Радиоактивность. Применение радиоактивных изотопов в технике

При последующем переходе этого ядра в основное состояние  испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с двумя значениями кинетических энергий приведена на рис.2. Таким образом, α-распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением.

В теории α-распада предполагается, что внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, т.е. α-частица. Материнское ядро является для α-частиц потенциальной ямой, которая ограничена потенциальным барьером. Энергия α-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера (рис.3). Вылет α-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому явлению, которое называется туннельным эффектом. Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования имеет вероятностный характер.

 

4. Бета-распад

При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны  существовать не могут, они возникают  при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут. При распаде нейтрон превращается в протон  и электрон 

Измерения показали, что  в этом процессе наблюдается кажущееся  нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия  протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино. Она обозначается символом  . Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде

Аналогичный процесс происходит и внутри ядер при β- распаде. Электрон, образующийся в результате распада  одного из ядерных нейтронов, немедленно выбрасывается из «родительского дома» (ядра) с огромной скоростью, которая  может отличаться от скорости света  лишь на доли процента. Так как распределение  энергии, выделяющейся при β-распаде, между электроном, нейтрино и дочерним ядром носит случайный характер, β-электроны могут иметь различные скорости в широком интервале.

При β-распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным. Дочернее ядро оказывается ядром одного из изотопов элемента, порядковый номер которого в таблице Менделеева на единицу превышает порядковый номер исходного ядра. Типичным примером β-распада может служить превращение изотона тория  возникающего при α-распаде урана  в палладий 

Наряду с электронным  β-распадом обнаружен так называемый позитронный β⁺-распад, при котором из ядра вылетают позитрон  и нейтрино  . Позитрон – это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей. Позитроны возникают в результате реакции превращения протона в нейтрон по следующей схеме:

 

5. Гамма-распад

В отличие от α- и β-радиоактивности γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ. 

 

6. Закон  радиоактивного распада

В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число  радиоактивных атомов. Так как  радиоактивный распад имеет случайный  характер и не зависит от внешних  условий, то закон убывания количества N(t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Пусть за малый промежуток времени Δt количество нераспавшихся ядер N(t) изменилось на ΔN < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

ΔN = –λN(t)Δt.

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада  ядра за время Δt = 1 с. Эта формула означает, что скорость  изменения функции N(t) прямо пропорциональна самой функции.

Подобная зависимость  возникает во многих физических задачах (например, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого  уравнения приводит к экспоненциальному  закону:

 

N(t) = N0e–λt,

где N₀ – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. За время τ = 1 / λ количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза. Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра.

Для практического использования  закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя  в качестве основания число 2, а  не e:

N(t) = N0 · 2–t/T.

Величина T называется периодом полураспада. За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Величины T и τ связаны соотношением

Рис. 4. иллюстрирует закон радиоактивного распада.

Рисунок 4. Закон радиоактивного распада.

Период полураспада –  основная величина, характеризующая  скорость радиоактивного распада. Чем  меньше период полураспада, тем интенсивнее  протекает распад. Так, для урана T ≈ 4,5 млрд. лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность радия значительно выше, чем урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды.

При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер. В природе существует несколько таких серий. Наиболее длинной является серия  состоящая из 14 последовательных распадов (8 – альфа-распадов и 6 бета-распадов). Эта серия заканчивается стабильным изотопом свинца  (рис. 5).

Рисунок 5. Схема распада радиоактивной  серии  Указаны периоды полураспада.

В природе существуют еще  несколько радиоактивных серий, аналогичных серии  . Известна также серия, которая начинается с нептуния  не обнаруженного в естественных условиях, и заканчивается на висмуте  . Эта серия радиоактивных распадов возникает в ядерных реакторах.

Правило смещения. Правило смещения точно указывает, какие именно превращения претерпевает химический элемент, испуская радиоактивное излучение. 

 

7. Радиоактивные  ряды

Правило смещения позволило  проследить превращения естественных радиоактивных элементов и выстроить  из них три генеалогических дерева, родоначальниками которых являются уран-238, уран-235 и торий-232. Каждое семейство  начинается с чрезвычайно долгоживущего  радиоактивного элемента. Урановое семейство, например, возглавляет уран с массовым числом 238 и периодом полураспада 4,5·10⁹ лет (в табл. 1 в соответствии с первоначальным названием обозначен как уран I).

