Радіоактивний елемент під час радіоактивного розпаду. Правила радіоактивного зміщення

Кількість ядер, що розпадаються в заданий проміжок часу в зразку радіоактивного матеріалу пропорційно загальному числу ядер відповідного радіоактивного елемента в цьому зразку.

Більшість атомних ядернестабільно. Рано чи пізно вони спонтанно (або, як кажуть фізики, спонтанно) розпадаються на дрібніші ядра та елементарні частинки, які прийнято називати продуктами розпадуабо дочірніми елементами. Частки, що розпадаються, прийнято називати вихідними матеріаламиабо батьками. У всіх нам добре знайомих хімічних речовин(залізо, кисень, кальцій тощо) є хоча б один стабільний ізотоп. ( Ізотопаминазиваються різновиди хімічного елемента з тим самим числом протонів в ядрі - це число протонів відповідає порядковому номеру елемента, - але різним числомнейтронів.) Той факт, що ці речовини нам добре відомі, свідчить про їхню стабільність - значить, вони живуть досить довго, щоб у значних кількостях накопичуватися в природних умов, не розпадаючи на складові. Але у кожного з природних елементівє й нестабільні ізотопи - їх ядра можна отримати у процесі ядерних реакцій, але вони не живуть, оскільки швидко розпадаються.

Розпад ядер радіоактивних елементів або ізотопів може відбуватися трьома основними шляхами, і відповідні реакції ядерного розпадуназвані трьома першими літерами грецького алфавіту. При альфа-розпадівиділяється атом гелію, що складається з двох протонів та двох нейтронів, - його прийнято називати альфа-частинкою. Оскільки альфа-розпад спричиняє зниження числа позитивно заряджених протонів в атомі на два, ядро, що випустило альфа-частинку, перетворюється на ядро ​​елемента, віддалену на дві позиції нижче від неї в періодичній системі Менделєєва. При бета-розпадіядро випускає електрон, а елемент просувається однією позицію впередпо періодичної таблиці(при цьому, по суті, нейтрон перетворюється на протон із випромінюванням цього самого електрона). Зрештою, гамма-розпад- це розпад ядер з випромінюванням фотонів високих енергій, які називають гамма-променями. При цьому ядро ​​втрачає енергію, але хімічний елемент не змінюється.

Однак сам по собі факт нестабільності того чи іншого ізотопу хімічного елемента аж ніяк не означає, що, зібравши кілька ядер цього ізотопу, ви отримаєте картину їх одномоментного розпаду. Насправді розпад ядра радіоактивного елемента чимось нагадує процес смаження кукурудзи при виготовленні поп-корну: зерна (нуклони) відпадають від «початку» (ядра) по одному, зовсім непередбачуваному порядку, поки не відваляться всі. Закон, що описує реакцію радіоактивного розпаду, власне, лише констатує цей факт: за фіксований відрізок часу радіоактивне ядро ​​випускає число нуклонів, пропорційне числу нуклонів, що залишаються у його складі. Тобто чим більше зерен-нуклонів все ще залишається в "недосмаженому" качані-ядрі, тим більше їх виділиться за фіксований інтервал часу "смаження". При перекладі цієї метафори на мову математичних формулми отримаємо рівняння, що описує радіоактивний розпад:

де dN- Число нуклонів, що випускаються ядром з загальним числомнуклонів Nза час dt, λ - експериментально обумовлена константа радіоактивностідосліджуваної речовини. Наведена вище емпірична формула являє собою лінійне диференціальне рівняння, рішенням якого є наступна функція, що описує число нуклонів, що залишаються в складі ядра на момент часу t:

N = N 0 e -λt

де N 0- Число нуклонів в ядрі на початковий моментспостереження.

Константа радіоактивності, таким чином, визначає, як швидко розпадається ядро. Проте фізики-експериментатори зазвичай вимірюють не її, а так зване час напіврозпадуядра (тобто термін протягом якого досліджуване ядро ​​випускає половину нуклонів, що містяться в ньому). У різних ізотопів різних радіоактивних речовин час напіврозпаду варіюється (у повній відповідності до теоретичних передбачень) від мільярдних часток секунди до мільярдів років. Тобто деякі ядра живуть практично вічно, а деякі розпадаються буквально моментально (тут важливо пам'ятати, що після часу напіврозпаду залишається половина сукупної маси вихідної речовини, Після закінчення двох термінів напіврозпаду - чверть його маси, після закінчення трьох термінів напіврозпаду - одна восьма і т. д.).

Що ж до виникнення радіоактивних елементів, то народжуються вони по-різному. Зокрема, іоносфера (верхній розріджений шар атмосфери) Землі зазнає постійного бомбардування космічними променями, що складаються з частинок високими енергіями(Див. Елементарні частинки). Під їх впливом довгоживучі атоми і розщеплюються на нестійкі ізотопи: зокрема, зі стабільного азоту-14 земній атмосферіпостійно утворюється нестійкий ізотоп вуглецю-14 з 6 протонами та 8 нейтронами в ядрі (див. Радіометричне датування).

