Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающиеся испусканием некоторых частиц

Радиоактивность

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.

Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием -фотона.

Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада:

,

где – количество ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t= 0;

– число ядер в том же объеме к моменту времени t;

– постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за 1 секунду и равная доле ядер, распадающихся за единицу времени.

Из закона радиоактивного распада следует:

– число распадов за время dt.

– вероятность распада одного ядра в секунду.

– средняя продолжительность жизни ядра.

– активность радиоактивного вещества; единица измерения активности . Активность измеряется в следующих единицах:

Активность, отнесенная к единице массы, называют удельной активностью.

Радиоактивный распад является статистическим процессом и распад данного ядра является случайным событием, имеющим определенную вероятность.

Промежуток времени, за который распадается половина ядер называют периодом полураспада Т.

Пусть: в момент времени t число не распавшихся ядер ; в момент времени число не распавшихся ядер . Разделив первое уравнение на второе, получаем: . Отсюда:

– связь между периодом полураспада и постоянной распада.

Естественная радиоактивность наблюдается в основном у ядер атомов химических элементов, расположенных за свинцом в периодической таблице Менделеева.

Опытным путем было установлено, что при радиоактивном распаде ядер наблюдается закон сохранения электрических зарядов: , где Z _Я – заряд ядра, претерпевающего распад; Z _i – заряды ядер и частиц, возникающих в результате радиоактивного распада.

Установлено также, что при естественном радиоактивном распаде выполняется правило сохранения массовых чисел. Если приписать нуклонам массовые числа, равные единице (масса в а.е.м.), а электрону – массовое число, равное нулю, то сохранение массовых чисел при радиоактивном распаде можно записать: , где А_Я – массовое число материнского ядра; А_i – массовые числа ядер и частиц, возникающих в результате радиоактивного распада.

Записанные соотношения при радиоактивном распаде обычно формулируются в виде так называемых правил смещения. Различают правила смещения для случаев возможного -распада или -распада (правила Фаянса и Содди):

при -распаде ;

при -распаде .

Из правил смещения следует, что в результате радиоактивного α - и β -распада ядра атомов радиоактивных элементов превращаются в ядра изотопов других химических элементов.

Альфа-распад (α -распад)

Альфа-распадом называется испускание ядрами некоторых химических элементов α-частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых элементов с А>200 и Z>82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных α -частиц, состоящих их 2-х протонов и 2-х нейтронов.

Ядро является для α -частиц потенциальным барьером, высота которого U больше, чем Е -энергия α -частицы. Альфа-распад происходит путем просачивания α -частицы сквозь потенциальный барьер с помощью туннельного эффекта. Коэффициент прозрачности

.

Видно, что незначительные изменения энергии α -частиц в ядре приводят к сильному изменению D. Поэтому наблюдаются большие различия в периодах полураспадов α -излучателей от 10⁹ лет до 10^-7 с при возрастании энергии α -частиц от 4 МэВ до 9 МэВ.

В случае прямоугольного потенциального барьера для постоянной распада существует связь:

, где n – число ударов α -частицы о стенку барьера за единицу времени, – скорость α -частицы в ядре, L – длина барьера, равная радиусу ядра.

Тогда

Закон Гейгера-Неттола: чем больше постоянная распада радиоактивного элемента, тем больше пробег испускаемых им α -частиц в воздухе:

, где А и В – эмпирические постоянные, имеющие различные значения для каждого из радиоактивных элементов.

Бета-распад (β -распад)

К β-распаду относятсятри типа ядерных превращений:

1. электронный (β _- ) распад;

2. позитронный (β ₊ ) распад;

3. электронный захват (е- или К-захват).

В первых двух процессах происходит превращение одного вида нуклона в ядре в другой:

( -распад), где – антинейтрино электронное;

( -распад), где – нейтрино электронное.

В случае е -захвата происходит превращение протона в нейтрон:

.

Процесс заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру К -слое атома. Протон, превращаясь в нейтрон «захватывает» электрон; отсюда происходит термин «электронный захват». Особенностью этого типа β -распада является вылет из ядра только частицы . Примером е -захвата является превращение радиоактивного ядра бериллия в устойчивое ядро лития . Электронный захват в отличие от -распада сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, принадлежащим К -линии соответствующего элемента.

