Радиоактивный распад
-
это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов
"элементарных" (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть
радиоактивными частицами или радиоактивным излучением. При этом, как
уже было сказано, в подавляющем большинстве случаев ядро атома (а
значит, и сам атом) одного химического элемента превращается в ядро
атома (в атом) другого химического элемента; или один изотоп данного
химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.
Радиоактивный
распад, как и все другие виды радиоактивных превращений, может быть
естественным (самопроизвольным, спонтанным) и искусственным, вызванным
попаданием в ядро стабильного атома какой-либо частицы извне.
Для
естественных (природных) радионуклидов основными видами радиоактивного
распада являются альфа- и бета-минус-распад (хотя встречаются и
другие). Названия альфа и бета были даны Эрнестом Резерфордом в 1900
году при изучении радиоактивных излучений.
Для искусственных
(техногенных) радионуклидов кроме этого характерны также нейтронный,
протонный, позитронный (бета-плюс) и более редкие виды распада и
ядерных превращений (мезонный, К-захват, изомерный переход,
"откалывание" и др.). Альфа-распад
Альфа-распад
-
характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных
элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д. И. Менделеева (уран,
торий и продукты их распада до висмута включительно) и особенно для
искусственных - трансурановых - элементов. То есть этому виду распада
подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута.
Альфа-распад - это испускание из ядра атома альфа-частицы
(альфа-частицы), которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов.
Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома
гелия.
В результате испускания альфа-частицы образуется новый
элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки левее, так
как количество протонов в ядре, а значит, и заряд ядра, и номер
элемента стали на две единицы меньше. А масса образовавшегося изотопа
оказывается на 4 единицы меньше.
Так, например, при
альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория -
радий, при распаде радия - радон, затем полоний и наконец - свинец. При
этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем
радий-230, радон-226 и т. д.
Радиоактивный распад - это
выбрасывание из ядра атома какой-либо частицы, в результате чего атом
одного химического элемента (изотопа) превращается в атом другого
элемента (изотопа).
альфа-распад - выбрасывание (испускание) из ядра атома альфа-частицы.
альфа-частица - это 2 протона и 2 нейтрона, то есть ядро атома гелия с массой 4 единицы и зарядом +2.
Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек.
В вакууме альфа-частица могла бы обогнуть земной шар по экватору за 2 сек. Бета-распад
(бета-распад) - наиболее распространённый вид радиоактивного распада (и
вообще радиоактивных превращений), особенно среди искусственных
радионуклидов. Он наблюдается практически у всех известных на сегодня
химических элементов. Это означает, что у каждого химического элемента
есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный
бета-распаду изотоп. При этом чаще всего происходит бета-минус распад.
Бета-минус распад (бета-)
-
это выбрасывание (испускание) из ядра бета-минус частицы - электрона,
который образовался в результате самопроизвольного превращения одного
из нейтронов в протон и электрон. При этом тяжёлый протон остаётся в
ядре, а лёгкий электрон - бета-минус частица - с огромной скоростью
вылетает из ядра. И так как протонов в ядре стало на один больше, то
ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа - с
большим номером.
Так, например, при бета-минус распаде
радиоактивный изотоп калия - калий-40 - превращается в стабильный
изотоп кальция (стоящего в соседней клеточке справа) - кальций-40. А
радиоактивный кальций-47 - в стоящий справа от него скандий-47 (тоже
радиоактивный), который, в свою очередь, также путём бета-минус распада
превращается в стабильный титан-47.
Название бета-частица
сохранилось исторически. Отличие бета-минус частицы от обычного
электрона только в "месте рождения": ядро атома, а не электронные
оболочки вокруг ядра, а также и в скорости (энергии) вылета. Скорость
вылета бета-частицы - 9/10 скорости света, т. е. 270 тыс. км/сек.
Естественных
бетта-активных радионуклидов не очень много. А среди значимых ещё
меньше. К ним можно отнести, прежде всего, калий-40 (Т1/2 = 1,3 · 109
лет), хотя в природной смеси изотопов калия его содержится всего
0,0119%.
Кроме К-40 значимыми естественными бета-минус-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория.
Дело
в том, что, например, торий-234, образующийся при альфа-распада он
превращается в протактиний-234, который в свою очередь аналогичным
образом снова в уран, но уже в другой изотоп - уран-234. А уран-234
(снова путём альфа-распада) - опять в торий, но уже в торий-230. Далее
торий-230 путем альфа-распада - в радий-226, радий - в радон.
И
так далее - до таллия включительно, но с различными
бета-минус-переходами "в обратную сторону". Кончаются же все эти альфа
и бета-минус-переходы образованием стабильного свинца-206.
Таким образом, к значимым естественным бета-минус-активным радионуклидам можно отнести К-40 и все элементы от таллия до урана.
Бета-плюс распад
(-
это выбрасывание (испускание) из ядра бета-плюс частицы - позитрона
(положительно заряженного "электрона"), который образовался в
результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и
позитрон. В результате этого (так как протонов стало меньше) данный
элемент превращается в соседний слева (с меньшим номером, предыдущий).
Так,
например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23
превращается в стабильный изотоп натрия (стоящего слева) - натрий-23, а
радиоактивный изотоп европия европий-150 превращается в стабильный
изотоп самария - самарий-150.
