Радиоактивные превращения

Радиоактивные превращения

Радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений.

Различают следующие виды радиоактивных превращений.

1. α-Распад характерен для естественных радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами (т.е. для элементов с малыми энергиями связи). Реакция этого вида превращения может быть показана на примере распада радия:

Таким образом, α-распад приводит к уменьшению порядкового номера вещества на 2 единицы и массового числа на 4 единицы.

Закон превращения ядра при α-распаде в общем виде может быть записан следующим образом:

где X - символ исходного ядра; Y - символ ядра - продукта распада.

α-Частицы, испускаемые данным изотопом, по своей энергии или однородны, или разделяются на небольшое число групп. Ис- пускание α-частиц различной энергии ядрами одного и того же вида может происходить при различных энергетических уровнях. Поэтому при распаде могут возникать возбужденные ядра (про-

дукты распада), которые, переходя в основное состояние, испускают γ-кванты. Наблюдаемые на опыте значения энергий γ-квантов равны разности энергий соответствующих двух групп α-частиц (с учетом энергии ядра отдачи).

2. Электронный β-распад характерен как для естественных, так и для искусственных радиоактивных элементов. Этот вид радиоактивного распада может быть представлен на следующем примере:

т.е. ядро испускает электрон и при этом возникает ядро нового элемента при неизменном массовом числе. Энергетический спектр β-частиц непрерывный, так как вылет электронов сопровождается выбросом нейтрино - элементарной частицы с массой менее 1/2000 массы покоя электрона. Суммарная энергия β-частиц и нейтрино равна максимальной энергии, характерной для данного изотопа. В общем виде электронный распад может быть записан следующим образом:

где ν - нейтрино.

При испускании β-частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии. Переход их в невозбужденное состояние сопровождается испусканием γ-квантов.

3. Позитронный β-распад наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов, например:

и в общем виде:

Следовательно, при позитронном распаде порядковый номер распадающегося атома уменьшается на единицу, а масса практи- чески не изменяется. Аналогично спектру энергии электронного β-распада спектр энергии позитронного распада непрерывен.

4. К-захват (захват орбитального электрона ядром). При этом процессе ядро захватывает электрон с К-оболочки и происходит такое же превращение ядра, как и при позитронном распаде:

Реакция в общем виде может быть записана так:

Позитронный распад и К-захват являются конкурирующими процессами. Если возможно испускание позитрона, то возможен и процесс К-захвата. В том случае, когда энергия γ-кванта меньше энергии покоя электрона (Е0< m0С2), единственным энергетически возможным процессом бывает К-захват.

При К-захвате единственной вылетающей из ядра частицей является нейтрино. При К-захвате возникает характеристическое рентгеновское излучение.

5. Деление ядер. Этот процесс наблюдается у радиоактивных элементов с большим атомным номером (например, 235U, 239Pu и др.) при захвате их ядрами медленных нейтронов. Вероятность осуществления деления ядер по сравнению с вероятностью их α-распада незначительна.

Одни и те же ядра при делении формируют различные пары осколков, которые представляют собой ядра средних массовых чи- сел, например:

В результате деления тяжелых ядер образуются осколки с избыточным количеством нейтронов. Эти осколки часто претерпевают несколько последовательных β-распадов, например:

Возникающие при самопроизвольном делении тяжелых ядер ядра легких элементов имеют большую энергию связи, приходящуюся на одну частицу. При этом выделяется энергия, соответ-

ствующая разнице энергии связи частиц в ядрах тяжелых и легких элементов. Это явление служит для получения ядерной энергии. В случае, если возникающие при делении одного ядра нейтроны вновь используются для последующего деления других ядер, реакция будет цепной. Условия для такой реакции создаются в реакторах. Когда цепная реакция нарастает лавинообразно в результате выделения энергии в течение короткого промежутка времени, происходит взрыв. Это явление возможно тогда, когда масса способного к делению материала достигает критической величины (например, в атомных зарядах при их взрывах).

6. Термоядерные реакции протекают лишь при температурах, достигающих нескольких миллионов градусов. В этих условиях ядра легких элементов, двигаясь с большими кинетическими энергиями, будут сближаться на малые расстояния и объединяться в ядра более тяжелых элементов, например:

На этом принципе основано устройство термоядерных зарядов. Они состоят из плутониевого запала, служащего для создания высокой температуры, и смеси изотопов легкого элемента.

При изучении процесса радиоактивного распада было установлено, что не все ядра радиоактивного изотопа распадаются одно- моментно, в каждую единицу времени распадается лишь некоторая доля общего числа радиоактивного элемента. Эта неизменная для каждого радиоактивного вещества величина, которая характеризует вероятность распада, была названа постоянной распада и обозначена λ.

Отсюда закон радиоактивного распада может быть сформулирован так: количество атомов данного изотопа, претерпевающего ядерное превращение в 1 с, пропорционально общему их количеству, или иначе: в равные промежутки времени имеет место ядерное превращение равных долей активных атомов изотопа.

Этот закон имеет следующее математическое выражение:

где N - количество активных атомов; dN - число ядерных превращений за промежуток времени t. Интегрируя это уравнение, получаем:

Постоянная интегрирования С определяется из начальных условий: t = 0; N = N0. Подставив начальные условия в первое равенство, получим С = N0. Поэтому в окончательном виде первое равенство примет вид:

где Т - период полураспада - время, в течение которого распадается половина всех атомов данного радиоактивного изотопа.

В зависимости от периода полураспада различают короткоживущие изотопы, период полураспада которых исчисляется долями секунды, минутами, часами, сутками, и долгоживущие изотопы, период полураспада которых составляет от нескольких месяцев до миллиардов лет.

Скорость ядерных превращений характеризуется активностью, т.е. числом ядерных превращений в единицу времени.

За единицу активности радиоактивного вещества принимается беккерель (Бк) - одно превращение в секунду. Килобеккерель (кБк), мегабеккерель (МБк) составляет 106 Бк, гигабеккерель (ГБк) - 109 Бк, терабеккерель (ТБк) - 1012 Бк, петабеккерель (ПБк) - 1015 Бк. Внесистемная специальная единица активности - кюри (Ки). Кюри - единица активности радиоактивных веществ, определяемая как ак- тивность препарата данного изотопа, в котором в 1 с происходит 3,7?1010 ядерных превращений (1 Ки = 3,7?1010 Бк). Применяются и внесистемные производные от кюри: милликюри (мКи) - 0,001 кюри, микрокюри (мкКи) - 10-6 кюри, нанокюри (нКи) - 10-9 кюри, пикокюри (пКи) - 10-12 кюри, аттокюри (аКи) - 10-18 кюри.

Между активностью в единицах кюри и массой радиоактивных веществ в граммах существует определенная связь. Общее количе- ство активных атомов данного изотопа можно найти по формуле:

Отсюда понятно, что с уменьшением λ или возрастанием Т масса радиоактивного материала при одной и той же активности возрастает. Так, для 131I, для которого период полураспада равен 8,06 сут, масса 1 Ки составляет 0,008 мг, а масса 1 Ки 238U, для которого период полураспада равен 4,5 млрд лет, - около 3 т.

YAmedik.org