Але вищеописаний випадок – скоріше екзотика. Набагато частіше радіоактивні елементи утворюються в ланцюга реакцій ядерного поділу. Так називають низку подій, у ході яких вихідне («материнське») ядро ​​розпадається на два «дочірні» (також радіоактивні), ті, у свою чергу, - на чотири ядра-«онуки» і т. д. Процес триває доти , доки не будуть отримані стабільні ізотопи. Як приклад візьмемо ізотоп урану-238 (92 протони + 146 нейтронів) з часом напіврозпаду близько 4,5 млрд років. Цей період, до речі, приблизно дорівнює віку нашої планети, що означає, що приблизно половина урану-238 зі складу первинної матерії формування Землі, як і раніше, перебуває в сукупності елементів. земної природи. Уран-238 перетворюється на торій-234 (90 протонів + 144 нейтрони), час напіврозпаду якого дорівнює 24 діб. Торій-234 перетворюється на паладій-234 (91 протон + 143 нейтрони) з часом напіврозпаду 6 годин - і т. д. Після десяти з лишком етапів розпаду виходить, нарешті, стабільний ізотоп свинцю-206.

Про радіоактивний розпад можна говорити багато, але особливо треба відзначити кілька моментів. По-перше, навіть якщо ми візьмемо як вихідний матеріал чистий зразок якогось одного радіоактивного ізотопу, він буде розпадатися на різні складові, і незабаром ми неминуче отримаємо цілий «букет» різних радіоактивних речовин з різними ядерними масами. По-друге, природні ланцюжки реакцій атомного розпаду заспокоюють нас тому, що радіоактивність - явище природне, існувала вона задовго до людини, і треба брати гріх душу і звинувачувати лише людську цивілізацію у цьому, що у Землі є радіаційний фон. Уран-238 існував Землі від її зародження, розпадався, розпадається - і розпадатися, а атомні електростанціїприскорюють цей процес фактично на частки відсотка; так що ніякого особливо згубного впливудодатково до того, що передбачено природою, вони на нас із вами не надають.

Зрештою, неминучість радіоактивного атомного розпаду пов'язана як з потенційними проблемами, так і з потенційними можливостями для людства. Зокрема, у ланцюзі реакцій розпаду ядер урану-238 утворюється радон-222 - благородний газ без кольору, запаху та смаку, що не вступає ні в які. хімічні реакціїоскільки він не здатний утворювати хімічні зв'язки. Це інертний газ, і він буквально сочиться з надр нашої планети. Зазвичай він не чинить на нас жодної дії - просто розчиняється в повітрі і залишається там у незначній концентрації, поки не розпадеться на ще легші елементи. Однак якщо цей нешкідливий радон довго перебуватиме в непровітрюваному приміщенні, то згодом там почнуть накопичуватися продукти його розпаду - а вони для здоров'я людини шкідливі (при вдиханні). Ось так ми отримуємо так звану радонову проблему.

З іншого боку, радіоактивні властивості хімічних елементівприносять людям і значну користь, якщо підійти до них з розумом. Радіоактивний фосфор, зокрема, тепер уводиться у вигляді ін'єкцій для одержання радіографічної картини кісткових переломів. Ступінь його радіоактивності мінімальний і не завдає шкоди здоров'ю пацієнта. Вступаючи в кісткові тканиниорганізму разом із звичайним фосфором, він випромінює достатньо променів, щоб зафіксувати їх на світлочутливій апаратурі та отримати знімки зламаної кістки буквально зсередини. Хірурги, відповідно, отримують можливість оперувати складний перелом не наосліп і навмання, а наперед вивчивши структуру перелому за такими знімками. Взагалі ж, застосуванням радіографіїу науці, техніці та медицині немає числа. І всі вони працюють за одним принципом: Хімічні властивостіатома (по суті, властивості зовнішньої електронної оболонки) дозволяють віднести речовину до певної хімічної групи; потім, використовуючи хімічні властивості цієї речовини, атом доставляється потрібне місце», після чого, використовуючи властивість ядер цього елемента до розпаду у суворій відповідності до встановлених законів фізики «графіку», реєструються продукти розпаду.

Майже 90% із 2500 відомих атомних ядер нестабільні. Нестабільне ядромимовільно перетворюється на інші ядра з випромінюванням частинок. Ця властивість ядер називається радіоактивністю . У великих ядер нестабільність виникає внаслідок конкуренції між тяжінням нуклонів ядерними силами та кулонівським відштовхуванням протонів. Стабільних ядер із зарядовим числом Z> 83 та масовим числом A> 209 немає. Але радіоактивними можуть виявитися і ядра атомів із суттєво меншими значеннямичисел Zі A. Якщо ядро ​​містить значно більше протонів, Чим нейтронів, то нестабільність обумовлюється надлишком енергії кулонівської взаємодії. Ядра, які містять надлишок нейтронів, виявляються нестабільними через те, що маса нейтрону перевищує масу протона. Збільшення маси ядра призводить до збільшення енергії.

Явище радіоактивності було відкрито у 1896 році французьким фізиком А. Беккерелем, який виявив, що солі урану випромінюють невідоме випромінювання, здатне проникати через непрозорі для світла перешкоди та викликати почорніння фотоемульсії. Через два роки французькі фізики М. і П. Кюрі виявили радіоактивність торію і відкрили два нові радіоактивні елементи - полоній і радій.