Естественный -распад происходит так, что нейтрон самопроизвольно превращается в протон . Энергия покоя нейтрона превышает энергию покоя атома водорода (т.е протона и электрона вместе взятых) на 782 кэВ. Поэтому превращение нейтрона в протон (-распад) энергетически возможен и вне ядра. В потоках нейтронов большой интенсивности, возникающих в ядерных реакторах, обнаружен радиоактивный распад свободных электронов.

dN – число электронов, Превращение типа воз-

энергия которых от Е до Е + dЕ можно только в ядрах, где необходимая для этого энергия заимствуется у соседних частиц.

Решающим экспериментальным фактом для понимания механизма -распада и создания его теории стало изучение энергетического спектра испускающих электронов. Этот спектр оказался непрерывным, простирающимся до Е _max. Е _max называется верхней границей энергии -спектра. Для данного источника невозможны энергии электронов, превышающие -распад.

Для согласования непрерывности спектра с дискретностью энергетических уровней ядер, необходимо считать, что вместе с электроном из ядра испускается еще одна частица – электронное антинейтрино . Полная энергия, теряемая ядром при -распаде, равна Е _max, но она различным образом распределяется между электроном и электронным антинейтрино. Е _max определяет разность энергий двух уровней ядра.

На графике точка при Е _max означает, что вся энергия -распада уносится электроном. Нулевое значение энергии электрона на кривой соответствовало бы тому, что вся энергия уносится антинейтрино .

Гамма-излучение (γ -излучение)

Гамма-излучением называется коротковолновое электромагнитное излучение, энергия которого испускается при переходах ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденные состояния, а также при ядерных реакциях. В первом случае, согласно правилу частот Бора:

,

где – частота фотона, соответствующего переходу ядра из состояния с энергией в состояние с энергией . и много больше разности уровней электронов в атоме. Для γ - излучения .

γ - излучение не является самостоятельным типом радиоактивности. Оно сопровождает процессы α - и β -распадов и не вызывает изменения заряда и массового числа ядер.

Происхождение и свойства γ - излучения подтверждаются закономерностями внутренней конверсии γ-излучения – явлением фотоэффекта на электронах внутренних оболочек атома под действием γ-излучения его ядра. Электроны, образовавшиеся в результате такого внутреннего фотоэффекта, называется конверсионными (электроны конверсии).

Энергия фотоэлектрона конверсии связана с энергией фотона γ - излучения уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

,

где А_n – работа выхода электрона с n -той электронной оболочки атома, численно равная энергии электронов, находящихся на определенных энергетических уровнях в атоме.

Действие γ - излучения и других видов ионизирующих излучений оценивается поглощенной дозой излучения D – отношение поглощенной энергии излучения к массе облучаемого вещества.

=[1 Гр] (грэй) – массе в 1 кг облучаемого вещества передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Внесистемная единица 1 рад=10^-2 Гр.

Мощностью N поглощенной дозы излучения называется доза, отнесенная к единице времени:

.

Энергетической характеристикой излучения, оцениваемой по ионизации сухого атмосферного воздуха, является экспозиционная доза излучения D_Э.

– экспозиционная доза рентгеновского или γ - излучения, при которой сумма электрических зарядов ионов одного знака, созданных электронами, освободившимися в облученном воздухе массой 1 кг при полном использовании ионизирующей способности, равна 1 Кл.

Внесистемной единицей является Рентген: . Мощностью N_Э экпозиционной дозы называется экпозиционная доза, отнесенная к единице времени:

.

Внесистемная единица . Доза излучения может быть оценена по ее биологическому воздействию – эквивалентная доза излучения, которая измеряется в СИ в зивертах (Зв). 1 Зв соответствует поглощенной дозе 1 Гр при воздействии рентгеновского или γ - излучений. Внесистемная единица: 1 бэр (биологический эквивалент рентгена) = 10^-2 Зв.

Дата добавления: 2013-12-13