Радиоактивность, типы превращений, закон радиоактивного распада

 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 радиоактивности состоит в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем состоянии. Такие превращения сопровождаются испусканием ядрами элементарных частиц либо других ядер, например ядер He (α-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 α-частиц, протонов или осколков деления ядер: вторые проявляются в β-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 β-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.

Типы радиоактивных превращений.

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

1) альфа-распад,

2) все варианты бета-распада (с испусканием электрона, позитрона или с захватом орбитального электрона),

3) спонтанное деление ядер,

4) протонная радиоактивность,

5) двупротонная радиоактивность

6) двунейтронная радиоактивность.

К двухступенчатым радиоактивным  превращениям относят процессы испускания т. н. запаздывающих частиц: протонов, нейтронов, a-частиц, ядер трития и 3He, а также запаздывающее спонтанное деление.  

Историческая справка.

Открытие радиоактивности датировано 1896, когда А. Беккерель обнаружил испускание ураном неизвестного 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 – α-, β-, γ-лучей - и выявлена их природа. В 1903 Резерфорд и Ф. Содди выяснили, что испускание α-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 естественной радиоактивностью нет принципиального различия. В результате изучения искусственной радиоактивности были открыты новые варианты β-распада - испускание позитронов (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) и электронный захват (Л. Альварес, 1938).

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 T1/2 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.  
 
Альфа-распад представляет собой самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро . В результате a-распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы, например:

  
Известно более 200 α-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за Pb, которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z = 82. Известно также около 20 α-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь α-распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N = 84, которые при испускании α-частиц превращаются в ядра с заполненной нейтронной ядерной оболочкой (N =82). Времена жизни α-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3×10-7сек (для 212Po) до (2-5)×1015 лет (природные изотопы 142Ce, 144Nd, 174Hf). Энергия наблюдаемого a-распада лежит в пределах 4-9 Мэв (за исключением длиннопробежных a-частиц) для всех тяжёлых ядер и 2-4,5 Мэв для редкоземельных элементов. 
 
Бета-распад представляет собой самопроизвольное взаимное превращение протонов и нейтронов, происходящее внутри ядра и сопровождающееся испусканием или поглощением электронов (е-) или позитронов (е+), нейтрино (ne) или антинейтрино ( ). 
 
1) Электронный – β--распад: n0 → р+ + е- +ṽe ; например,

 
2) Позитронный β+- распад: energy + р+ → n0 + е+ + υe  ; например,

 
 
3) Электронный захват: p+ + e- → n + υe.

 
 
Энергия при β-распаде распределяется между 3 частицами: электроном или позитроном, антинейтрино или нейтрино и конечным ядром; поэтому спектр β-частиц сплошной. Бета-радиоактивные изотопы встречаются у всех элементов периодической системы. Особенностью электронного захвата является слабая зависимость его скорости от химического состояния превращающихся атомов. Ядро захватывает электрон с какой-либо из электронных оболочек атома, а вероятность подобного захвата определяется строением не только внутренней оболочки, отдающей ядру электрон, но и (в меньшей степени) более отдалённых оболочек, в том числе и валентных. Изменение заряда ядра при β-распаде влечёт за собой последующую перестройку ("встряску") электронных атомных оболочек, возбуждение, ионизацию атомов и молекул, разрыв химических связей. Химические последствия β-распада (и в меньшей степени др. радиоактивных превращений) являются предметом многочисленных исследований.

 
 
Спонтанное деление представляет собой самопроизвольный распад тяжёлых  ядер на два (реже - 3 или 4) осколка - ядра элементов середины периодической системы. Спонтанное деление и α-распад ограничивают возможности получения новых трансурановых элементов.

 
 
Протонная и двупротонная радиоактивность должны представлять собой самопроизвольный распад нейтронодефицитных ядер с испусканием 1 или одновременно 2 протонов, проникающих сквозь кулоновский барьер путём туннельного эффекта. Причиной возможности двупротонной радиоактивности служит спаривание в ядре протонов с противоположно направленными спинами, сопровождающееся выделением энергии около 2 Мэв. В результате этого испускание из ядра одновременно пары протонов может потребовать затраты меньшей энергии, чем отрыв одного из них от другого, а в ряде случаев может идти даже с выделением энергии (причём за время > 10-12 сек), тогда как испускание одиночного протона потребовало бы, наоборот, затраты энергии. 
 
Трудности наблюдения протонной и двупротонной радиоактивности обусловлены как коротким (по сравнению с другими типами радиоактивности) временем жизни р- и 2р-радиоактивных ядер, так и тем, что эти ядра характеризуются очень сильным дефицитом нейтронов и потому могут быть получены в ядерных реакциях, сопровождающихся вылетом большого числа нейтронов и поэтому маловероятных. Протонную радиоактивность до сих пор удалось наблюдать лишь при распаде не основного, а возбуждённого (изомерного) состояния ядра 53MCo. Двупротонная радиоактивность так же, как и двунейтронный распад, экспериментально пока не обнаружены.

 
Гамма-лучи. Ядерные изомеры. Испускание g-квантов сопровождает радиоактивность в тех случаях, когда "дочерние" ядра образуются в возбуждённых состояниях. Время жизни ядер в таких возбуждённых состояниях определяется свойствами (спином, чётностью, энергией) данного уровня и нижележащих уровней, на которые могут происходить переходы с испусканием g-квантов. Длительность g-переходов резко возрастает с уменьшением их энергии и с увеличением разности моментов исходного и конечного состояний ядра. В ряде случаев эта длительность существенно превышает 10-10 - 10-9 сек, т. е. наряду с основным состоянием данного стабильного или радиоактивного ядра может относительно долго (иногда годы) существовать его метастабильное возбуждённое (изомерное) состояние. Для многих ядерных изомеров наблюдается явление внутренней электронной конверсии: возбуждённое ядро, не излучая g-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие чего один из электронов вылетает из атома. После внутренней конверсии возникает вторичное излучение рентгеновского и оптического диапазона вследствие заполнения одним из электронов освободившегося места и последующих переходов. Участие электронных оболочек в конверсионных переходах приводит к тому, что время жизни соответствующих изомеров зависит (хотя и очень слабо) от химического состояния превращающихся атомов. 
 
Радиоактивные ряды (семейства).

Во многих случаях  продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными и тогда  образованию стабильного изотопа  предшествует цепочка из нескольких актов радиоактивного распада. Примерами таких цепочек являются радиоактивные ряды природных изотопов тяжёлых элементов, которые начинаются нуклидами 238U, 235U, 232Th и заканчиваются стабильными изотопами свинца 206РЬ, 207РЬ, 208РЬ. Многие радиоактивные изотопы могут распадаться по 2 или нескольким из перечисленных выше основных типов Р. В результате такой конкуренции разных путей распада возникают разветвления радиоактивных превращений. Для природных радиоактивных изотопов характерны разветвления, обусловленные возможностью a- и b--распадов. Для изотопов трансурановых элементов наиболее распространены разветвления, связанные с конкуренцией a- (реже b--) распадов и спонтанного деления. У нейтронодефицитных ядер зачастую наблюдается конкуренция b+-распада и электронного захвата. Для многих изотопов с нечётными Z и чётными А оказываются энергетически возможными два противоположных варианта b-распада: b--распад и электронный захват или b-- и b+-распады.

 
Заключение.

Открытие радиоактивности 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 других областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям. За работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности, 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.