У наступні роки дослідженням природи радіоактивних випромінюваньзаймалися багато фізиків, у тому числі Е. Резерфорд та його учні. Було з'ясовано, що радіоактивні ядра можуть випускати частки трьох видів: позитивно та негативно заряджені та нейтральні. Ці три види випромінювань були названі α-, β- та γ-випромінюваннями. На рис. 6.7.1 зображено схему експерименту, що дозволяє виявити складний складрадіоактивного випромінювання. У магнітному полі α- і β-промені відчувають відхилення в протилежні сторони, причому β-промені відхиляються значно більше. γ-промені в магнітному полі взагалі не відхиляються.

Ці три види радіоактивних випромінювань сильно відрізняються один від одного за здатністю іонізувати атоми речовини і, отже, проникаючої здатності. Найменшою проникною здатністю має α-випромінювання. У повітрі за нормальних умов α-промені проходять шлях у кілька сантиметрів. β-промені набагато менше поглинаються речовиною. Вони здатні пройти через шар алюмінію завтовшки кілька міліметрів. Найбільшу проникаючу здатність мають γ-промені, здатні проходити через шар свинцю товщиною 5-10 см.

У другому десятилітті XX століття, після відкриття Е. Резерфордом ядерної будовиатомів було твердо встановлено, що радіоактивність – це властивість атомних ядер. Дослідження показали, що α-промені представляють потік α-часток – ядер гелію , β-промені – це потік електронів, γ-промені є короткохвильовим електромагнітним випромінюванням з надзвичайно малою довжиною хвилі λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов.

Альфа-розпад . Альфа-розпадом називається мимовільне перетворення атомного ядра з числом протонів Zта нейтронів Nв інше (дочірнє) ядро, що містить кількість протонів Z- 2 і нейтронів N– 2. При цьому випускається α-частка – ядро ​​атома гелію. Прикладом такого процесу може бути α-розпад радію:

Альфа-частинки, що випускаються ядрами атомів радію, використовувалися Резерфордом у дослідах з розсіювання на ядрах важких елементів. Швидкість α-часток, що випромінюються при α-розпаді ядер радію, виміряна по кривизні траєкторії в магнітному полі, приблизно дорівнює 1,5·10 7 м/с, а відповідна кінетична енергія близько 7,5·10 -13 Дж (приблизно 4, 8 МеВ). Ця величина легко може бути визначена за відомим значенняммас материнського та дочірнього ядер та ядра гелію. Хоча швидкість α-частки, що вилітає, величезна, але вона все ж становить лише 5 % від швидкості світла, тому при розрахунку можна користуватися нерелятивістським виразом для кінетичної енергії.

Дослідження показали, що радіоактивна речовина може випускати α-частки з кількома дискретними значеннямиенергій. Це тим, що ядра можуть бути, подібно атомам, у різних збуджених станах. В одному з таких збуджених станів може бути дочірнє ядро ​​при α-розпаді. При подальшому переході цього ядра в основний стан випускається γ-квант. Схема α-розпаду радію з випромінюванням α-часток з двома значеннями кінетичних енергій наведена на рис. 6.7.2.

Таким чином, α-розпад ядер у багатьох випадках супроводжується γ-випромінюванням.

Теоретично α-розпаду передбачається, що всередині ядер можуть утворюватися групи, які з двох протонів і двох нейтронів, т. е. α-частка. Материнське ядро ​​є для α-часток потенційною ямою яка обмежена потенційним бар'єром. Енергія α-частки в ядрі недостатня для подолання бар'єру (рис. 6.7.3). Виліт α-частинки з ядра виявляється можливим лише завдяки квантово-механічному явищу, яке називається тунельним ефектом . Згідно квантової механіки, існують відмінна від нуля ймовірність проходження частки підпотенційним бар'єром. Явище тунелювання має імовірнісний характер.

Бета-розпад . При бета-розпаді з ядра вилітає електрон. Всередині ядер електрони існувати не можуть, вони виникають при β-розпаді внаслідок перетворення нейтрону на протон. Цей процес може відбуватися не лише всередині ядра, а й із вільними нейтронами. Середнє життя вільного нейтрона становить близько 15 хвилин. При розпаді нейтрон перетворюється на протон та електрон

Вимірювання показали, що в цьому процесі спостерігається порушення закону збереження енергії, так як сумарна енергія протона і електрона, що виникають при розпаді нейтрона, менше енергії нейтрона. У 1931 році Вольфганг Паулі висловив припущення, що при розпаді нейтрону виділяється ще одна частка з нульовими значеннями маси та заряду, яка забирає з собою частину енергії. Нова частка отримала назву нейтрино (маленький нейтрон). Через відсутність у нейтрино заряду та маси ця частка дуже слабко взаємодіє з атомами речовини, тому її надзвичайно важко виявити в експерименті. Іонізуюча здатністьнейтрино настільки мала, що один акт іонізації повітря припадає приблизно на 500 км шляху. Ця частка була виявлена ​​лише 1953 р. Нині відомо, що є кілька різновидів нейтрино. У процесі розпаду нейтрону виникає частка, що називається електронним антинейтрино . Вона позначається символом Тому реакція розпаду нейтрону записується як

Аналогічний процес відбувається і всередині ядер при β-розпаді. Електрон, що утворюється в результаті розпаду одного з ядерних нейтронів, негайно викидається з «батьківського дому» (ядра) з величезною швидкістю, яка може відрізнятися від швидкості світла лише на відсотках. Оскільки розподіл енергії, що виділяється при β-розпаді, між електроном, нейтрино та дочірнім ядром носить випадковий характер, β-електрони можуть мати різні швидкостіу широкому інтервалі значень.

