Виды ядерных превращений

В общем виде процесс радиоактивного распада можно изобразить, схематически указав процессы, происходящие с ядром и вылетающими частицами, так, как показано на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Пример изображения цепочки радиоактивного
распада и вылетающих из ядер частиц

Исходное ядро ¹³⁷Cs, испытывая b-распад с периодом полураспада 30 лет, испускает электрон и антинейтрино , превращаясь в ядро ^137mBa. Такое ядро находится в метастабильном состоянии и с периодом полураспада 2.55 мин претерпевает изомерный переход (ИП), испускает g-квант и превращается в ядро ¹³⁷Ba. Но и в этом случае картина еще не будет полной. Метастабильное состояние ^137mBa может быть ликвидировано не испусканием g-кванта, как это показано на рис. 1.11, а передачей энергии возбуждения ядра одному из электронов атомной оболочки. Вероятность такого процесса около 10%. Он называется внутренней конверсией и не приводит к изменению Z и N материнского ядра; электрон, вылетающий при этом из атома, называется конверсионным электроном.

На рис. 1.12 показана схема a-распада. Примером такого превращения является распад ²³⁹Pu:

.

Рис. 1.12. Схема a-распада

Для легких ядер с A< 140 a-распад невозможен. Ядра с 140 < A< 208 теоретически могут претерпевать a-распад, однако вероятность такого типа ядерного превращения крайне мала. Имеется только около 20 a-радиоактивных нуклидов редкоземельных элементов из этой области значений массовых чисел. Для тяжелых ядер с А> 208 a-распад является весьма вероятным процессом. Известно более 200 a-радиоактивных ядер, расположенных в периодической системе элементов, в основном, за Pb. Периоды полураспада для a-излучающих ядер составляют от 3·10^-7 с до 10¹⁵ лет, при этом энергии a-частиц обычно находятся в интервале от 9 до 4 МэВ.

Другой вид распада – b-распад ядра. Существует три вида
b-распада: электронный или b^–-распад, позитронный или b⁺-распад и электронный захват (ЭЗ). На рис. 1.13 – 1.15 приведены схематические изображения указанных процессов. Во всех видах b-распада из ядра вылетает еще одна частица – нейтрино n при b⁺-распаде и электронном захвате и антинейтрино при b^–-распаде. Нейтрино практически не обладает массой (как минимум в 16000 раз легче электрона), поэтому в неравенстве, определяющем устойчивость по отношению к b-распаду, эту массу не учитывают. При всех разновидностях b-распада массовое число ядра А сохраняется, а зарядовое число изменяется на единицу; при этом происходит превращение нуклонов в ядре – протонов в нейтроны и нейтронов в протоны:

при b^–-распаде;

при b⁺-распаде;

при электронном захвате.

Рис. 1.13. Схема b^–-распада

Рис. 1.14. Схема b⁺-распада

Рис. 1.15. Схема захвата электрона из собственной
оболочки атома

Следует отметить еще один вид распада ядер – спонтанное деление. Такое ядерное превращение характерно для тяжелых ядер и конкурирует с a-распадом. Например, для ядер ²³⁸U вероятность спонтанного деления почти в 2·10⁶ раз меньше, чем вероятность a-распада. При спонтанном делении тяжелое ядро разваливается на два примерно равных по массе осколка. При этом практически сразу, с опозданием не более 10^-14 с, обычно вылетают от 2 до 4 нейтронов, которые называют «мгновенными».

Рис. 1.16. Спонтанное деление ядер

Спонтанное деление наблюдается только у тяжелых ядер с N > Z. В результате получаются ядра (осколки) из середины таблицы нуклидов, где область стабильности характеризуется значениями N, близкими к Z. Как правило, такие осколки оказываются перегружены нейтронами и будут испытывать b^–-распад. Кроме того, осколки деления рождаются в сильно возбужденном состоянии, и снятие их возбуждения сопровождается «мгновенным» g-излучением.

Хотя превращения ядер, как правило, сопровождаются испусканием частиц или фотонов, лишь в частных случаях число испускаемых частиц совпадает с числом распадающихся ядер (например, для радионуклидов ³H, ⁹⁰Sr). Примером, когда число испускаемых частиц не совпадает с числом распадающихся ядер, служит распад нуклида . При ядерном превращении 37.2% ядер претерпевают b^–-распад, в результате чего образуется стабильный ⁶⁴Zn; а 44.9% – электронный захват (ЭЗ) и 17.9% – b⁺-распад, в результате чего образуется стабильный ⁶⁴Ni. В этом случае на 1 Бк приходится 0.55 b-частиц (0.37 + 0.18 = 0.55) в 1 с.

Таким образом, справедливо лишь выражение «активность столько-то беккерелей», а выражения «a- или b-активность столько-то беккерелей» не являются строгими, хотя они и широко распространены на практике. Обычно, когда говорят
«a-активность или b-активность нуклида равна 1 Бк», имеют в виду истинную активность данного радионуклида, определенную по результатам измерения a- или b-излучения с учетом схемы распада этого радионуклида, позволяющей связать число испускаемых частиц с числом распадающихся ядер.

Также необходимо учитывать радиоактивность дочерних радионуклидов в цепочках распада. Например, следует иметь в виду, что на 1 распад мягкого b-излучателя ¹⁰⁶Ru приходится 1 распад его дочернего ¹⁰⁶Rh, который является жестким b-излучателем и излучение которого обладает достаточно высокой проникающей способностью. Интересным примером является цепочка ¹³⁷Cs: этот радионуклид является чистым b-излучателем, что определяет его дозиметрические характеристики при попадании внутрь организма; его дочерний ^137mBa превращается в стабильный ¹³⁷Ba путем изомерного перехода и испускает при этом g-кванты, что определяет дозиметрические характеристики ¹³⁷Cs как источника внешнего излучения.