ЕСТЕСТВЕННАЯ И ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ. ИСТОЧНИКИ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ. РАДИОИЗОТОПНЫЙ АНАЛИЗ.

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер. К числу основных таких превращений относятся: α-распад, β-распад (в том числе К-захват), протонная ра­диоактивность и спонтанное деление тяжелых ядер.

Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, суще­ствующих в природных условиях, называется есте­ственной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусст­венной. Между искусственной и естественной радио­активностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчи­няется одинаковым законам.

Для каждого радиоактивного ядра имеется определен­ная вероятность λ того, что оно испытает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt_, будет равно dN = -λNdt . Интегрирование выражения дает: , откуда получается закон радиоактивного превращения: , где — количество нераспавшихся атомов в начальный момент времени, N — количество нераспавшихся атомов в момент времени t, λ— характерная для радиоактивного веще­ства константа, называемая постоянной распада, это вероятность того, что атом радиоактивного вещества испытает пре­вращение в единицу времени.

Таким образом, число радиоактивных атомов убы­вает со временем по экспоненциальному закону. Количество распавшихся за время t атомов определяется выражением: .

Время, за которое распадается половина первона­чального количества атомов, называется периодом полураспада Т: , откуда . Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных веществ колеблется в пределах от 3·10-⁷ с до 5·10¹⁵ лет.

Возникающие в результате ра­диоактивного превращения ядра в свою очередь могут ока­заться радиоактивными и будут распадаться со ско­ростью, характеризуемой постоянной распада λ. Новые продукты распада могут также оказаться радиоактив­ными, и т. д. В результате возникнет целый ряд радио­активных превращений. В природе существуют три ра­диоактивных ряда (или семейства), родоначальниками которых являются U²³⁸ (ряд урана), Th²³² (ряд тория) и U²³⁵ (ряд актиноурана). Конечными продуктами во всех трех случаях служат изотопы свинца — в первом случае Рb²⁰⁶, во втором Рb²⁰⁸ и, наконец, в третьем Рb²⁰⁷.

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. французским ученым А. Беккерелем. Большой вклад в изучение радиоактивных веществ внесли Пьер Кюри и Мария Складовская-Кюри. Было обнаружено, что радиоактивное вещество является источником трех видов излучения. Одно из них под действием магнит­ного поля отклоняется в ту же сторону, в которую от­клонялся бы поток положительно заряженных частиц; оно получило название α-лучей. Второе, названное β-лучами, отклоняется магнитным полем в противопо­ложную сторону, т. е. так, как отклонялся бы поток от­рицательно заряженных частиц. Наконец, третье излу­чение, никак не реагирующее на действие магнитного поля, было названо γ-лучами. Впоследствии выясни­лось, что γ-лучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны (от до 1 ).

Альфа-лучи представляют собой по­ток ядер гелия . Распад протекает по следующей схеме: . Буквой X обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y — химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа-распад обычно сопровождается возникновением γ - лучей. Атомный номер дочернего вещества на 2 еди­ницы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного вещества. Примером может служить распад изотопа урана U²³⁸, протекающий с образованием тория: .

Скорости, с которыми α-частицы (т. е. ядра ) вылетают из распавшегося ядра, очень велики (~ 10⁹ см/с; кинетическая энергия порядка несколь­ких МэВ). Пролетая через вещество, α-частица посте­пенно теряет свою энергию, затрагивая ее на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эВ. Таким образом, α-частица образует на своем пути примерно 10⁵ пар ионов. Очевидно, чем больше плотность вещества, тем меньше пробег α-частиц до остановки.

Кинетическая энергия α-частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммар­ной энергией покоя дочернего ядра и α-частицы. Эта избыточная энергия распределяется между α-частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорцио­нальном их массам. Энергии (скорости) α-частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, ока­зываются строго определенными. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп α-частиц близкой, но различной энергии. Это обуслов­лено тем, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. На рис.12.5 приведена схема, поясняющая возникновение различных групп α-частиц (возникновение тонкой струк­туры α-спектра), испускаемых при распаде ядра (его называют торием С). В левой колонке показана схема энергетических уровней дочернего ядра (его называют торием С").