При β-розпаді зарядове число Zзбільшується на одиницю, а масове число Aзалишається незмінним. Дочірнє ядро ​​виявляється ядром одного з ізотопів елемента, порядковий номер якого таблиці Менделєєва на одиницю перевищує порядковий номер вихідного ядра. Типовим прикладом β-розпаду може бути перетворення ізотону торію, що виникає при α-розпаді урану в паладій

Поряд з електронним β-розпадом виявлено так званий позитронний β+-розпад, при якому з ядра вилітають позитрон і нейтрино. Позитрон – це частка-двійник електрона, що відрізняється від нього лише знаком заряду. Існування позитрона було передбачено видатним фізиком П. Діраком у 1928 р. Через кілька років позитрон був виявлений у складі космічних променів. Позитрони виникають в результаті реакції перетворення протона на нейтрон за наступною схемою:

Гамма-розпад . На відміну від α- та β-радіоактивності, γ-радіоактивність ядер не пов'язана зі зміною внутрішньої структури ядра і не супроводжується зміною зарядового чи масового чисел. Як при α-, так і при β-розпаді дочірнє ядро ​​може опинитися в деякому збудженому стані та мати надлишок енергії. Перехід ядра з збудженого стану в основне супроводжується випромінюванням одного або декількох γ-квантів, енергія яких може досягати декількох МеВ.

Закон радіоактивного розпаду . У будь-якому зразку радіоактивної речовини міститься величезна кількістьрадіоактивних атомів Так як радіоактивний розпад має випадковий характер і не залежить від зовнішніх умов, то закон зменшення кількості N (t) нерозпалися до даному моментучасу tядер може бути важливою статистичною характеристикоюпроцесу радіоактивного розпаду

Нехай за короткий проміжок часу Δ tкількість ядер, що не розпалися N (t) змінилося на Δ N < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N (t) та проміжку часу Δ t:

Коефіцієнт пропорційності λ – це можливість розпаду ядра за час Δ t= 1 с. Ця формула означає, що швидкість зміни функції N (t) прямо пропорційна самій функції.

Подібна залежність виникає у багатьох фізичних задачах(Наприклад, при розряді конденсатора через резистор). Вирішення цього рівняння призводить до експоненційного закону:

де N 0 – початкова кількість радіоактивних ядер при t= 0. За час τ = 1 / λ кількість ядер, що не розпалися, зменшиться в e≈ 2,7 рази. Величину τ називають середнім часом життя радіоактивного ядра.

Для практичного використаннязакон радіоактивного розпаду зручно записати в іншому вигляді, використовуючи як підставу число 2, а не e:

Величина Tназивається періодом напіврозпаду . За час Tрозпадається половина первісної кількості радіоактивних ядер. Величини Tі τ пов'язані співвідношенням

Мал. 6.7.4 ілюструє закон радіоактивного розпаду.

Період напіврозпаду - основна величина, що характеризує швидкість процесу. Чим менше періоднапіврозпаду, тим інтенсивніше протікає розпад. Так, для урану T≈ 4,5 млрд років, а для радію T≈ 1600 років. Тому активність радію значно вища, ніж урану. Існують радіоактивні елементи з періодом напіврозпаду на частки секунди.

При α- та β-радіоактивному розпаді дочірнє ядро ​​також може виявитися нестабільним. Тому можливі серії послідовних радіоактивних розпадів, які закінчуються утворенням стабільних ядер. У природі є кілька таких серій. Найбільш довгою є серія, що складається з 14 послідовних розпадів (8 α-розпадів і 6 β-розпадів). Ця серія закінчується стабільним ізотопом свинцю (рис. 6.7.5).

У природі є ще кілька радіоактивних серій, аналогічних серії . Відома також серія, яка починається з нептунія не виявленого в природних умові закінчується на вісмуті. Ця серія радіоактивних розпадів виникає у ядерних реакторах.

Цікавим застосуванням радіоактивності є метод датування археологічних та геологічних знахідок за концентрацією радіоактивних ізотопів. Найчастіше використовується радіовуглецевий методдатування. Нестабільний ізотоп вуглецю виникає у атмосфері внаслідок ядерних реакцій, викликаних космічними променями. Невеликий відсоток цього ізотопу міститься у повітрі поряд із звичайним стабільним ізотопом. Рослини та інші організми споживають вуглець з повітря, і в них накопичуються обидва ізотопи в тій самій пропорції, як і в повітрі. Після загибелі рослин вони перестають споживати вуглець і нестабільний ізотопв результаті β-розпаду поступово перетворюється на азот з періодом напіврозпаду 5730 років. Шляхом точного вимірувідносної концентрації радіоактивного вуглецю в останках древніх організмів можна визначити час їхньої загибелі.

