Радиоактивность

Известно $2500$ атомных ядер, и $90 \%$ из них являются нестабильными.

Большие ядра получают нестабильность, как результат конкурирования притяжения нуклонов ядерными силами и кулоновского отталкивания протонов. Стабильных ядер с зарядовым числом $Z>83$ и массовым числом $A>209$ не существует. Однако радиоактивными свойствами могут обладать ядра атомов со значимо меньшими значениями чисел $Z$ и $A$. Когда в составе ядра количество протонов существенно превышает число нейтронов, нестабильность объясняется излишком энергии кулоновского взаимодействия. Если же ядро содержит больше нейтронов, оно становится нестабильным, как следствие факта, что масса нейтрона больше массы протона. Если увеличивается масса ядра, растет и его энергия.

Явление радиоактивности открыл физик А.Беккерель в $1896$ году: было обнаружено, что соли урана испускают неизвестное излучение, имеющее способность проходить сквозь препятствия и вызывать почернение фотоэмульсии. А спустя пару лет физики М. и П. Кюри зафиксировали радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний ${}_{84}{}^{210}\mathrm{Po}$ и радий ${}_{88}{}^{226}\mathrm{Ra}$.

В дальнейшем за изучение природы радиоактивных излучений принимались многие ученые, например, Э. Резерфорд со своими учениками. Было обнаружено, что радиоактивные ядра способны испускать три вида частиц: положительно заряженные, отрицательно заряженные и нейтральные.

Рис. $6.7.1$ отображает схему опыта, результатом которого стало обнаружение сложного состава радиоактивного излучения. В магнитном поле $\alpha$- и $\beta$-лучи отклоняются в противоположных друг другу направлениях (отклонение $\beta$-лучей значимо больше); $\gamma$-лучи в магнитном поле вообще не получают отклонения.

Рисунок $6.7.1.$ Схема эксперимента по обнаружению $\alpha$-, $\beta$- и $\gamma$-излучений. $К$ – свинцовый контейнер, $П$ – радиоактивный препарат, $Ф$ – фотопластинка, $\overrightarrow{B}$ – магнитное поле.

Обнаруженные учеными три типа радиоактивных излучений имеют существенные отличия друг от друга в отношении способности ионизировать атомы вещества, а значит и по проникающей способности. Наименьшая проникающая способность характерна для $\alpha$-излучения. В воздушной среде при нормальных условиях $\alpha$-лучи проходят путь в несколько сантиметров. $\beta$-лучи, в свою очередь, менее поглощаемы веществом. Они имеют возможность проходить сквозь слой алюминия толщиной в несколько $мм$. Наконец, наибольшая проникающая способность принадлежит $\gamma$-лучам, имеющим способность проникать через слой свинца толщиной $5–10 см$.

Рассмотрим подробнее существующие виды радиоактивного распада.

Альфа-распад

Также результатом исследований стал факт, что радиоактивное вещество способно испускать
$$$\alpha$-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Объяснение этому явлению заключается в способности ядер находиться, аналогично атомам, в различных возбужденных состояниях. В одном из таких состояний может оказаться дочернее ядро при $\alpha$-распаде. Далее ядро переходит в основное состояние, и испускается $\gamma$-квант. Схема $\alpha$-распада радия с испусканием $\alpha$-частиц с двумя значениями кинетических энергий указана на рис. $6.7.2.$

Рисунок $6.7.2.$ Энергетическая диаграмма $\alpha$-распада ядер радия. Продемонстрировано возбужденное состояние ядра радона ${}_{86}{}^{222}\mathrm{Rn}^{*}$. При переходе из возбужденного состояния ядра радона в основное происходит излучение $\gamma$-кванта с энергией $0,186 МэВ$.

Итак, $\alpha$-распад ядра во множестве случаев происходит совместно с $\gamma$-излучением.

Теория $\alpha$-распада также содержит предположение о возможном образовании ядер групп, включающих в себя два протона и два нейтрона, т. е. $\alpha$-частицу. Материнское ядро служит для 
$\alpha$-частиц потенциальной ямой, ограниченной потенциальным барьером. Количество энергии 
$\alpha$-частицы в ядре не хватает, чтобы преодолеть данный барьер (рис. $6.7.3$).

Рисунок $6.7.3.$ Туннелирование $\alpha$-частицы сквозь потенциальный барьер.

Бета-распад

В процессе бета-распада ядро испускает электрон. Вообще существование в ядре электрона невозможно, т.е. появление электрона – лишь результат $\beta$-распада, сопровождающегося превращением нейтрона в протон. Такой процесс происходит как внутри ядра, так и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона равно примерно $15$ минутам. При радиоактивном распаде нейтрон ${}_0{}^{1}n$ превращается в протон ${}_1{}^{1}p$ и электрон ${}_{-1}{}^{0}e$.