Энергия основного состояния принята за нуль. Избыток энергии покоя материнского ядра над энергией покоя α-частицы и дочернего ядра в нормальном состоянии составляет 6,203 МэВ. Если до­чернее ядро возникает в невозбужденном состоянии, вся эта энергия выделяется в виде кинетической энергии, причем на долю α-частицы приходится МэВ (эта группа частиц обозначена на схеме через ). Если же дочернее ядро возникает в пятом возбужденном со­стоянии, энергия которого на 0,617 МэВ превышает энер­гию нормального состояния, то выделившаяся кинети­ческая энергия составит 6,203—0,617 = 5,586 МэВ и на долю α-частицы достанется 5,481 МэВ (группа час­тиц ). Относительное количество частиц равно ~ 27% для , ~ 70% для и всего лишь ~ 0,01% для . Относительные количества для групп , и очень малы (порядка 0,1 - 1%).

Время жизни τ возбужденных состояний для боль­шинства ядер лежит в пределах от 1до 10с. За время, равное в среднем τ дочернее ядро переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние, испуская γ -фотон. На рис. 12.5 показано возникновение γ -фотонов шести различных энергий.

Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и другими способами. Возбужденное ядро мо­жет испустить какую-либо частицу: протон, нейтрон, электрон или α-частицу. Наконец, образовавшееся в ре­зультате α-распада возбужденное ядро может отдать избыток энергии непосредственно (без предварительного испускания γ-кванта) одному из электронов K-, L- или даже М-слоя атома, в результате чего электрон выле­тает из атома. Этот процесс носит название внутрен­ней конверсии. Образовавшееся в результате вы­лета электрона вакантное место будет заполняться элек­тронами с вышележащих энергетических уровней. По­этому внутренняя конверсия всегда сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей.

Подобно тому как фотон не существует в готовом виде в недрах атома и возникает лишь в момент излу­чения, α-частица также возникает в момент радиоак­тивного распада ядра. Покидая ядро, α-частице прихо­дится преодолевать потенциальный барьер, высота которого больше, чем полная энергия α-частицы, равная в среднем 6 МэВ (рис. 12.6). Внешняя, спадающая асим­птотически к нулю сторона барьера обусловлена кулоновским отталкиванием α-частицы и дочернего ядра. Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными си­лами. Опыты по рассеянию α-частиц тяжелыми α-радиоактивными ядрами показали, что высота барьера заметно превышает энергию вылетающих при распаде α-частиц, поэтому проявляется туннельный эффект. Теория α-распада, основывающаяся на представлении о туннельном эффекте, приводит к результатам, хорошо согласующимся с данными опыта.

Существуют три разновидности β-распада. В одном случае ядро, претерпевающее превраще­ние, испускает электрон, в другом - позитрон, в третьем случае, называемом К-захватом (или электронным за­хватом), ядро поглощает один из электронов К-слоя атома (значительно реже происходит L- и М-захват, т. е. поглощение электрона из L- или М-слоя).

Первый вид распада ( -распад) протекает по схеме:

. (12.1)

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе β-распада, мы приписали β-электрону зарядовое число Z= -1 и массовое число А = 0. Как видно из схемы (12.1), дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с элек­троном испускается также антинейтрино . Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон: . Поэтому говорят, что свободный нейтрон радиоактивен.

Бета-распад может сопровождаться испуска­нием γ-лучей. Причина их возникновения та же, что и в случае α-распада, — дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в воз­бужденных состояниях. Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает γ-фотон.

В качестве примера β-распада можно привести пре­вращение тория Th²³⁴ в протактиний Ра²³⁴ с испусканием электрона и антинейтрино:

. (12.2)

В отличие от α-частиц, обладающих в пределах каж­дой группы строго определенной энергией, β-электроны обладают самой разнообразной энергией от 0 до Е_тлх.