Радіоактивне випромінювання всіх видів (альфа, бета, гама, нейтрони), а також електромагнітна радіація(Рентгенівське випромінювання) мають дуже сильний біологічний вплив на живі організми, який полягає в процесах збудження та іонізації атомів і молекул, що входять до складу живих клітин. Під дією іонізуючої радіаціїруйнуються складні молекули та клітинні структури, що приводить до променевого ураження організму . Тому при роботі з будь-яким джерелом радіації необхідно вживати всіх заходів радіаційного захисту людей, які можуть потрапити до зони дії випромінювання.

Однак людина може піддаватися дії іонізуючої радіації та побутових умовах. Серйозну небезпеку здоров'ю може представляти інертний, безбарвний, радіоактивний газ радон . Як видно із схеми, зображеної на рис. 6.7.5 радон є продуктом α-розпаду радію і має період напіврозпаду T= 3,82 добу. Радій у невеликих кількостях міститься у ґрунті, у каменях, у різних будівельних конструкціях. Незважаючи на порівняно невеликий час життя, концентрація радону безперервно поповнюється за рахунок нових розпадів ядер радію, тому радон може накопичуватися в закритих приміщеннях. Потрапляючи в легені, радон випускає α-частинки і перетворюється на полоній, який не є хімічно інертною речовиною. Далі слідує ланцюг радіоактивних перетворень серії урану (рис. 6.7.5). За даними Американської комісії радіаційної безпекита контролю, людина в середньому отримує 55% іонізуючої радіації за рахунок радону і лише 11% за рахунок медичних процедур. Вклад космічних променів становить приблизно 8%. Загальна доза опромінення, яку отримує людина за життя, набагато менше гранично допустимої дози (ПДР), яка встановлюється для людей деяких професій, що зазнають додаткового опромінення іонізуючою радіацією.

Радіоактивними. Радіоактивними називають речовини, що містять радіоактивні ядра.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

✪ Види розпаду

✪ РАДІОАКТИВНІСТЬ фізика

✪ Урок 467. Закон радіоактивного розпаду

✪ Радіоактивність. Ядерні реакції

✪ Ядерні сили Енергія зв'язку частинок в ядрі Розподіл ядер урану Ланцюгова реакція

