Активность. Закон ядерного распада.

РАДИОАКТИВНОСТЬ. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Атомное ядро

Известно, что атомное ядро является небольшим образованием, состоящим из нуклонов, которые включают два типа элементарных частиц: протоны и нейтроны. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по величине заряду электрона. Масса протона в 1840 раз превышает массу электрона. Нейтрон почти на 0,1% больше, чем протон, и не имеет электрического заряда.

Каждое ядро характеризуется атомным числом (номером заряда) Z и массовым номером A. Z равно количеству протонов и общему числу нуклонов в атомном ядре. Ядра, которые имеют одно и то же атомное число, но разные массовые числа, называются изотопами. Изотопы элемента являются почти идентичными в химическом отношении.

В атомном ядре действуют три вида сил: (1) Прочные ядерные силы притяжения, действующие на близком расстоянии, неэлектрические по своей природе. Они действуют между нуклонами, удерживая их вместе. (2) Электрические силы, которые меньше по величине, являются силами отталкивания между сближенными протонами, но играют важную роль. (3) Слабые взаимодействия, которые значительно слабее, чем ядерные и электромагнитные силы. Они ответственны за бета-распад.

В природе существует свыше 100 изотопов естественного происхождения и около 300 искусственно созданных радиоактивных элементов. Но есть наиболее неустойчивые нуклиды, которые имеют тенденцию к спонтанному разрушению.

Радиоактивность

Радиоактивность - спонтанный распад (дезинтеграция) атомного ядра с излучением субатомных частиц и электромагнитных лучей. Этот феномен был обнаружен в 1896г французским физиком Беккерелем. Он обнаружил, что уран испускает невидимые лучи, которые могли проходить через непрозрачный контейнер и действовать на фотографическую пластину. Вскоре Пьер и Мария Кюри обнаружили другие радиоактивные элементы: полоний и радий. Радиоактивность скоро была признана наиболее концентрированным источником энергии из тех, которые были уже известны.

Вскоре было обнаружено, что урановое излучение образовано тремя компонентами: -, - и -лучами. Резерфорд и Содди показали, что радиоактивность является результатом распада атомного ядра. В процессе распада ядро одного химического элемента превращается в ядро другого элемента. Существует два основных вида спонтанного распада ядер.

-распад. Этот тип распада обычно наблюдается в тяжелых неустойчивых ядрах. При этом разрушается атомное ядро X ("материнское ядро"), образуется -частица и новое ядро Y ("дочернее ядро"). -частица представляет собой ядро гелия, имеющее два протона и два нейтрона:

;

Таким образом, атомный номер дочернего ядра уменьшен на два и массовый номер на четыре по отношению к материнскому ядру. Кинетическая энергия -частицы очень большая, и она покидает материнское ядро с большой скоростью.

При - распаде дочернее ядро может переходить в возбужденное состояние. Электроны занимают более высокие энергичные уровни, которые неустойчивы. Поэтому в течение короткого времени, они перемещаются на более низкий энергетический уровень и избыток энергии испускается в форме -лучей, представляющих собой электромагнитные волны, или фотоны. Они полностью эквивалентны световым волнам и рентгеновским лучам, которые испускаются возбужденными атомами, но имеют большую энергию. Длина волны -лучей короче, чем длина волны рентгеновских лучей: .

-распад наблюдается в неустойчивых изотопах более легких ядер (гидроген, натрий, азот и т.п.). -частица испускается материнским ядром и образуется дочернее ядро. Есть три типа -распада: электронный - распад, позитронный - распад и электронный захват.

a). электронный -распад: из материнского ядра образуется электрон ( -частица). Атомный номер дочернего ядра повышается на единицу по сравнению с материнским ядром. Также образуется антинейтрино – незаряженная частица, практически не имеющая массы - :

.

b). позитронный - распад из материнского ядра испускаются позитрон ( -частица) и нейтрино ( ). Атомный номер дочернего ядра уменьшается на единицу по сравнению с материнским:

Позитроны - положительно заряженные частицы с такой же массой, как электрон. Они являются античастицами электронов.

Полагают, что все элементарные частицы имеют античастицы (антипротоны, антинейтроны и т.п.). Вышеупомянутое антинейтрино является античастицей нейтрино. Когда некоторая частица взаимодействует со своей античастицей, они взаимоуничтожаются с образованием -лучей.

c). электронный захват. Один из атомных электронов взаимодействует с ядром (чаще всего с К-уровня, но может и с L-, M- уровней) и захватывается им. В результате протон ядра превращается в нейтрон: Поскольку при этом освобождаются места на внутренних оболочках и на них переходят электроны с высших оболочек, то при этом излучается характеристическое рентгеновское излучение.

В основе всех типов распадов лежат превращения протона в нейтрон и нейтрона в протон. - лучи испускаются в дочерних ядрах при переходе электронов с высших энергетических уровней на низшие.

Активность. Закон ядерного распада.

Существует два вида радиоактивности: естественная и искусственная. Естественная радиоактивность происходит спонтанно без любого внешнего воздействия. Она является результатом нестабильности некоторых ядер. Неустойчивые изотопы превращаются в изотопы других химических элементов. Искусственная радиоактивность является распадом искусственно полученных изотопов в результате ядерных реакций.

Активность - показатель дезинтеграции радиоактивных элементов, или показатель уменьшения количества радиоактивных ядер в процессе их распада. Единицей измерения является беккерель (Бк). Один 1Бк равен одну распаду в секунду. Иногда применяют другую единицу измерения - кюри (Ки). 1Кюри составляет распадов в секунду. Например, активность 1г радия составляет Бк, или 1Ки.

Ядерный распад является вероятностным процессом. Невозможно точно предсказать, когда разрушится данное ядро. Но количество ядер постоянно уменьшается. Изменение dN числа ядер от исходного числа N₀, происходящего в течение короткого времени dt, пропорционально N₀ и : (1).

Знак минус указывает на то, что N₀ уменьшается, и dN отрицательно. Константа зависит от типа ядер и называется константой радиоактивного распада. Решением уравнения (1) является функция

Эта функция подразумевает, что если во временя t = 0 имеется N₀ ядер, то через время t число оставшихся ядер будет N. Эта функция называется экспоненциальной формулой распада.

Удобно характеризовать ядерный распад периодом полураспада. Период полураспада – это время, необходимое для распада половины исходных ядер. Различные радиоактивные ядра имеют период полураспада в широком диапазоне (например, от 4,5 миллиардов лет для урана до 10-4 сек для одного из изотопов радия).