Радиоактивность

Почти 90 % из 2500 известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью. У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209 не существует. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержат избыток нейтронов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.
Термин «радиоактивность», получивший название от латинских слов «radio» – «излучаю» и «activus» – «действенный», означает самопроизвольное превращение атомных ядер, сопровождающееся испусканием гамма-излучения, элементарных частиц или более лёгких ядер. В основе всех известных науке типов радиоактивных превращений лежат фундаментальные (сильные и слабые) взаимодействия частиц, входящих в состав атома. Неизвестный до этого вид проникающего излучения, испускаемого ураном, обнаружил в 1896 году французский ученый Антуан Анри Беккерель, а в широкий обиход понятие «радиоактивность» ввела в начале 20-го века Мария Кюри, которая, исследуя невидимые лучи, испускаемые некоторыми минералами, сумела выделить чистый радиоактивный элемент – радий.

Отличия радиоактивных превращений от химических реакций

Главная особенность радиоактивных превращений заключается в том, что они происходят самопроизвольно, в то время как для химических реакций в любом случае требуются какие-либо внешние воздействия. Кроме того, радиоактивные превращения протекают непрерывно и всегда сопровождаются выделением определенного количества энергии, которое зависит от силы взаимодействия атомных частиц между собой. На скорость протекания реакций внутри атомов не влияет ни температура, ни наличие электрического и магнитного полей, ни применение самого эффективного химического катализатора, ни давление, ни агрегатное состояние вещества. Радиоактивные превращения не зависят ни от одного внешнего фактора и не могут быть ни ускорены, ни замедлены.

Закон радиоактивного распада

Интенсивность радиоактивного распада, а также его зависимость от количества атомов и времени, выражена в Законе радиоактивного распада, открытом Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди в 1903 году. Для того чтобы прийти к определенным выводам, нашедшим впоследствии свое отражение в новом законе, ученые провели следующий эксперимент: они отделяли один из радиоактивных продуктов и изучали его самостоятельную активность отдельно от радиоактивности вещества, из которого он был выделен. В итоге, было обнаружено, что активность любых радиоактивных продуктов вне зависимости от химического элемента со временем уменьшается в геометрической прогрессии. Исходя из этого, ученые сделали вывод, что скорость радиоактивного превращения всегда пропорциональна числу систем, которые еще не подверглись превращению.

Нуклид (почти синоним: изотоп) — разновидность ядер, определяемая количеством протонов и нейтронов.
Массовое число — общее количество нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) в ядре.
Изобары — нуклиды с одинаковым массовым числом, различающиеся по числу протонов, т. е. заряду ядра.
Промежуток времени, за которое распадается половина изначально взятых ядер данного нуклида, называется периодом полураспадаT½. Время жизни ядра в среднем в 1,44 раза больше, чем T½.