Субтитри

Все, що ми досі обговорювали, вивчаючи хімію, ґрунтувалося на стабільності електронів і на тому, де вони, швидше за все, знаходяться у стійких оболонках. Але якщо продовжити вивчення атома, з'ясується, що в атомі знаходяться і діють не лише електрони. Взаємодії відбуваються у самому ядрі, йому властива нестабільність, що вона прагне послабити. Це і стане темою нашого відеоуроку. Насправді вивчення цих механізмів не входить до програми з хімії для першокурсників, але зайвими ці знання точно не будуть. Коли ми вивчатимемо сильні ядерні взаємодії, квантову фізику тощо, ми ще докладно розглянемо, чому протони, нейтрони та кварки, з яких складаються ядра атомів, взаємодіють саме таким чином. А зараз уявімо, яким чином ядро ​​взагалі може розпадатися. Почнемо з пучка протонів. Я намалюю кілька. Це протони, а тут будуть нейтрони. Намалюю їх якимось відповідним кольором. Сірий колір- те що треба. Отож вони, мої нейтрони. Скільки у мене протонів? У мене 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Отже, буде 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 нейтронів. Допустимо, це ядро ​​атома. Це, до речі, перший ролик про атомне ядро. Взагалі, намалювати атом, насправді, дуже важко, адже він не має чітко визначених меж. Електрон у будь-який момент часу може знаходитися будь-де. Але якщо говорити про місце знаходження електрона 90% часу, то їм буде радіус чи діаметр атома. Ми вже давно знаємо, що ядро ​​- це нескінченно мала частина обсягу тієї галузі, де електрон знаходиться 90% часу. А з цього випливає, що практично все, що ми бачимо навколо, це порожній простір. Все це – порожній простір. Я говорю про це, тому що це нескінченно мала цятка, навіть незважаючи на те, що вона є дуже малою часткою об'єму атома, його маса становить майже всю масу атома - це дуже важливо. Не атоми, це електрони. Ми проникаємо у ядро. Виявляється, іноді ядро ​​буває нестабільним і прагне досягти більш стійкої конфігурації. Ми не заглиблюватимемося в деталі причин нестійкості ядра. Але просто скажу, що іноді воно випускає так, звані альфа-частинки. Це називається альфа-распадом. Запишемо. Альфа-розпад. Ядро випускає альфа-частинку, звучить фантастично. Це просто сукупність нейтронів та протонів. А альфа-частка – це два нейтрони і два протони. Можливо, вони відчувають, що вони тут не поміщаються, от ці, наприклад. І відбувається емісія. Вони залишають ядро. Розглянемо, що відбувається з атомом, коли відбувається щось подібне. Візьмемо випадковий елемент , Назвемо його Е. У нього є P - протони. Намалюю літери таким же кольором, як і протони. Отже, ось – протони. Природно, елемент Е є масове число атома, рівне сумі протонів і нейтронів. Нейтрони сірі. Відбувається альфа-розпад, що буде з цим елементом? Що буде з цим елементом? Кількість протонів зменшується на два. Тому кількість протонів складе р мінус 2. І число нейтронів також зменшується на два. Отже, тут у нас р мінус 2 плюс наші нейтрони мінус 2, тобто, всього мінус 4. Маса зменшується на чотири, і колишній елемент перетворюється на новий. Помнете, що елементи визначаються кількістю протонів. При альфа-розпаді ви втрачаєте два нейтрони і два протони, але саме протони перетворюють цей елемент на інший. Якщо ми назвемо цей елемент 1, що я й збираюся зробити, тепер у нас буде новий елемент, елемент 2. Дивіться уважно. Відбувається емісія чогось, що має два протони, і два нейтрони. Тому його маса дорівнюватиме масі двох протонів і двох нейтронів. Що ж це таке? Відокремлюється щось, що має масу чотири. Що містить два протони і два нейтрони? Зараз я не маю періодичної системи елементів. Я забув її вирізати та вставити перед зйомкою цього відеоролика. Але ви швидко знайдете в періодичній таблиці елемент, що має два протони, і цей елемент – гелій. Його атомна маса справді чотири. Справді, за альфа-розпаду відбувається емісія саме ядра гелію. Це ядро ​​гелію. Так як це ядро ​​гелію, він не має електронів, щоб нейтралізувати заряд протонів, це іон. Він не має електронів. У нього лише два протони, тому він має заряд плюс 2. Підпишемо заряд. Альфа-частка - це просто іон гелію, іон гелію з зарядом плюс 2, мимовільно ядром, що випускається, для досягнення більш стійкого стану. Це один вид розпаду. Тепер інші. Малюємо ще одне ядро. Намалюю нейтрони. Намалюю протони. Іноді виходить так, що нейтрон почувається незатишно. Він щодня дивиться на те, що роблять протони, і каже, знаєте що? Чомусь, коли я прислухаюся до себе, я відчуваю, що насправді маю бути протоном. Якби я був протоном, все ядро ​​було б трохи стійкіше. І що він робить, щоб стати протоном? Пам'ятаєте, що нейтрон має нейтральний заряд? Ось що він робить, він випромінює електрон. Це здається божевіллям. Електрони в нейтронах і таке інше. І я згоден із вами. Це божевілля. І одного разу ми вивчимо все, що знаходиться усередині ядра. А поки що просто скажемо, що нейтрон може випустити електрон. Що він робить. Отже, ось електрон. Ми приймаємо його масу за рівну нулю. Насправді це не так, але ми говоримо зараз про одиниці атомної маси. Якщо маса протона – один, то маса електрона у 1836 разів менша. Тому ми сприймаємо його масу за нуль. Хоч це й не так. А його заряд – мінус 1. Отже, повернемося до процесу. Нейтрон випромінює електрон. Звичайно, нейтрон не залишається нейтральним, а перетворюється на протон. Це називається бета-розпадом. Запишемо цей вид. Бета-розпад. А бета-частка - насправді просто електрон, що випускається. Повернемося до нашого елементу. У нього є певна кількість протонів та нейтронів. Разом вони становлять масове число. Що відбувається, коли він піддається бета-розпаду? Чи змінюється кількість протонів? Звичайно, у нас на один протон більше, ніж було, бо один нейтрон перетворився на протон. Кількість протонів збільшилась на 1. Чи змінилося масове число? Подивимося. Кількість нейтронів зменшилася однією, а кількість протонів збільшилася однією. Тому масове число не змінилося. Воно, як і раніше, становить Р плюс N, тобто маса залишається незмінною, на відміну від ситуації з альфа-розпадом, але сам елемент змінюється. Кількість протонів змінюється. В результаті бета-розпаду ми знову отримуємо новий елемент. Наразі інша ситуація. Припустимо, один із цих протонів