Таблица 1. Радиоактивное  семейство урана
Радиоактивный элемент	Z	Химический элемент	А	Тип излуче- ния	Период полурас- пада
Уран I	92	Уран	238	a	10×4,59лет
Уран X1	90	Торий	234	b	24,1 сут
Уран X2  Уран Z	91 91	Протактиний Протактиний	234 234	b –(99,88%)  (0,12%)b	1,14 мин ,7 ч
Уран II	92	Уран	234	a	10×2,55лет
Ионий	90	Торий	230	a	10×84 лет
Радий	88	Радий	226	a	1620 лет
Радон	86	Радон	222	a	3,8 сут
Радий А	84	Полоний	218	a	3,05 мин
Радий В	82	Свинец	214	b	26,8 мин
РадийС Радий С	83  83	Висмут  Висмут	214  214	b(99,96%) a (0,04%)	19,7 мин 19,7 мин
¢Радий С	84	Полоний	214	a	10×1,6–4 с
¢¢Радий С	81	Таллий	210	b	1,3 мин
Радий D	82	Свинец	210	b	25 лет
Радий Е	83	Висмут	210	b	4,85 сут
Радий F	84	Полоний	210	a	138 сут
Радий G	82	Свинец	206	Стабилен

 

 

Семейство урана. На элементах семейства урана можно проследить большинство обсуждавшихся выше свойств радиоактивных превращений. Так, например, у третьего члена семейства наблюдается ядерная изомерия. Уран X₂, испуская бета-частицы, превращается в уран II (T = 1,14 мин). Это соответствует бета-распаду возбужденного состояния протактиния-234. Однако в 0,12% случаев возбужденный протактиний-234 (уран X₂) излучает гамма-квант и переходит в основное состояние (уран Z). Бета-распад урана Z, также приводящий к образованию урана II, происходит за 6,7 ч.

 путем эмиссии альфа- и бета-частиц соответственно превращаются в радий D.¢¢ и RaC¢). В свою очередь RaC¢¢ (RaC¢¢. В 0,04% случаев радий С испускает альфа-частицу и превращается в радий С¢Радий С интересен тем, что может распадаться двумя путями: испуская либо альфа-, либо бета-частицу. Эти процессы конкурируют между собой, но в 99,96% случаев происходит бета-распад с образованием радия С

Изотопы. Среди членов уранового семейства встречаются такие, атомы которых имеют одинаковый атомный номер (одинаковый заряд ядер) и разные массовые числа. Они идентичны по химическим свойствам, но различаются по характеру радиоактивности. Например, радий B, радий D и радий G, имеющие одинаковый со свинцом атомный номер 82, подобны свинцу по химическому поведению. Очевидно, что химические свойства не зависят от массового числа; они определяются строением электронных оболочек атома (следовательно, и Z). С другой стороны, массовое число имеет решающее значение для ядерной стабильности радиоактивных свойств атома. Атомы с одинаковым атомным номером и разными массовыми числами называются изотопами. Изотопы радиоактивных элементов были открыты Ф.Содди в 1913, но вскоре Ф.Астон с помощью масс-спектроскопии доказал, что изотопы имеются и у многих стабильных элементов.

8.Действие радиоактивного  излучения на человека

Радиоактивное излучение  всех видов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают  очень сильное биологическое  воздействие на живые организмы, которое заключается в процессах  возбуждения и ионизации атомов и молекул, входящих в состав живых  клеток. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и клеточные структуры, что приводит к лучевому поражению организма. Поэтому при работе с любым источником радиации необходимо принимать все меры по радиационной защите людей, которые могут попасть в зону действия излучения.

Однако человек может  подвергаться действию ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Серьезную  опасность для здоровья человека может представлять инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон  Как видно из схемы, изображенной на рис.5, радон является продуктом α-распада радия и имеет период полураспада T = 3,82 сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в различных строительных конструкциях. Несмотря на сравнительно небольшое время жизни, концентрация радона непрерывно восполняется за счет новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях. Попадая в легкие, радон испускает α-частицы и превращается в полоний  который не является химически инертным веществом. Далее следует цепь радиоактивных превращений серии урана (рис. 5). По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55% ионизирующей радиации за счет радона и только 11% за счет медицинских обслуживаний. Вклад космических лучей составляет примерно 8%. Общая доза облучения, которую получает человек за жизнь, во много раз меньше предельно допустимой дозы (ПДД), которая устанавливается для людей некоторых профессий, подвергающихся дополнительному облучению ионизирующей радиацией.