Радиоактивность

  Радиоактивность (от лат. radio — излучаю, radius — луч и activus — действенный), самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно — изотоп другого элемента). Сущность явления радиоактивность состоит в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем (метастабильном) состоянии. Такие превращения сопровождаются испусканием ядрами элементарных частиц либо других ядер, например ядер ²He (a-частиц). Все известные типы радиоактивных превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий микромира:сильных взаимодействий (ядерные силы) или слабых взаимодействий. Первые ответственны за превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц, например a-частиц, протонов или осколков деления ядер: вторые проявляются в b-распаде ядер. Электромагнитные взаимодействия ответственны за квантовые переходы между различными состояниями одного и того же ядра, которые сопровождаются испусканием гамма-излучения. Эти переходы не связаны с изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной классификации, не принадлежат к числу радиоактивных превращений. Понятие «Радиоактивность» распространяют также на b-распад нейтронов. 
Радиоактивность следует отличать от превращений составных ядер, образующихся в процессе ядерных реакций в результате поглощения ядром-мишенью падающей на него ядерной частицы. Время жизни такого ядра значительно превышает время пролёта падающей частицей расстояния порядка ядерных размеров (10^-21—10^-22 сек) и может достигать 10^-13—10^-14 сек. Поэтому условно нижней границей продолжительности жизни радиоактивных ядер считается время порядка 10^-12 сек. 
   Открытие Радиоактивность датировано 1896, когда А. Беккерель обнаружил испускание ураномнеизвестного вида проникающего излучения, названного им радиоактивным. Вскоре была обнаружена Радиоактивность тория, а в 1898 супруги М. Кюри и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента — полоний и радий. Работами Э. Резерфорда и упомянутых учёных было установлено наличие 3 видов излучения радиоактивных элементов — a-, b- и g-лучей — и выявлена их природа. В 1903 Резерфорд и Ф. Содди выяснили, что испускание a-лучей сопровождается превращением химических элементов, например превращением радия в радон. В 1913 К. Фаянс (Германия) и Содди независимо сформулировали правило смещения, характеризующее перемещение изотопа в периодической системе элементов при различных радиоактивных превращениях. 
В 1934 супругами И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри была открыта искусственная Радиоактивность, которая впоследствии приобрела особенно важное значение. 

Из общего числа (около 2000) известных ныне радиоактивных изотопов лишь около 300 природные, а остальные получены искусственно, в результате ядерных реакций.

  Между искусственной и естественнойРадиоактивность нет принципиального различия. В результате изучения искусственной Радиоактивность были открыты новые варианты b-распада — испускание позитронов (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) и электронный захват (Л. Альварес, 1938), предсказанный первоначально Х. Юкавой и С. Сакатой (Япония, 1935). Впоследствии были обнаружены сложные, включающие b-распад, превращения, в том числе испускание запаздывающих нейтронов (Дж. Даннинг с сотрудниками, США, 1939), запаздывающих протонов (В. А. Карнаухов с сотрудниками, СССР, 1962), запаздывающее деление ядер (Г. Н. Флёров с сотрудниками, 1966—71). Предсказана возможность существования запаздывающих излучателей ядер ³H и ³He (Э. Е. Берлович, Ю. Н. Новиков, СССР, 1969). В 1935 И. В. Курчатов с сотрудниками открыли явление изомерии (существование долгоживущих возбуждённых состояний) у искусственно радиоактивных ядер (см. Изомерия атомных ядер). В 1940 К. А. Петржак и Флёров открыли спонтанное деление ядер. Существование протонной активности предполагалось ещё Резерфордом. Перспективы обнаружения 4-го типа Радиоактивность и основные его характеристики изучались Б. С. Джелеповым (1951, СССР) и др. Экспериментально элементарный акт радиоактивного распада с испусканием протонов (из изомерного состояния) впервые наблюдали Дж. Черны с сотрудниками (США, 1970). В 1960 В. И.Гольданский предсказал существование двупротонной Радиоактивность, а в 1971 Гольданский и Л. К. Пекер (СССР) — двунейтронный радиоактивный распад ядер

(только из изомерного состояния). 
Открытие Радиоактивность оказало огромное влияние на развитие науки и техники. Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры вещества. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности и многих др. областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способностихимических элементов к самопроизвольным превращениям. За работы, связанные с исследованием и применениемРадиоактивность, было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии, в том числе А. Беккерелю, П. и М. Кюри, Э.Ферми, Э. Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д. Хевеши, О. Гану, Э. Макмиллану и Г. Сиборгу, У. Либби и др.

