Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад – явление статистическое, поэтому все предсказания носят вероятностный характер. Самопроизвольный распад большого числа ядер атомов подчиняется закону радиоактивного распада

N=N₀exp(-lt), (2)

где N₀ – число нераспавшихся ядер в момент времени t=0; N – число нераспавшихся ядер в момент времени t; l - постоянная радиоактивного распада, она характеризует вероятность распада ядер за 1с. Величина t=1¤l - является средним временем жизни изотопа, за время Dt=t число нераспавшихся ядер убывает в е =2,72 раз. Вводят также понятие периода полураспада Т_1/2 – время, за которое распадается половина радиоактивных ядер, т.е. N=N₀/2. Подставляя это условие в (2), находим

N₀/2=N₀exp(-lT_1/2), отсюда

Т_1/2=ln2/l=0,693/l=0,693t. (3)

Период полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблется от 10^-7 с до многих миллиардов лет. Активность радиоактивного вещества характеризует число распадов ядер в 1с:

А=|dN/dt|=lN₀exp(-lt)=A₀exp(-lt). (4)

Единица активности в СИ – беккерель (Бк). 1 Бк – это активность, при которой за 1с происходит один распад ядра. Часто используется внесистемная единица активности – кюри (Ки), 1Ки=3,7×10¹⁰ Бк.

Поглощенная доза излучения –физическая величина, равная отношению энергии излучения к массе облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы излучения – грей(Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг – доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж.

Экспозиционная доза излучения ­– физическая величина, равная отношению суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, освобожденными в облученном воздухе (при условии полного использования ионизирующей способности электронов), к массе этого воздуха.

Единица экспозиционной дозы излучения – кулон на килограмм (Кл/кг); внесистемной единицей является рентген (Р): 1 Р = 2,58´10^-4 Кл/кг.

Биологическая доза – величина, определяющая воздействие излучения на организм. Единица биологической дозы – биологический эквивалент рентгена(бэр): 1 бэр – доза любого вида ионизирующего излучения, производящее такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или g-излучения в 1 Р (1 бэр = 10^-2 Дж/кг).

Мощность дозы излучения – величина, равная отношению дозы излучения к времени облучения. Различают: 1) мощность поглощенной дозы (единица – грей на секунду (Гр/с)); 2) мощность экспозиционной дозы (единица – ампер на килограмм (А/кг)).

Ядерные реакции

Ядерными реакциями называют процессы превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с элементарными частицами.

Как правило, в ядерных реакциях участвуют два ядра и две частицы. Одна пара ядро-частица является исходной, другая пара – конечной. Символическая запись ядерной реакции: А+а=B+b, где А и В – исходное и конечное ядра, а и b – исходная и конечная частицы в реакции.

Энергия ядерной реакции Q=с²[(m_A+m_a)-(m_B+m_b)]. Если (m_A+m_a)>(m_B+m_b), и Q>0, то энергия освобождается и реакция называется экзотермической. В противоположном случае энергия поглощается и реакция называется эндотермической.

Тяжелые ядра при взаимодействии с нейтронами могут разделяться на две приблизительно равные части – осколки деления. Такая реакция называется реакцией деления тяжелых ядер, например . В этой реакции наблюдается размножение нейтронов. Важнейшей величиной является коэффициент размножения нейтронов k. Он равен отношению общего числа нейтронов в каком-либо поколении к породившему их общему числу нейтронов в предыдущем поколении. Таким образом, если в первом поколении было N₁ нейтронов, то их число в n-м поколении будет N_n=N₁kⁿ. При k=1 реакция деления стационарна, т.е. число нейтронов во всех поколениях одинаково – размножения нейтронов нет. Соответствующее состояние реактора называется критическим. При k>1 возможно образование цепной неуправляемой лавинообразной реакции, что и происходит в атомных бомбах. В атомных станциях поддерживается управляемая реакция, в которой за счет графитовых поглотителей число нейтронов поддерживается на некотором постоянном уровне.

Возможны ядерные реакции синтеза или термоядерные реакции, когда из двух легких ядер образуется одно более тяжелое ядро. Например, синтез ядер изотопов водорода – дейтерия и трития и образование ядра гелия: При этом выделяется 17,6 МэВ энергии, что примерно в четыре раза больше из расчета на один нуклон, чем в ядерной реакции деления. Реакция синтеза протекает при взрывах водородных бомб. Более 40 лет ученые работают над осуществлением управляемой термоядерной реакции, которая открыла бы доступ человечеству к неисчерпаемой “кладовой” ядерной энергии.