дивиться на нейтрони і каже, знаєте, що? Я бачу, як вони мешкають. Мені це дуже подобається. Думаю, мені було б зручніше, а наша група частинок усередині ядра була б щасливішою, якби я теж був нейтроном. Всі ми були б у більш стійкому стані. І що він робить? У цього незручності протона є можливість випустити позитрон, а не протон. Він випускає позитрон. А що це таке? Це частка, яка має таку саму масу, як і електрон. Тобто, його маса у 1836 разів менша за масу протона. Але тут ми пишемо просто нуль, тому що в одиницях атомної маси вона наближається до нуля. Але позитрон має позитивний заряд. Трохи плутає те, що тут все ще написано. Коли я бачу, я думаю, що це електрон. Але ні, цю частинку позначають буквою е, тому що це частка того ж типу, але замість негативного зарядувона має позитивний заряд. Це позитрон. Підпишемо. Починає відбуватися щось незвичайне з цими типами частинок та речовиною, які ми розглядаємо. Але це – факт. І якщо протон випускає цю частинку, то з нею практично йде його позитивний заряд, і цей протон перетворюється на нейтрон. Це називається емісією позитрона. Емісію позитрона уявити досить легко, У назві все сказано. Знову елемент Е, з певною кількістюпротонів і нейтронів. Яким має бути цей новий елемент? Він втрачає протон. P мінус 1. Він перетворюється на нейтрон. Тобто кількість P зменшується на один. Кількість N збільшується однією. Тому маса цілого атома не змінюється. Вона складе P плюс N. Але в нас все ще має вийти інший елемент, правильно? Коли відбувається бета-розпад, збільшується кількість протонів. Ми перемістилися праворуч у періодичній таблиці, або збільшили, ви знаєте, що я маю на увазі. Коли відбувається емісія позитрона, зменшується кількість протонів. Потрібно це записати в обох цих реакціях. Отже, це емісія позитрона і залишається один позитрон. А у нашому бета-розпаді залишається один електрон. Реакції записані абсолютно однаково. Ви знаєте, що це електрон, тому що він має заряд мінус 1. Ви знаєте, що це позитрон, тому що він має заряд плюс 1. Залишається один останній тип розпаду, про який ви повинні знати. Але він не змінює кількість протонів чи нейтронів у ядрі. Він просто вивільняє велика кількістьенергії, або іноді високоенергетичний протон. Це називається гамма-распадом. Гамма-розпад означає, що ці частинки змінюють свою конфігурацію. Вони трохи зближуються. І зближуючись, виділяють енергію у вигляді електромагнітного випромінюванняз дуже маленькою довжиною хвилі. По суті, можна називати це гамма-частинкою або гамма-променем. Це надвисока енергія. Гамма-промені дуже небезпечні. Вони можуть вас вбити. Усе це була теорія. Тепер вирішимо кілька завдань і з'ясуємо, з яким типом розпаду ми маємо справу. Тут у мене берилій-7, де сім – це атомна маса. І я перетворюю його на літій-7. Отже, що тут відбувається? Маса ядра берилію залишається незмінною, але кількість протонів зменшується з чотирьох до трьох. Зменшилася кількість протонів берилію. Загальна масане змінилась. Безперечно, це не альфа-розпад. Альфа-розпад, як ви знаєте, це виділення гелію з ядра. То що ж виділяється? Виділяється позитивний заряд, або позитрон. Тут це показано за допомогою рівняння. Це позитрон. Тому цей тип розпаду берилію-7 до літію-7 це емісія позитрона. Все ясно. А тепер поглянемо на такий приклад. Уран-238, що розпадається до торію-234. І ми бачимо, що атомна маса зменшується на 4 і бачимо, що атомне число зменшується, кількість протонів зменшується на 2. Ймовірно, виділилося щось, що має атомну масу чотири, і атомне число два, тобто гелій. Це альфа-розпад. Ось тут – це альфа-частка. Це приклад альфа-розпаду. Але тут не все так просто. Бо якщо з 92 протонів залишилося 90 протонів, тут залишилося ще 92 електрони. Чи тепер буде заряд мінус 2? Більш того, гелій, який вивільняється, він же не має електронів. Це просто ядро ​​гелію. То чи буде заряд плюс 2? Задаючи таке питання, ви будете абсолютно праві. Але насправді саме в момент розпаду торію більше немає причин утримувати ці два електрони, тому ці два електрони зникають, і торій знову стає нейтральним. А гелій дуже швидко реагує так само. Йому дуже потрібні два електрони для стійкості, тому він дуже швидко захоплює два електрони і стає стабільним. Можна записати це будь-яким способом. Розглянемо ще один приклад. Тут маю йод. Добре. Подивимося, що відбувається. Маса не змінюється. Протони повинні перетворитися на нейтрони або нейтрони – перетворитися на протони. Ми бачимо, тут у мене 53 протони, а тут – 54. Мабуть, один нейтрон перетворився на протон. Нейтрон, мабуть, перетворився на протон. А нейтрон перетворюється на протон, випромінюючи електрон. І ми спостерігаємо це під час цієї реакції. Електрон звільнився. Виходить, це бета-розпад. Це бета-частка. Підписали. Діє та сама логіка. Зачекайте, замість 53 стало 54 протони. Тепер, коли додався ще один протон, чи маю позитивний заряд? Так буде. Але дуже скоро - можливо, не саме ці електрони, навколо обертається так багато електронів - я захоплю електрони з якогось місця, щоб стати стійким, і знову набуду стійкості. Але ви будете абсолютно праві, якщо поставите питання, чи не стане частка іоном на малу частку часу? Розглянемо ще один приклад. Радон-222 з атомним числом 86, який перетворюється на полоній -218, з атомним числом 84. Невеликий цікавий відступ. Полоній названо так на честь Польщі, тому що Марія Кюрі, яка відкрила його, звідти, на той час, приблизно наприкінці 1800-х років – Польща ще не існувала як окрема країна. Її територія була поділена між Пруссією, Росією та Австрією. І поляки дуже хотіли, щоби люди знали – вони – єдиний народ. Вони зробили відкриття, що коли радон піддається розпаду, утворюється цей елемент. І назвали його на честь своєї батьківщини Польщі. Це привілей відкриття нових елементів. Але повернемось до завдання. Отже, що сталося? Атомна маса зменшилась на чотири. Атомне число поменшало на два. Ще раз повторю, мабуть, вивільнилася частка гелію. Ядро гелію має атомну масу чотири та атомне число два. Все ясно. Виходить, це альфа-розпад. Можна написати, що це ядро ​​гелію. Воно немає електронів. Ми можемо навіть відразу сказати, що воно матиме негативний заряд, але потім його втрачає. Subtitles by the Amara.org community