В результате измерений было выявлено, что при бета-распаде наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, поскольку суммарно энергия протона и электрона, появившихся при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В $1931$ году В. Паули предположил выделение при распаде нейтрона еще одной частицы с нулевыми значениями массы и заряда, уносящей с собой часть энергии.

Нейтрино плохо взаимодействует с атомами вещества, поскольку не обладает зарядом и массой, и вследствие этого ее обнаружение в ходе эксперимента очень затруднительно. Ионизирующая способность нейтрино является настолько малой, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на $500$ $км$ пути. На данный момент известно, что существует несколько типов нейтрино.

Запись реакции распада нейтрона выглядит так:

${}_0{}^{1}n\to {}_1{}^{1}p+{}_{-1}{}^{0}e+{}_0{}^0\widetilde{v_e}$

Те же явления происходят внутри ядер при $\beta$-распаде. При распаде одного их ядерных нейтронов образуется электрон, сразу же выбрасываемый из «родительского дома» (ядра) с очень большой скоростью, отличающейся от скорости света на небольшую долю процента. Поскольку распределение энергии, выделяющейся при $\beta$-распаде, между электроном, нейтрино и дочерним ядром имеет случайный характер, $\beta$-электроны способны обладать разными скоростями в широком интервале значений.

$\beta$-распад сопровождается увеличением зарядового числа $Z$ на единицу при неизменности массового числа $A$. Дочернее ядро в данном случае есть ядро одного из изотопов элемента, чей атомный номер в периодической системе Менделеева на единицу превышает атомный номер исходного ядра. В качестве характерного примера $\beta$-распада можно рассмотреть преобразование изотона тория 
${}_{90}{}^{234}\mathrm{Th}$, возникающего при $\alpha$-распаде урана ${}_{92}{}^{238}\mathrm{U}$, в протактиний ${}_{91}{}^{234}\mathrm{Pa}$:

${}_{90}{}^{234}\mathrm{Th}\to {}_{91}{}^{234}\mathrm{Pa}+{}_{-1}{}^0\mathrm{e}+{}_0{}^0\widetilde{{\mathrm{v}}_{\mathrm{e}}}$

Совместно с электронным $\beta$-распадом было определено такое явление, как позитронный ${\beta }^{+}$-распад: ядро испускает позитрон${}_{+1}{}^{0}e$ и нейтрино ${}_0{}^{0}v_e$.

Существование позитрона предсказывалось еще в $1928$ г. великим физиком П. Дираком. Спустя несколько лет позитрон обнаружили, как составляющую космических лучей. Позитроны возникают в результате реакции преобразования протона в нейтрон по следующей схеме:

${}_1{}^{1}p\to {}_0{}^{1}n+{}_1{}^{0}e+{}_0{}^{0}v_e$

Гамма-распад

В отличие от $\alpha$- и $\beta$-радиоактивности, $\gamma$-радиоактивность ядер не имеет связи с изменением внутренней структуры ядра, а также при гамма-распаде не изменяется зарядовое или массовое число. При $\alpha$- или $\beta$-распаде дочернее ядро способно войти в некоторое возбужденное состояние и получить излишнюю энергию. Переход ядра из возбужденного состояния в основное происходит совместно с испусканием одного или более $\gamma$-квантов, чья энергия способна достигать уровня нескольких $МэВ$.

Закон радиоактивного распада

Любой образец радиоактивного вещества имеет в своем составе множество радиоактивных атомов. Поскольку для процесса радиоактивного распада характерна случайность, не зависящая от внешних условий, то закономерность в убывании количества $N \left(t\right)$ нераспавшихся к данному моменту времени $t$ ядер становится важнейшей статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Допустим, число нераспавшихся ядер $N \left(t\right)$ изменилось на $\Delta N<0$ в течение небольшого промежутка времени $\Delta t$. Поскольку вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, то количество распадов пропорционально количеству ядер $N \left(t\right)$ и промежутку времени $\Delta t$:

$∆N=-\lambda N\left(t\right)∆t$

Это выражение означает, что скорость $\frac{dN}{dt}$ изменения функции $N \left(t\right)$ прямо пропорциональна самой функции.

$\frac{dN}{dt}=-\lambda N$.

Такая зависимость имеет место во многих физических процессах (к примеру, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого уравнения дает возможность записать экспоненциальный закон: 

$N \left(t\right)=N_0 e^{–\lambda t}$

Здесь $N_0$ является начальным числом радиоактивных ядер при $t=0$.