бета-распад - это испускание
бета- или бета+частиц, то есть обычных электронов с зарядом -1 (е-) или
позитронов - "электронов" с зарядом +1 (e+).
Скорость вылета бета-частиц из ядра составляет 9/10 скорости света - 270 000 км/сек.
Другие виды радиоактивного распада
Кроме указанных альфа- и бета-распада существуют другие виды
радиоактивного распада, менее распространённые и более характерные для
радионуклидов искусственного происхождения.
Нейтронный распад - испускание из ядра атома нейтрона (n) -
нейтральной частицы с массой 1 ед. При испускании нейтрона один изотоп
данного химического элемента превращается в другой с меньшим весом.
Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития
литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 - в стабильный
гелий-4.
Если стабильный изотоп йода йод-127 облучать гамма-квантами, то он
становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой,
тоже радиоактивный изотоп йод-126.
Протонный распад - крайне редкий вид распада -это испускание из
ядра атома протона (р) - частицы с массой 1 ед. и зарядом +1. При
испускании протона данный химический элемент превращается в соседний
слева (с меньшим номером, предыдущий), а атомный вес уменьшается на
единицу.
Как уже было сказано, все радиоактивные превращения, в том числе и все
разновидности радиоактивного распада, сопровождаются, как правило, за
редким исключением, выделением избытка энергии в виде гамма-излучения -
гамма-квантов, а иногда также и рентгеновского излучения (фотонов) с
меньшей энергией.
Гамма-излучение - это поток гамма-квантов, это электромагнитное излучение, более "жёсткое", чем обычное медицинское рентгеновское.
Название "гамма-излучение" также сохранилось исторически. Отличие
гамма-излучения от рентгеновского (как и в случае b-излучения), также
только в "месте рождения": ядро атома, а не электронные оболочки.
гамма-излучение - электромагнитное излучение, более "жёсткое", чем обычное рентгеновское.
гамма-кванты -это электромагнитные частицы - порции энергии.
"Место рождения" гамма-квантов - ядро атома.
Рентгеновское излучение - это тоже электромагнитное излучение, но
"место рождения" рентгеновского излучения - электронные оболочки атомов.
Основные характеристики радиоактивного распада
Все виды самопроизвольных (спонтанных) радиоактивных превращений (и распада, и деления) - процесс случайный, статистический.
Все виды самопроизвольного радиоактивного распада характеризуются
временем жизни радионуклида и его активностью, то есть скоростью
распада. Показателем времени жизни радионуклида, скорости его распада
является период полураспада. Используется также радиоактивная
постоянная или постоянная (константа) распада.
Период полураспада (T1/2)- время, в течение которого половина
радиоактивных атомов распадается и их количество уменьшается в 2 раза.
Периоды полураспада у всех радионуклидов разные - от долей секунды
(короткоживущие радионуклиды) до миллиардов лет (долгоживущие).
Активность - это количество актов распада (в общем случае актов
радиоактивных, ядерных превращений) в единицу времени (как правило, в
секунду). Единицами измерения активности являются беккерель и кюри.
Беккерель (Бк) - это один акт распада в секунду (1 расп/сек).
Единица названа в честь французского физика, лауреата Нобелевской
премии Антуана Анри Беккереля.
Кюри (Ки) - 3,7·1010 Бк (расп/сек). Эта единица возникла
исторически: такой активностью обладает 1 грамм радия-226 в равновесии
с дочерними продуктами распада. Именно с радием-226 долгие годы
работали лауреаты Нобелевской премии французские учёные супруги Пьер
Кюри и Мария Склодовская-Кюри.
Кратными единицами для беккереля являются тысяча (кило-беккерель, кБк),
миллион (мегабеккерель, МБк) и миллиард (гигабеккерель, ГБк).
Дольными единицами для кюри являются тысячная доля кюри - милликюри (мКи), и миллионная доля - микрокюри (мкКи, мКи):
1 мКи = 3,7 х 107 Бк; 1мкКи = 3,7 х 104 Бк.
Есть понятие "удельная активность" (весовая или объёмная) - это
активность единицы массы (веса) или объёма вещества. Или, точнее,
активность радионуклида (или смеси радионуклидов) в единице веса или
объёма вещества. Иногда используют площадную активность: Бк или Ки на
м2 или км2
Ориентировочно можно считать, что активность небольшого количества
(граммы) и/или с небольшой начальной активностью (мКи; мкКи)
радионуклида уменьшается до практически безопасного уровня (иногда
почти до нуля) через 10 периодов полураспада. За это время количество
радиоактивных атомов, а значит и актов распада, то есть активность,
уменьшается в 210 = 1024 раза.
Радиоактивная постоянная (постоянная или константа распада) l - это доля атомов, распадающихся в 1 секунду.
l = 0,693/Т1/2 (сек-1), где
0,693 - это ln 2 из закона радиоактивного распада Nt = N0 х e-lt, где
N0 и Nt - число радиоактивных атомов в начальный (нулевой) момент времени и число атомов, оставшихся к моменту t;
t - время в секундах.
Так как за время, равное одному периоду полураспада, число
радиоактивных атомов уменьшается в два раза, то при t = T1/2 имеем: Nt
= N0/2: e-lt = 1/2; e-lt = 2 (где t = T1/2 ) и в итоге ln2 = l х Т1/2
|