I. Определение, виды радиоактивности, радиоактивные семейства

Радиоактивность - это самопроизвольное, спонтанное изменение свойств ядер со временем. Ядра, испытывающие изменение такого рода, называются радиоактивными или нестабильными ядрами. Радиоактивные ядра являются неустойчивыми нуклонными системами и, как принято говорить, испытывают радиоактивный распад. Радиоактивный распад является энергетически выгодным процессом и всегда сопровождается выделением ядерной энергии. Каждое ядро характеризуется определенным нуклонным составом (А,Z) и внутренней энергией Е. Если спонтанно изменяется хотя бы одна из этих характеристик, то такое изменение является радиоактивным распадом. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, принято называть материнским, а ядро-продукт – дочерним. Радиоактивный распад характеризуется временем протекания, видом и энергией испускаемых частиц, называемых излучением.

Радиоактивность ядер, существующих в природных условиях, называют естественной. Радиоактивные ядра, синтезированные в лабораторных условиях искусственными способами посредством ядерных реакций, называются искусственными. По физической природе искусственные радиоактивные ядра ничем не отличаются от естественных и такое разделение условно, так как свойства ядер данного радиоактивного нуклида не зависят от способа его образования. Основным критерием здесь является характерное время жизни ядер. Естественные радиоактивные ядра образовались в процессе эволюции Солнечной системы (или вообще Вселенной) и существуют в заметных количествах в настоящее время потому, что имеют характерные времена жизни, превышающие возраст Земли, или же сравнимые с ним. Остальные радиоактивные ядра распались в процессе эволюции Земли.

Впервые радиоактивность природных солей урана была обнаружена А. Беккерелем в 1896 г. Искусственная радиоактивность синтезируемых ядер была открыта Ф. и И. Кюри в 1934 г.

К числу основных радиоактивных процессов относятся: 1) a-распад; 2) b‑распад; 3) g-излучение ядер; 4) спонтанное деление тяжелых ядер; 5) испускание запаздывающих нейтронов и протонов.

Все без исключения тяжелые ядра с массовым числом А, превышающим значение 209, нестабильны по отношению к a-распаду. Поэтому ядра нуклидов, у которых массовое число А превышает граничное значение 209, являются родоначальниками генетически связанных последовательных цепочек радиоактивных распадов, в которых каждый последующий нуклид возникает в результате распада предыдущего. При каждом a-распаде число протонов Z и число нейтронов в дочернем ядре уменьшается на две единицы (число нуклонов – на 4) по отношению к материнскому. Такое ядро чаще всего нестабильно по отношению к β-распаду, так как оказывается ниже дорожки стабильности (см. рис. 1.1.2), и в последовательных цепочках распадов процессы a- и β-распадов чередуются друг с другом.

Все естественные радиоактивные нуклиды с А > 209 можно расположить в виде трех последовательных цепочек, называемых радиоактивными семействами или рядами. Каждое радиоактивное семейство начинается с a-радиоактивного нуклида, называемым родоначальником семейства, а каждый радиоактивный последующий элемент семейства является продуктом распада предыдущего.

Переход от одного элемента к другому в пределах семейства может быть описан изменением массового числа в виде формулы, называемой правилом смещения (Ф.Содди, К.Фаянс, 1913 г.):

где С - постоянная для данного семейства величина, а n - либо уменьшается на единицу (при a-распаде), либо не изменяется (при b-распаде). На рис. 3.1.1 показано семейство урана. Стрелки на диаграмме (A, Z), направленные влево и вниз обозначают a-распады, направленные вверх - b-распады. Возле каждой из жирных стрелок, обозначающих основную цепочку распада, приведены соответствующие периоды полураспада. Начинается это семейство с , который с периодом полураспада T_1/2 = 4,5×10⁹ лет путем a-распада превращается в (торий), который, в свою очередь, путем b^--распада с Т_1/2 = 24 дня превращается в (протактиний). Протактиний, в свою очередь, с Т_1/2 = 1,2 минуты превращается в . Следует обратить внимание на огромное различие в периодах полураспада в первом и втором звеньях ряда. Это различие типично и для остальных радиоактивных семейств. Некоторые нуклиды (на
пример ²¹⁸Ро на рис. 3.1.1), могут с разной вероятностью испытывать как a-, так и b-распады и образуют т.н. вилки. Семейство урана заканчивается стабильным нуклидом свинца , ядро которого является магическим по числу протонов. Остальные семейства имеют аналогичные характеристики, которые представлены в таблице 3.1.1. Во второй строке этой таблицы даны характеристики не существующего в природе семейства нептуния. Родоначальником этого семейства является искусственно получаемый в ядерных реакторах или в ядерных взрывах трансурановый элемент плутоний , но название это семейство получило по имени первого долгоживущего нуклида (период полураспада 2,2·10⁶ лет). Название актиноуранового семейства произошло от старого, уже вышедшего из употребления, наименования нуклида ²³⁵U.

Последними элементами всех четырех радиоактивных семейств являются стабильные магические (следовательно, особо устойчивые) нуклиды свинца и висмута.

Более легкие, чем нуклиды радиоактивных семейств, естественные радиоактивные ядра непрерывно образуются под действием космического излучения. Например, под действием космического излучения атмосферный азот ¹⁴N превращается в b-активный нуклид ¹⁴C, имеющий период полураспада 5730 лет. Измерение содержания этого нуклида в древних органических останках (скелетах, мумиях, деревянных предметах и т.п.) позволяет археологам определять возраст этих предметов.