В целях практического применения закон радиоактивного распада оптимально записать в ином виде, беря за основание число $2$, а не $e$: 

$N\left(t\right)=N_0 · 2^{\frac{–t}{T}}$.

Величины $\tau$ и $Т$ связаны друг с другом соотношением:

$T=\frac{1}{\lambda }\ln 2=\tau \ln 2=0,693\tau$

Рисунок $6.7.4$ дает представление о законе радиоактивного распада.

Рисунок $6.7.4.$ Закон радиоактивного распада.

Период полураспада является основной величиной, описывающей скорость радиоактивного распада. Чем меньше $Т$, тем интенсивность распада выше. Например, для урана $T\approx 4,5$ млрд лет, а для радия период полураспада составляет примерно $1600$ лет: таким образом, активность радия во много раз больше, чем активность урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды.

При $\alpha$- и $\beta$-радиоактивном распаде дочернее ядро тоже может стать нестабильным. Т.е. допустимы серии последовательных радиоактивных распадов, заканчивающихся тем, что образуются стабильные ядра. В природе существует несколько подобных серий. Самая длинная серия - серия 
${}_{92}{}^{238}\mathrm{U}$, включающая в себя $14$ последовательных распадов ($8$ $\alpha$-распадов и $6$ $\beta$-распадов). Эта серия заканчивается стабильным изотопом свинца ${}_{82}{}^{206}\mathrm{Pb}$ (рис. $6.7.5$).

Рисунок $6.7.5.$ Схема распада радиоактивной серии ${}_{92}{}^{238}\mathrm{U}$ с указанием периодов полураспада.

Известно еще несколько радиоактивных серий, подобных серии ${}_{92}{}^{238}\mathrm{U}$. Существует последовательность от нептуния ${}_{93}{}^{237}\mathrm{Np}$ (не обнаруженного в естественных условиях) до висмута ${}_{83}{}^{209}\mathrm{Bi}$. Эта серия радиоактивных распадов характерна для ядерных реакторов.

Радиоактивность была интересным образом использована в методе, который используется для датирования археологических и геологических находок. Датирование производится на основании концентрации радиоактивных изотопов. Чаще применяют радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода ${}_6{}^{14}\mathrm{C}$ появляется в атмосфере в результате ядерных реакций, которые вызываются космическими лучами. Малый процент этого изотопа имеется в воздухе совместно с обычным стабильным изотопом ${}_6{}^{12}\mathrm{C}$. Растения и прочие организмы потребляют углерод из воздуха, накапливая оба изотопа в такой же пропорции, что и в воздушной среде. Растение гибнет и, естественно, перестает потреблять углерод, тогда нестабильный изотоп в результате $\beta$-распада постепенно превращается в азот ${}_7{}^{14}\mathrm{N}$ с периодом полураспада $5730$ лет. Точным измерением относительной концентрации радиоактивного углерода ${}_6{}^{14}\mathrm{C}$ в останках древних организмов возможно установить время их гибели.

Радиоактивное излучение всех типов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают сильнейшее биологическое воздействие на живые организмы. Это воздействие включает в себя процессы возбуждения и ионизации атомов и молекул, составляющих живые клеток. Воздействуя на клетки, ионизирующая радиация разрушает сложные молекулы и клеточные структуры, следствием чего является лучевое поражение организма, а потому крайне важны меры радиационной защиты людей, работающих с неким источником радиации и имеющим шанс попасть в зону действия излучения.

Серьезность проблемы в том, что человек может испытать на себе действие ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Особую опасность для здоровья человека представляет инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон ${}_{86}{}^{222}\mathrm{Rn}$. Схема, изображенная на рисунке $6.7.5$, демонстрирует, что радон - продукт $\alpha$-распада радия с периодом полураспада $T=3,82$ сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в разного рода строительных конструкциях. Концентрация радона имеет относительно небольшое время жизни, но постоянно пополняется в результате новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях. Попав в легкие, радон испускает $\alpha$-частицы и преобразуется в полоний ${}_{84}{}^{218}\mathrm{Po}$, не являющийся химически инертным. Далее происходит цепь радиоактивных преобразований серии урана (рис. $6.7.5$). По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает $55 \%$ ионизирующей радиации за счет радона и только $11 \%$ за счет медицинских процедур. Доля космических лучей здесь - около $8 \%$. Общая доза облучения, получаемая человеком за жизнь, много меньше предельно допустимой дозы (ПДД), установленной для людей некоторых профессий, которые подвергаются дополнительному облучению ионизирующей радиацией.