Традиционный символ радиоактивности — трилистник, состоящий из ядра и трех лепестков. Считается, что последние символизируют три основных вида ионизирующего излучения, испускаемого при радиоактивных распадах (α, β и γ), хотя авторы знака, введенного в 1948 г. в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, не предполагали такую трактовку. Изображение: «Троицкий вариант»
Традиционный символ радиоактивности — трилистник, состоящий из ядра и трех лепестков. Считается, что последние символизируют три основных вида ионизирующего излучения, испускаемого при радиоактивных распадах (α, β и γ), хотя авторы знака, введенного в 1948 г. в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, не предполагали такую трактовку. Изображение: «Троицкий вариант»
  1. Радиоактивность — внутриядерный процесс, электронная оболочка атома играет второстепенную роль. Влияние внешних факторов на скорость распада ничтожно. Из всех типов радиоактивности лишь для электронного захвата было обнаружено слабое (< 1%) изменение скорости распада при «лабораторных» давлениях и температурах, так как вероятность е-захвата зависит от плотности электронной оболочки вблизи ядра, которая в свою очередь слегка зависит от давления, температуры и химического окружения атома. Лишь в крайне жестких условиях (полная ионизация) происходит существенное изменение скорости некоторых β-распадов.
  2. Радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону: за одно и то же время количество ядер данного типа уменьшается в одно и то же количество раз. Ядра не стареют: через миллиард лет существования шансы ядра распасться в следующую секунду будут точно такими же, как и в первую секунду после его образования. Постоянство скорости распада лежит в основе методов изотопной геохронологии.
  3. Существует несколько типов радиоактивного распада; нуклид может быть стабильным, распадаться по одному или нескольким конкурирующим каналам (так, уран-238 обычно испытывает α-распад, но изредка распадается и по каналам спонтанного деления и ββ-распада). Если дочернее ядро тоже радиоактивно, цепочка распадов продолжается до стабильного ядра.
  4. Все типы радиоактивности разбиваются на три группы. Распады первой группы разделяют ядро на две (или больше) системы нуклонов. Это α-распад (эмиссия α-частицы, ядра гелия-4), спонтанное деление (развал тяжелых ядер на два, редко три осколка близкой массы) и кластерный распад — эмиссия ядром достаточно легких (но тяжелее α-частицы) ядер. У искусственных радионуклидов обнаружена также одно- и двухнуклонная радиоактивность.
  5. Вторая группа — β-процессы. В них ядро не теряет нуклонов, но изменяет заряд, смещаясь по изобарной цепочке к «долине β-стабильности». При β-распадеодин из нейтронов становится протоном, излучая электрон (его в этом случае называют β-частицей) и антинейтрино. Обратный процесс, когда протон ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино, называется β+-распадом. Он всегда конкурирует с е-захватом (вместо излучения позитрона захватывается электрон из атомной оболочки); при энергии распада < 1,022 МэВ β+-распад запрещен, происходит лишь e-захват. Крайне редкие двойные β-процессы (ββ) меняют заряд ядра на две единицы; такие распады пока обнаружены лишь для десятка нуклидов, все с временем жизни ≥ 1019 лет.
  6. К третьей группе относятся изомерные переходы: ядро перестраивается, не меняя ни массовое число, ни заряд. Выделяемая энергия уносится электроном оболочки (внутренняя конверсия) или γ-квантом.
    Теплоизолированная таблетка, спрессованная из оксида плутония-238, раскалена докрасна энергией, выделяющейся при его α-распаде. Фото LANL
    Теплоизолированная таблетка, спрессованная из оксида плутония-238, раскалена докрасна энергией, выделяющейся при его α-распаде. Фото LANL
  7. Время жизни радионуклидов лежит в очень широких пределах. Распад 4H на ядро трития и нейтрон протекает в среднем за 10–22 с, а ββ-распад 128Te — за 5∙1024 лет. Типичная энергия распада — от единиц килоэлектрон-вольт (некоторые β-распады) до сотен мегаэлектрон-вольт (деление). При прочих равных условиях большее энерговыделение означает меньшее время жизни.
  8. Многие природные изотопы теоретически нестабильны по отношению к различным видам распада, но радиоактивность экспериментально обнаружена лишь у некоторых из них. Так, недавно выяснилось, что единственный природный изотоп висмута (209Bi, считавшийся самым тяжелым стабильным ядром) α-активен с T½ = 2∙1019 лет.
  9. За 4,6 млрд лет, прошедших с момента нуклеосинтеза (взрыва сверхновой, внесшего тяжелые нуклиды в протосолнечную туманность незадолго до формирования Солнечной системы), из первых 92 элементов таблицы Менделеева два — технеций и прометий — практически полностью «вымерли», как и все элементы за ураном. Из 90 элементов, оставшихся на Земле, не менее двадцати пяти содержат долгоживущие радионуклиды. Дожить до наших дней смогли лишь 288 нуклидов, стабильных или радиоактивных с T½ ≥ 0,7 млрд лет.
  10. Природная радиоактивность, кроме долгоживущих, обусловлена и короткоживущими ядрами — космогенными и радиогенными; первые возникают в реакциях с космическими лучами (например, углерод-14), вторые — при распаде других ядер (например, изотопы радона). На реакторах и ускорителях получено более трех тысяч искусственных радионуклидов, продуктов различных ядерных реакций.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *