента. Следовательно, в природе существуют разновидности атомов одного элемента, которые имеют одинаковое количество протонов и электронов, но разное число нейтронов. Такие разновидности атомов называются изотопами. Ядра изотопов элементов называют нуклидами. Для конкретного изотопа (нуклида) Х принято следующее обозначение: ^AX, где А – массовое число (число протонов+нейтронов), Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре = числу электронов (атомный номер элемента в периодической системе Менделеева). Например, изотопы водорода протий, дейтерий и тритий обозначаются, ¹H, ²H, ³H. Два изотопа фосфора, стабильный изотоп, ³¹P и радиоактивный изотоп ³²P, имеет по 15 протонов и электронов, число нейтронов определяется по разнице A-Z, т.е. у стабильного изотопа оно составляет 16, у радиоактивного ³²P число нейтронов будет равно 17. Термины нуклид и изотоп почти равнозначны, но рекомендуется использовать первый, когда речь идет о разновидностях одного атома, и второй, если это атомы разных химических элементов, например, изотопы водорода ¹H, ²H, ³H, радионуклиды ³²P, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs. Масса электрона в 2000 раз меньше массы протона или нейтрона, и поэтому суммарная масса атома почти целиком сосредоточена в ядре (на 99, 98 %). Все что касается явления радиоактивности, относится только к атомному ядру.

Радиоактивность - явление самопроизвольного распада ядер радиоактивных атомов с испусканием ионизирующих излучений. В основе радиоактивности лежит способность ядер атомов к самопроизвольным перестройкам своей структуры и даже к расщеплению ядра на отдельные фрагменты. Считается, что нуклоны в ядрах могут взаимодействовать друг с другом и участвовать так называемых ядерных реакциях. Протоны и нейтроны в ядерных реакциях могут превращаться друг в друга, что сопровождается испусканием за пределы атома ряда элементарных частиц: электрона, позитрона, нейтрино, антинейтрино. Кроме элементарных частиц, при ядерных реакциях выделяется большое количество энергии в виде электромагнитного излучения (гамма -излучение, УФ, видимое и инфракрасное излучение). В природе каждый химический элемент существует в виде устойчивых(относительно устойчивы) ядерных структур –стабильных изотопов, и неустойчивых – радиоактивных изотопов. Устойчивость (стабильность) ядра определяется соотношением протонов и нейтронов. У большей части стабильных легких элементов это соотношение составляет 1:1., у элементов с большими массовыми числами оно выше, например, у урана 1:1,6. При недостатке или избытке нейтронов (относительно некого оптимального для этого элемента соотношения) ядра элементов становятся неустойчивыми, что приводит к возможности радиоактивного распада того или иного типа. Например, один из избыточных нейтронов может превратиться в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Избыток нейтронов при

радиоактивном распаде снижается и обычно образуется стабильный изотоп нового элемента. Но при распаде некоторых элементов дочерний изотоп тоже оказывается нестабильным и цепочка ядерных превращений может продолжиться до появления нового стабильного химического элемента. Например, при распаде ²³⁸U, ²³²Th имеет место последовательная цепь радиоактивных превращений, включающих несколько радиоактивных изотопов (радиоактивные семейства).

Радиоактивный распад может происходить по нескольким типам: α-распад, β- распад, изомерный переход, внутренняя конверсия, осколочное деление тяжелых ядер.

α-распад- это отщепление от ядра атома фрагмента, состоящего из двух протонов и двух нейтронов. Эту частицу называют α-частицей и по сути она является ядром атома гелия ⁴Н. Этот тип распад характерен для тяжелых элементов- U, Th, Ra, Rn и др.

β- распад - связан с превращением нейтрона в протон и наоборот. Эти реакции сопровождаются вылетом из ядра электрона, позитрона, нейтрино. β- распад характерен как для легких таки для тяжелых элементов.

Изомерный переход- тип радиоактивного превращения, сопровождающийся только с испусканием γ –излучения. Изомерные переходы могут происходить отдельно или одновременно с другими типами распада как у легких так и у тяжелых атомов.

Внутренняя конверсия. Энергия возбуждения ядра передается орбитальному электрону и сопровождается испусканием атомом характеристического рентгеновского излучения.