Закон радиоактивного распада. Единицы радиоактивности. Для процессов радиоактивного распада ядер (и элементарных частиц) характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа активных ядер. Этот закон отражает независимость распада отдельного ядра от остальных ядер. Обычно продолжительность жизни радиоактивных ядер

характеризуют периодом полураспада — промежутком времени T_1/2 на протяжении которого число радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое. Поскольку продолжительность жизни отдельного ядра оказывается неопределённой, экспоненциальный закон распада выполняется лишь в среднем, причём тем точнее, чем больше полное число радиоактивных ядер. 
  Основная единица радиоактивности — кюри, первоначально определялась как активность 1 г Ra. В дальнейшем под 1 кюри стали понимать активность радиоактивного препарата, в котором происходит 3,7×10¹⁰ распадов в сек. Широко используются дробные единицы (например, мкюри, мккюри) и кратные единицы (ккюри, Мкюри). Другая единица радиоактивности — резерфорд, равна   кюри, что соответствует 10⁶ в сек.

  Все известные виды радиоактивность можно разделить на две группы: элементарные (одноступенчатые) превращения и сложные (двухступенчатые). К первым относятся:

альфа-распад,

все варианты бета-распада(с испусканием электрона, позитрона или с захватом орбитального электрона), спонтанное деление ядер, протонная радиоактивность,двупротонная радиоактивность двунейтронная Радиоактивность.  

В случае b-распада достаточно большое время жизни ядер обеспечивается природой слабых взаимодействий. Все остальные виды элементарных радиоактивных процессов обусловлены ядерными силами. Замедление таких процессов до промежутков времени ³ 10^-12 сек вызвано наличием потенциальных барьеров (кулоновского и центробежного), которые затрудняют вылет ядер или ядерных частиц. 
  К двухступенчатым радиоактивным превращениям относят процессы испускания т. н. запаздывающих частиц: протонов, нейтронов, a-частиц, ядер трития и ³He, а также запаздывающее спонтанное деление. Запаздывающие процессы включают в себя b-распад как предварительную стадию, обеспечивающую задержку последующего, мгновенного испускания ядерных частиц.

Таким образом, в случае двухступенчатых процессов критерий

радиоактивность относительно времени жизни удовлетворяется только для

первой стадий, благодаря её осуществлению за счёт слабых взаимодействий. 

  Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:

• лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;
• лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали β-лучами (существуют, однако, позитронные бета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);
• лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.

Альфа-распад

Основная  статья: α-распад

α-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома ⁴He).

α-распад, как правило, происходит в тяжёлых  ядрах с массовым числом А≥140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера экспоненциально уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

.

Пример:

.

В результате α-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева, массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Бета-распад

Основная  статья: β-распад

Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. β-распад — это проявление слабого взаимодействия.

β-распад (точнее, бета-минус-распад, β ⁻ -распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино.

β-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Правило смещения Содди для β ⁻ -распада:

Пример:

После β ⁻ -распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Существуют  также другие типы бета-распада. В позитронном распаде (бета-плюс-распаде) ядро испускает позитрон и нейтрино. При этом заряд ядра уменьшается на единицу (ядро смещается на одну клетку к началу таблицы Менделеева).

 Позитронный  распад всегда сопровождается конкурирующим процессом — электронным захватом (когда ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу). Однако обратное неверно: многие нуклиды, для которых позитронный распад запрещён, испытывают электронный захват. Наиболее редким из известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для десяти нуклидов, и периоды полураспадов превышают 10¹⁹ лет. Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра.