ЛЕКЦИЯ №2. Виды радиоактивных распадов и излучений

В приповерхностных Земных условиях существуют, в основном, два вида радиоактивного распада:

1. альфа-распад;

2. бета-распад.

При этом могут возникать четыре вида излучения:

альфа (α)-излучение;

бета (β)-излучение;

гамма (γ)-излучение;

нейтринное (n) излучение.

Из этих видов излучений для радиоэкологии представляют интерес только первые три. Поскольку именно они обладают свойством ионизации.

Кроме того, в Земных породах существует процесс спонтанного деления ядер, в результате которого могут излучаться нейтроны (распад и деление – это разные понятия). Но вклад этого процесса в общую радиологическую обстановку настолько мал, что его как правило не рассматривают.

Альфа-излучение – поток ядер гелия Не²⁺ или, иначе, α-частиц. Альфа-частица состоит из двух протонов p и двух нейтронов n:

.

Следовательно,

электрический заряд α-частицы равен двум элементарным электрическим зарядам со знаком (+);

относительно большая масса равная 4 атомным единицам массы (масса этих частиц превышает массу электрона в 7300 раз);

энергия альфа-частиц колеблется в пределах 2¸11 МэВ (для каждого определенного изотопа энергия испускаемых альфа-частиц своя и постоянна).

В ядерной физике энергию частиц выражают в электронвольтах [ эВ ]. Электронвольт – энергия, которую приобретает электрон, проходящий в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В.

Возникают α-частицы при распаде тяжелых ядер. Ядра с порядковым номером Z больше 82 (Pb), за редким исключением альфа-активны. В настоящее время известно более 160 альфа-активных видов ядер.

Процесс альфа-распада можно представить так:

где Х – символ исходного ядра; Y – символ ядра продукта распада; Q – излучаемый избыток энергии (обычно в виде гамма-кванта и тепла); А – массовое число; Z – порядковый номер элемента (заряд ядра).

Например,

Энергия альфа-частиц дискретна. То есть, альфа-частицы, испускаемые ядрами какого-либо изотопа, обладают строго определенными значениями энергии.

При альфа-распаде элемент (дочерний) смещается на две клетки влево относительно исходного (материнского) в периодической системе Д.И. Менделеева.

Бета-излучение. Представляет собой поток электронов или позитронов ядерного происхождения. Позитрон – элементарная частица, подобная электрону, но с положительным знаком заряда. Физические параметры электронов ядерного происхождения (масса, заряд) такие же, как и у электронов атомной оболочки. Обозначаются бета-частицы символом β^– или β⁺.

Бета-частицы возникают внутри ядер при превращении нейтронов в протоны или наоборот – протонов в нейтроны. Также при бета-распаде возникают антинейтрино ν^– или нейтрино ν⁺.

;   .

Нейтрино – электронейтральная частица, которая движется со скоростью света, имеет массу покоя и обладает большой проникающей способностью; зарегистрировать ее очень трудно. Частица, испускаемая вместе с позитроном (β⁺), названа нейтрино и обозначается (ν⁺), а испускаемая вместе с электроном (β^-) – антинейтрино (ν^-).

Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется равномерно между бета-частицей и нейтрино. Поэтому, в отличие от альфа-частиц, бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии (от нуля до некоторого максимального значения). Если бета-частица вылетает из ядра с большим запасом энергии, то нейтрино испускается с малым уровнем энергии и наоборот. Поэтому энергетический спектр бета-излучения сплошной и непрерывный. Средняя энергия бета-частиц в спектре равна примерно ⅓ их максимальной энергии (Рис. 5).

Максимальная энергия бета-частиц различных элементов имеет широкие пределы – от 0,015¸0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3¸12 МэВ (жесткое бета-излучение).

Электронный (бета-минус) распад описывается уравнением

.

При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличиваются на единицу, а массовое число остается без изменения. То есть, дочерний элемент сдвигается на одну позицию вправо от исходного.

Примером бета-минус распада может служить распад естественного изотопа калия с превращением его в кальций:

.

Позитронный (бета-плюс) распад можно записать в виде

.

Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшается на единицу, и дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д.И. Менделеева на один номер влево от материнского; массовое число остается без изменения.

Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов. Например, распад изотопа фосфора с образованием кремния:

.

Позитрон, вылетев из ядра, срывает оболочки атома электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е^– и е⁺). Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два гамма-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение – аннигиляционного. В данном случае происходит превращение материи (частиц вещества) в энергию – электромагнитную волну (гамма-фотоны).

Таким образом, при позитронном распаде в конечном результате за пределы материнского атома вылетают не частицы, а два гамма-кванта, каждый из которых обладает энергией в 0,511 МэВ, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц – позитрона и электрона E= 2 m_ec² =1,022 МэВ.

Существует и обратная реакция – реакция образования пары при «расщеплении» гамма-кванта достаточно большой энергии (Е ≥1,022 МэВ). Гамма-фотон, пролетая через вещество, под действием сильного электрического поля вблизи ядра превращается в пару «электрон-позитрон».

Электронный захват (К -захват). Превращение ядра может быть осуществлено также путем электронного захвата, когда один из протонов ядра захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему К -слоя или реже с L -слоя, и превращается в нейтрон:

.

Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше порядкового номера исходного ядра, а массовое число не меняется. Превращение при К -захвате записывают в следующем виде:

.

Например,

.

Освободившееся место, которое занимал в К - или L -слое захваченный электрон, заполняется электроном из более удаленных от ядра слоев оболочки атома. Избыток энергии, освободившейся при таком переходе, испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, так как количество протонов в ядре при электронном захвате также уменьшается на единицу.

Позитронный распад и электронный захват, как правило, наблюдают только у искусственно-радиоактивных изотопов.

Гамма-излучение (γ) – поток электромагнитных волн большой энергии. Физическая природа этих волн такая же, как и у радиоволн, видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, рентгеновского излучения (Рис. 0.2).

Рис. 0.2. Спектр электромагнитного излучения.

Рентгеновское излучение возникает при:

1. торможении электронов е^– в электрическом поле ядер атомов вещества – тормозное рентгеновское излучение;

2. переходе электронов с дальних электронных оболочек на более близкие к ядру во время ионизации или возбуждении атомов и молекул – характеристическое рентгеновское излучение.

При различных переходах атомов и молекул из возбужденного состояния в невозбужденное может также происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.

Рис. 0.3. Образование γ-квантов при радиоактивном распаде.

Гамма-кванты – это электромагнитное излучение ядерного происхождения. Они испускаются ядрами атомов при альфа- и бета-распаде природных и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- или бета-частицей). Этот избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов (Рис. 0.3).

Гамма-кванты лишены массы покоя. Это значит, что фотоны существуют только в движении.

Они не имеют заряда, поэтому в электрическом и магнитном полях не отклоняются.

Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света (3·10¹⁰ см / с).

Энергия гамма-кванта Е_γ дискретна. Она пропорциональна частоте колебаний и определяется по формуле:

,

где h – универсальная постоянная Планка, или энергетический эквивалент (4,13·10^-21 МэВ / с); ν – частота колебаний, с ^-1.

Частота колебаний гамма-квантов связана с длиной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, т. е. частота колебаний обратно пропорциональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от нескольких килоэлектронвольт до 2¸3 МэВ и редко достигает 5¸6 МэВ.

Гамма-излучатели редко имеют одно значение энергии квантов (моноэнергетический или монохроматический спектр). Чаще существует «набор» определенных значений, который для каждого изотопа постоянен и, соответственно, образуется линейчатый спектр излучения.

Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100¸150 м.

Контрольные вопросы

1. Что такое альфа-частица? Свойства альфа-частицы: заряд, масса, длина волны?

2. Что такое бета-частица? Свойства бета-частицы: заряд, масса, длина волны?

3. Что такое гамма-квант? Свойства гамма-кванта: заряд, масса, длина волны?

4. Как изменяются свойства (заряд, масса) материнского радионуклида при альфа-распаде?

5. Как изменяются свойства (заряд, масса) материнского радионуклида при бета-плюс-распаде?

6. Как изменяются свойства (заряд, масса) материнского радионуклида при бета-минус-распаде?

7. Дискретна ли энергия у бета-излучения? Почему?

8. Как возникают гамма-кванты?

9. Как возникают бета-частицы?

Дата добавления: 2014-01-05