Осколочное деление тяжелых ядер. Самые тяжелые ядра с Z ≥ 90 имеют очень большой избыток нейтронов. Так, в ядре ²³⁸U на 92 протона приходится 146 нейтронов. Кроме α-распада такие ядра могут самопроизвольно расщепляется на 2 крупных фрагмента, называемых осколками деления с испусканием 2-3 нейтронов. При этом процессе выделяется огромное количество энергии (до 200 МэВ за один распад). Вероятность спонтанного распада природных нуклидов небольшая, например, 1 распад в сутки на 1 кг ²³⁸U. Однако, скорость распада можно увеличить на несколько порядков путем облучения ядер нейтронами. Попадание одного нейтрона в «перегруженное» нейтронами ядро приводит к мгновенному делению возбужденного ядра. Некоторые ядра, например, ²³⁵U и ²³⁹Pu весьма эффективно распадаются на осколки в цепных реакциях деления даже от захватов медленных (тепловых) нейтронов. Расщепление ядер при осколочном делении происходит случайным образом, но чаще всего два образующихся дочерних ядра соотносятся по массе 3: 2.. Первичные осколки деления обычно нестабильны и претерпевают несколько последовательных β- распадов, образуя цепочки вторичных продуктов.

Распад ядер изотопов происходит самопроизвольно, непрерывно и является статистическим процессом. Количество ядер атомов исходного изотопа непрерывно уменьшается, а количество продуктов распада непрерывно накапливается. При радиоактивном распаде проявляется некоторая общая закономерность, которая заключается в том, что количество атомов данного радиоактивного изотопа, распадающихся в единицу времени, всегда составляет определенную, характерную для данного изотопа долю от полного числа еще не распавшихся атомов. Это связано с тем, что вероятность распада отдельного атома за промежуток времени Dt не зависит от условий, в которых находился и находится этот атом, а зависит только от времени. Поэтому число атомов DN, распавшихся за время Dt, пропорционально общему числу не распавшихся атомов. Эта закономерность называют законом радиоактивного распада. Этот закон математически можно выразить так:

-DN = lNDt

где DN - число распавшихся ядер за промежуток времени Dt, N - число не распавшихся ядер, l - величина, пропорциональная вероятности распада одного ядра, называется постоянной распада и является константой, характерной для данного изотопа. Закон радиоактивного распада записывается в виде дифференциальных уравнений

-dN/dt = lNdt/dt = lN [1]

Величина -dN/dt есть абсолютная скорость распада ядер радиоактивного изотопа, называется активностью изотопа (А).

Из уравнения [1] следует, что l = dN/dtN, т.е. l есть уменьшение числа не распавшихся ядер или доля ядер, распадающихся в единицу времени. Постоянная распада имеет размерность с^-1. Чем выше l, тем быстрее происходит радиоактивный распад. Величина t = 1/l называется средней продолжительностью жизни атомов данного изотопа. Закон радиоактивного распада можно сформулировать и так: средняя продолжительность жизни атомов есть величина постоянная для данного изотопа. На практике удобно пользоваться интегральной формой этого закона.

где N₀ - число атомов изотопа при t = 0, N_t - число атомов изотопа к моменту времени t.

Для характеристики радиоактивного распада вместо l используют величину, называемую периодом полураспада Т_1/2. Период полураспада - это время, в течение которого в среднем распадается половина начального количества радиоактивных ядер.

При регистрации ионизирующих излучений определяют число распадов в единицу времени. Как было отмечено, мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени называется активностью этого вещества и обозначается А.

A = - dN/dt =lN

Единицей измерения активности в системе СИ является 1 распад/с = 1 Беккерель (Бк). Широко используются внесистемная единица измерения активности - Кюри (Ки).

1 Ки = 3,7×10¹⁰ Бк. В практической работе применяют производные от Кюри единицы измерения активности: милликюри (1 мКи = 1 ·10 ^-3 Ки), микрокюри (мкКи = 1 ·10 ^-6 ), нанокюри (1 нКи = 1· 10 ^-9 Ки).

Дата добавления: 2014-11-08