Радиоактивность

В 1896 году Анри Беккерель[4] открыл, что соли урана испускают невидимые лучи. Позже Резерфорд установил, что эти лучи состоят как минимум из двух компонент, имеющих разную проникающую способность, а французский физик П.Вилар в 1900 году установил, что существует и третья компонента, наиболее глубоко проникающая в вещество. Таким образом, оказалось, что радиоактивные вещества испускают три типа лучей, которые Резерфорд назвал α, β и γ лучами. Хорошо известный из учебников рис.14.3 появился впервые в 1903 г в докторской диссертации Марии Кюри[5].

Излучение одного вида едва проникало сквозь лист бумаги. Излучение второго вида проходило сквозь алюминиевую пластинку толщиной до 3 мм. Излучение третьего вида было особенно проникающим: оно проходило сквозь слой свинца толщиной в несколько сантиметров и могло быть обнаружено с помощью детектора. Оказалось, что γ-лучи представляют собой фотоны высокой энергии. В магнитном поле эти лучи вели себя по-разному: α и β лучи отклонялись в противоположные стороны, а γ-лучи в магнитном поле совсем не отклонялись.

Беккерель в 1900 году установил, что β-лучи состоят из таких же частиц - электронов, которые открыл Томсон. В 1903 году Резерфордом было показано, что α-лучи – это ядра атомов гелия. При этом ядра, из которых вылетают α и β частицы, превращаются в другие химические элементы. Поэтому стало ясно, что лучи вылетают не из атома, а из ядра. Таким образом, ядро, как и атом, представляет собой сложную структуру.

Рис. 14.3. Поведение α, β, γ лучей в магнитном поле.

При g-распаде ядер не происходит превращения одного химического элемента в другой (в этом случае ядро может из возбужденного состояния переходить в основное состояние ядра). Такие ядра получили название радиоактивных ядер, которые обладают свойством радиоактивности.

Радиоактивностью [6] называется способность ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом разные виды ионизирующего излучения. Радиоактивность возникает в результате распада нестабильного ядра. Ядерные силы совместно с электромагнитными силами вызывают нестабильность некоторых изотопов, и они распадаются с испусканием того или иного излучения. В общем виде радиоактивный распад описывается выражением:

, (14.3.1)

где и соответственно материнское и дочернее ядро, b – вылетающая частица.

В природе встречается много нестабильных изотопов. Их радиоактивность называется естественной радиоактивностью. Другие нестабильные изотопы могут быть созданы в лабораторных условиях как продукты ядерных реакций. Такие изотопы называются искусственными, а их радиоактивность – искусственной радиоактивностью.

Альфа-распад. Радиоактивное ядро, испуская α-частицу, отличается от исходного, поскольку теряет по два протона и два нейтрона (рис.14.4). Схема α-распада ядра с атомным номером А и зарядом Z выглядит следующим образом:

(14.3.2)

Альфа-распад ядер обусловлен тем, что сильное взаимодействие не в состоянии обеспечить стабильность тяжелых ядер. Это характерно для ядер с зарядом Z>83 и отдельных ядер при Z<83. Сильные взаимодействия вследствие их короткодействия связывают только соседние нуклоны, в то время как кулоновское отталкивание действует в объеме всего ядра.

Нестабильность ядра характеризуется небольшой величиной энергией связи радиоактивного ядра. Распад ядер происходит, когда масса материнского ядра оказывается больше суммарной массы дочернего ядра и a-частицы. Для всех видов распадов этот факт, основанный на законе сохранения энергии, является основным условием радиоактивного распада. Разность масс выделяется в виде кинетической энергии, которую в основном уносит с собой a-частица. Примером α-распада служит распад ядра :

(14.3.3)

или распад ядра плутония, представленный на рис.14.4.

Рис. 14.4. Пример α-распада .

Бета-распад. β-распад ядер обусловлен испусканием либо электронов, либо их античастиц - позитронов (это положительно заряженные электроны). При этом превращения элементов происходят не изменением атомного номера (массовое число А не меняется при распаде), а изменением заряда ядра и, следовательно, числа протонов в нем. При -распаде ядра происходит испускание электронов, а при -распаде происходит испускание позитронов из ядра. Схема распада в обоих процессах выглядит соответственно:

(14.3.4)

(14.3.5)

Примером -распада является распад углерода:

,

а примером -распада - распад изотопа кислорода :

.

Необходимо подчеркнуть, что испускаемый при β -распаде электрон не имеет отношения к орбитальным электронам, поскольку он вылетает не с орбиты атома, а из ядра (рис.14.5). Он, как и позитрон, рождается внутри ядра. Это происходит в процессе, когда один из нейтронов ядра превращается в протон и при этом (для сохранения заряда) испускает электрон:

. (14.3.6)

Аналогично, когда внутри ядра протон превращается в нейтрон, испуская позитрон:

(14.3.7)

Рис. 14.5 Пример β-распада.

В реакциях (14.3.6) и (14.3.7) появляется новая частица, получившая название нейтрино (в переводе с итальянского «нейтрончик»). Она была открыта из анализа законов сохранения энергии и импульса. Оказалось, что эта частица очень слабо взаимодействует с веществом. Она проходит сквозь Землю и при этом может ни разу не провзаимодействовать с ней. Частица была предсказана В.Паули в 1930 году, а открыта экспериментально в 1956 году. Позднее оказалось, что существует и ее античастица – антинейтрино (антинейтрино () приведено в примере 14.3.7). Для позитронов, образовавшихся в -распаде было установлено следующее явление. Позитрон может существовать до тех пор пока не втретит электрон. При их взаимодействии произойдет процесс, называемый аннигиляцией [7]:

. (14.3.8)

В этом процессе происходит исчезновение двух массовых частиц и образование вместо них двух безмассовых частиц – фотонов[8]. Процесс аннигиляции происходит при взаимодействии и других пар частица – античастица, например, протонов и антипротонов.

Гамма-распад. Гамма-излучение представляет собой фотоны высокой энергии от сотен килоэлектрон - вольт и выше. Распад ядра с испусканием γ-излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами. Так же как атом, ядро может находиться в возбужденном состоянии. При переходе в состояние с более низкой энергией ядро испускает фотон, энергия которого варьируется от нескольких килоэлектрон-вольт до нескольких мегаэлектрон - вольт.

Так как g-излучение не несет заряда, при g-распаде не происходит превращения одного химического элемента в другой.

Иногда ядро в течение некоторого промежутка времени остается в возбужденном состоянии, прежде чем испускает γ-квант. Такое состояние ядра называют метастабильным, а само ядро - изомером. Возбужденное ядро может также распадаться с испусканием протонов, нейтронов и α-частиц.

Пример 14.5. Привести пример схемы распада с метастабильным состоянием.

Схема распада ядра . Ядро бора в результате β-распада переходит в возбужденное (метастабильное) состояние углерода (отмеченное звездочкой на рис.14.6). Затем распадается в его основное состояние с испусканием γ-лучей с энергией 4.4 МэВ.

Рис. 14.6. Пример γ-распада.

Радиоактивные распады лежат в основе действия современных медицинских приборов. Так альфа-распад и -распад широко используются в ядерной медицине для контактной терапии опухолей. Радиоактивные вещества, испытывающие α- и -распады вводятся в опухоль, причем α-частицы и электроны уносят основную часть энергии распада. Испытывая торможение в веществе, они теряют свою энергию на очень коротком расстоянии в пределах одной или нескольких опухолевых клеток. Это приводит к их гибели. Такой вид терапии называют контактной лучевой терапией или брахитерапией.

Гамма – распад лежит в принципе действия таких диагностических установок как гамма – камера, однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ). Суть метода в том, что радиоактивные ядра в растворе вводятся в кровь человека, их распределение в тканях человека хорошо видно, так как они испускают фотоны высоких энергий, которые свободно проникают сквозь ткань и вылетают наружу, где регистрируются специальными детекторами. Для исследования разных органов и их функций используются различные изотопы. -распад лежит в основе действия позитронно – эмиссионного томографа (ПЭТ). Основная идея прибора в том, что в тело человека вводятся изотопы, испускающие позитроны. Вылетая из ядра, они на очень коротком расстоянии встречают электрон и аннигилируют с ним, испуская два фотона, которые разлетаются в строго противоположных направлениях. По их регистрации можно с большой точностью определить точку, откуда они вылетели. Таким образом, по совокупности фотонов строится изображение определенного слоя ткани.

В лучевой терапии используются в большом количестве установки, в которых фотоны высоких энергий (~1.25 МэВ) возникают в результате g-распада ядер Со⁶⁰. Схема распада ядер представлена рис.14.7. В результате распада образуются ядра в возбужденном состоянии, которые распадаются, последовательно испуская два фотона с энергиями 1.18 и 1.33 МэВ. Время полураспада ядра составляет 5.26 года.

Рис.14.7. Схема распада ядер .

Такие приборы для лучевой терапии получили название кобальтовых установок. В мире их действует около десяти тысяч, а у нас в стране около трехсот.

Закон радиоактивного распада ядер. Кусок любого радиоактивного изотопа содержит огромное количество радиоактивных ядер. На протяжении некоторого времени часть ядер распадается. Время распада разных изотопов изменяется в очень широких пределах от микросекунд до тысячелетий. Известно более 300 видов радиоактивных ядер. Из экспериментальных исследований процесса распада стало ясно, что существует закон, по которому происходит изменение числа ядер в образце.

Закон радиоактивного распада ядер в образце определяется на основе предположения, что число распадов , происходящих за очень короткий промежуток времени , пропорционально полному числу радиоактивных ядер и рассматриваемому промежутку времени:

. (14.3.9)

Коэффициент пропорциональности называется постоянной распада (она различна для разных изотопов). Переходя в выражении (14.3.9) к пределу, когда , получаем выражение:

. (14.3.10)

Преобразовав (14.3.10) к виду:

,

затем проинтегрируем его от до :

.

Отсюда получаем выражение для закона радиоактивного распада ядер:

, (14.3.11)

где - число ядер в начальный момент времени, а N – число оставшихся ядер к моменту времени t.

Окончательное выражение в экспоненциальной форме выглядит следующим образом:

(14.3.12)

Соотношение (14.3.12) называется законом радиоактивного распада ядер. Оно показывает, что число радиоактивных ядер, в рассматриваемом радиоактивном образце, экспоненциально убывает со временем (рис.14.8).

Для определения скорости распада радиоактивных ядер используют понятие периода полураспада. Периодом полураспада изотопа называется промежуток времени, за который распадается половина исходного количества ядер изотопа в данном образце.

Отношение количества имеющихся в момент времени t радиоактивных ядер N к их среднему времени жизни называют активностью:

Активность радиоактивного вещества показывает, сколько в нем происходит распадов в единицу времени. С течением времени активность вещества уменьшается.

Единицей активности в системе единиц СИ является беккерель (Бк), представляющий собой 1 распад за 1 сек.

Пример 14.6. Для углерода период полураспада примерно составляет 5730 лет. Определить значение постоянной полураспада .

Если в соотношении (14.3.12) положить , то для случая, когда время , получаем:

. (14.3.13) Отсюда:

.

Следовательно:

Закон радиоактивного распада был успешно применен для радиоактивного датирования (рис.14.8). Этот метод позволил по останкам людей и животных определять их возраст. Суть метода заключается в том, что изотоп углерода в живые организмы попадает из окружающей природы при употреблении пищи, воды и воздуха. Его концентрация в воздухе, где он образуется под действием космических лучей на атмосферный азот, а, следовательно, в растениях и живых организмах, потребляющих воздух, одинаковая. После смерти поступления радиоактивного углерода из воздуха в организм прекращается. Концентрация изотопа уменьшается экспоненциально вследствие его радиоактивного распада. Зная концентрацию ядер в природе и в образце N, а также период полураспада, используя уравнение (14.3.12) можно определить, когда в организм перестал поступать изотоп углерода, то есть количество лет, когда произошла смерть.

Рис. 14.8. Закон радиоактивного распада для ядер углерода .

За метод радиоуглеродного датирования американский физик Ф.Лобби получил Нобелевскую премию в 1960 году. Фактически, этот метод стал одним из наиболее надежных способов заглянуть в прошлое.

Дата добавления: 2014-01-06