На рис. 12.7 изображен энергетический спектр электро­нов, испускаемых ядрами при β-распаде. Площадь, охва­тываемая кривой, дает общее число электронов, испу­скаемых в единицу времени, dN — число электронов, энергия которых заключена в интервале dE. Энергия Е_тлх соответствует разности между массой покоя материнского ядра и массами электрона и дочернего ядра. Следовательно, распады, при которых энергия электрона Е меньше Е_тлх. протекают с кажу­щимся нарушением закона сохранения энергии. Чтобы объяснить исчезновение энергии Е_тлх-E, Паули вы­сказал предположение, что при β-распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, ко­торая уносит с собой энергию Е_тлх— Е. Так как эта частица никак себя не обнаруживает, следовало при­знать, что она нейтральна но обладает весьма малой мас­сой (в настоящее время установлено, что масса покоя этой частицы, по-видимому, равна нулю). По предло­жению Э. Ферми эту гипотетическую частицу назвали нейтрино (что означает «маленький нейтрон»). Имеется еще одно основание для предположения о ней­трино (или антинейтрино). Спин нейтрона, протона и электрона одинаков и равен 1/2. Если написать схему (12.2) без антинейтрино, то суммарный спин возникаю­щих частиц (который для двух частиц с s=1/2 может быть либо нулем, либо единицей) будет отличаться от спина исходной частицы. Таким образом, участие в β -распаде еще одной частицы диктуется законом со­хранения момента импульса, причем этой частице необ­ходимо приписать спин, равный 1/2 (или 3/2). Установлено, что спин нейтрино (или антинейтрино) равен -1/2.

Второй вид β-распада ( -распад) протекает по схеме:

. (12.3)

Атомный номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского. Процесс сопро­вождается испусканием позитрона е⁺ (в формуле (12.3) он обозначен символом ) и нейтрино, возможно также возникновение γ-лучей. Позитрон является анти­частицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде (12.3), представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при распаде (12.2).

Процесс β⁺-распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

. (12.4)

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов ядра.

Третий вид β-распада (K-захват или е-захват) за­ключается в том, что ядро поглощает один из K-элект­ронов (реже один из L- или М-электронов) своего ато­ма, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино: . Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетиче­ские состояния, оно испускает γ-фотоны. Схема процес­са выглядит следующим образом:

(12.5)

Место в электронной оболочке, освобожденное за­хваченным электроном, заполняется электронами из вы­шележащих слоев, в результате чего возникают рентге­новские лучи, K-захват легко обнаруживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению.

При протонной радиоактивности ядро претер­певает превращение, испуская один или два протона.

В международной системе еди­ниц (СИ) активность радиоактивных препаратов изме­ряется числом распадов в секунду (распад/с). Допускается применение внесистемных единиц: распад/мин и кюри. Единица активности, называемая кюри, определяется как активность такого препарата, в кото­ром происходит 3,700.10¹⁰ актов распада в секунду.

Радиоизотопный анализ – это определение возраста горных пород, следов деятельности человека на Земле и т.д. по накоплению в них продуктов распада радионуклидов. Радиораспад каждого нуклида происходит с постоянной скоростью и приводит к накоплению конечных стабильных нуклидов, содержание которых D связано с возрастом исследуемого объекта. Наиболее распространены свинцовый, аргоновый, стронциевый и углеродный методы. В первом используется накопление радиогенного свинца в результате распада и . Аргоновый метод основан на радиогенном накоплении аргона в калиевых минералах , реакция идет с электронным захватом. Стронциевый метод основан на β-распаде . Для оценки возраста объектов менее 60 000лет используют радиоуглеродный анализ. В земной атмосфере под действием нейтронов космических лучей идет ядерная реакция . В результате воздух, растения и животные содержат радионуклид , период полурпаспада которого 5700лет с определенной и постоянной концентрацией. В мертвых организмах обмен с атмосферой прекращается, и содержание падает. По концентрации можно определить возраст органических остатков.

Дозиметрия – это область прикладной физики, в которой изучаются физические величины, характеризующие действие ионизирующих излучении на объекты живой и неживой природы, в частности дозы излучения, а также методы и приборы для измерения этих величин.

Развитие дозиметрии первоначально определялось необходимостью защиты человека от ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновских лучей были замечены биологические эффекты, возникающие при облучении человека. Появилась необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности. В качестве основного количественного критерия была принята экспозиционная доза, измеряемая в рентгенах и определяемая по величине ионизации воздуха. С открытием радия было обнаружено, что β- и γ-излучения радиоактивных веществ вызывают биологические эффекты, похожие на те, которые вызываются рентгеновским излучением. При добыче, обработке и применении радиоактивных препаратов возникает опасность попадания радиоактивных веществ внутрь организма. Развились методы измерения активности радиоактивных источников (число распадов в секунду), являющиеся основой радиометрии.

Разработка и строительство ядерных реакторов и ускорителей заряженных частиц, развитие ядерной энергетики и массовое производство радиоактивных изотопов привели к большому разнообразию видов ионизирующих излучений и к созданию многообразных дозиметрических приборов (дозиметров).