Радиоактивность и ее виды. Закон радиоактивного распада. Альфа-, бета- и гамма-распады и их особенности.
Радиоактивностью называют свойства атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра (изменяя Z и А) путем испускания элементарных частиц и различных видов излучения. При одних и тех же закономерностях процессов различают радиоактивность естественную (фон природных неустойчивых изотопов) и искусственную (при инициируемых ядерных реакциях, трансурановые элементы).
Радиоактивный распад происходит:
- из-за избыточности в ядрах числа нейтронов или протонов по сравнению с равновесным соотношением числа нейтронов и протонов в устойчивых ядрах того же нуклида (рис. 1.2.): при Z > 20 N/Z отклоняется от 1 и для последнего стабильного изотопа достигает N/Z = 1,52;
- из-за избыточности энергии у нуклонов ядра по сравнению с их энергией в стабильном ядре.
Закон радиоактивного распада дает зависимость числа радиоактивных ядер от времени N(t). Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, можно считать, что число ядер dN, распадавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально числу ядер N(t), имеющихся в момент времени t и промежутку времени dt: , где λ – постоянная радиоактивного распада данного вида, знак «–» указывает на то, что число ядер уменьшается. Разделим переменные и проинтегрируем , тогда получим закон радиоактивного распада, справедливый для всех видов распада
,
где N0 – число радиоактивных ядер при t = 0.
Для того чтобы узнать количество распадавшихся за время t ядер Nрасп, надо из начального числа ядер N0 вычесть число ядер, оставшихся спустя время t:
Nрасп=N0-N(T)=N0(1-e-λt).
Рис. 1.2. Виды радиоактивного распада (точки – область стабильных
изотопов)
Широко используемая величина в ядерной и реакторной физике такая характеристика радиоактивного распада, как период полураспада. Периодом полураспадаТ1/2 называется время, за которое распадается половина первоначального количества ядер (изменяется в широких пределах от 3·10–7 с до 5·1015 лет).
Радиоактивное (вековое) равновесие наступает при условии равенства скоростей распада материнских (или рождения дочерних ядер) и распада дочерних ядер:
Для грубых оценок постоянной распада λ используется ее связь с пробегом a-частиц в воздухе, устанавливаемую законом Гейгера–Нэттола: чем больше постоянная распада λ радиоактивного элемента, тем больше пробег Ra в воздухе испускаемых им a-частиц
,
где А и В – опытные постоянные, причем В – одинаково для всех радиоактивных семейств.
Интенсивность самопроизвольных ядерных превращений (радиоактивных распадов) характеризуется величиной, называемой активностью. Активностью радиоактивного вещества а называется число распадов в единицу времени, измеряется в беккерелях: 1 Бк = 1 распад/с, внесистемная единица – кюри, 1 Ки = 3,7·1010 Бк. С учетом закона радиоактивного распада имеем:
.
Используя связь постоянной распада λ и периода полураспада Т1/2, выражение для активности радиоактивного вещества примет вид:
.
Все виды распада имеют вероятностный характер.
Возникающие в результате радиоактивного распада ядра часто тоже оказываются радиоактивными. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений (семейство), заканчивающихся стабильным элементом. В настоящее время обнаружено четыре радиоактивных ряда (семейства), начинающихся с тория , двух изотопов урана и и нептуния . Эти ряды заканчиваются соответственно стабильными изотопами свинца для тория и и для изотопов урана, стабильным ядром висмута для нептуния.
Типичным примером a-радиоактивного распада является реакция
.
где Q – энергия.
Обобщенная формула a-радиоактивного распада материнского X-ядра в дочернее Y-ядро при испускании a-частиц (ядер гелия):
.
Альфа-распда наблюдается только у тяжелых ядер (Z>82). Если дочернее ядро X` образуется в возбужденном состоянии, то после испускания a-частицы испускается γ- квант.
Бета-распадом (β-распадом, β-излучением) называется спонтанное внутриядерное превращение нейтрона в протон или наоборот, что сопровождается испусканием электрона и электронного антинейтрино или позитрона и электронного нейтрино:
– электронный или β–-распад,
– позитронный или β+-распад,
при этом материнское и дочернее ядра являются изобарами.
У многих тяжелых ядер возможен третий вид b-распада – электронный или K-захват: возбужденное ядро захватывает электрон K-оболочки атома, при этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и нейтрино:
или .
На освободившееся место переходит другой электрон с испусканием кванта рентгеновского излучения, являющегося характеристическим.
Бетта-распад более существен для ядерного реактора по сравнению с альфа-распадом.
Типичными примерами радиоактивного β-распада являются реакции
, , .
Гамма-излучение (g-изучение) является наиболее проникающим видом ионизирующего излучения и наблюдается в тех случаях, когда атомное ядро по каким-либо причинам переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, в том числе в основное. g-изучение сопровождает α- и β-распады радиоактивных ядер, причем при распаде одного и того же изотопа могут испускаться g-кванты различных характерных энергий (частот). При этом диапазон энергий g-квантов составляет от 10 кэВ до 5 МэВ.
Кроме процессов испускания ядрами частиц возможно и испускание одними ядрами других ядер – кластерная радиоактивность(1984 г.):
.
Дата добавления: 2021-05-28; просмотров: 614;