Теорія

Ядро, що зазнає радіоактивного розпаду, і ядро, що виникає внаслідок цього розпаду, називають відповідно материнським і дочірнім ядрами. Зміна масового числа і заряду дочірнього ядра по відношенню до материнського описується правилом Зміщення Соді.

Розпад, що супроводжується випромінюванням альфа-часток, назвали альфа-розпадом; розпад, що супроводжується випромінюванням бета-частинок, був названий бета-розпадом (нині відомо, що існують типи бета-розпаду без випромінювання бета-частинок, проте бета-розпад завжди супроводжується випромінюванням нейтрино або антинейтрино). Термін "гама-розпад" застосовується рідко; Випускання ядром гамма-квантів називають зазвичай ізомерним переходом. Гамма-випромінювання часто супроводжує інші типи розпаду, коли в результаті першого етапу розпаду виникає дочірнє ядро ​​в збудженому стані, потім перехід в основний стан з випромінюванням гамма-квантів.

Ядра з однаковим масовим числом A(ізобари) можуть переходити один в одного за допомогою бета-розпаду. У кожному ізобарному ланцюжку міститься від 1 до 3 бета-стабільних нуклідів (вони не можуть відчувати бета-розпад, проте не обов'язково стабільні по відношенню до інших видів радіоактивного розпаду). Інші ядра ізобарного ланцюжка бета-нестабільні; шляхом послідовних бета-мінус-або бета-плюс-розпадів вони перетворюються на найближчий бета-стабільний нуклід. Ядра, що знаходяться в ізобарному ланцюжку між двома бета-стабільними нуклідами, можуть відчувати і β - -, і β + -розпад (або електронне захоплення). Наприклад, існуючий у природі радіонуклід калій-40 здатний розпадатися в сусідні бета-стабільні ядра аргон-40 і кальцій-40:

Історія відкриття

Радіоактивність була відкрита в 1896 році французьким фізиком А. Бекерелем. Він займався дослідженням зв'язку люмінесценції та нещодавно відкритих рентгенівських променів.

Беккерелю спала на думку: чи не супроводжується будь-яка люмінесценція рентгенівськими променями? Для перевірки своєї здогади він взяв кілька з'єднань, у тому числі одну з солей-урану, що фосфоресціює жовто-зеленим світлом. Висвітливши її сонячним світломВін загорнув сіль у чорний папір і поклав у темній шафі на фотопластинку, теж загорнуту в чорний папір. Через деякий час, виявивши платівку, Беккерель справді побачив зображення шматка солі. Але люмінесцентне випромінювання не могло пройти через чорний папір, і тільки рентгенівське проміннямогли у цих умовах засвітити платівку. Беккерель повторив досвід кілька разів та з однаковим успіхом.

Згодом Беккерель випробував і інші сполуки та мінерали урану (у тому числі фосфоресценції, що не виявляють), а також металевий уран. Платівка завжди засвічувалася. Помістивши між сіллю та платівкою металевий хрестик, Беккерель отримав слабкі контури хрестика на платівці. Тоді стало ясно, що відкриті нові промені, що проходять крізь непрозорі предмети, але не є рентгенівськими.

Беккерель встановив, що інтенсивність випромінювання визначається лише кількістю урану в препараті і зовсім не залежить від того, до яких сполук він входить. Таким чином, ця властивість була притаманна не сполукам, а хімічному елементу - урану.

Своїм відкриттям Беккерель ділиться з вченими, з якими співпрацював. У 1898 р. Марія Кюрі і П'єр Кюрі виявили радіоактивність торію, пізніше ними були відкриті радіоактивні елементи полоній і радій.

Вони з'ясували, що властивістю природної радіоактивності мають усі сполуки урану і найбільшою міроюсам уран. Беккерель повернувся до люмінофорів, що його цікавили. Щоправда, він зробив ще одне велике відкриття, Що стосується радіоактивності. Якось для публічної лекціїБеккерелю знадобилася радіоактивна речовина, він узяв його у подружжя Кюрі і поклав пробірку в жилетну кишеню. Прочитавши лекцію, він повернув радіоактивний препаратвласникам, а наступного дня виявив на тілі під жилетною кишенею почервоніння шкіри у формі пробірки. Беккерель розповів про це П'єру Кюрі, і той поставив на собі досвід: протягом десяти годин носив прив'язану до передпліччя пробірку з радієм. Через кілька днів у нього теж з'явилося почервоніння, яке перейшло потім у тяжку виразку, від якої він страждав протягом двох місяців. Так вперше було відкрито біологічну дію радіоактивності.

Але і після цього подружжя Кюрі мужньо робило свою справу. Досить сказати, що Марія Кюрі померла від променевої хвороби (доживши, проте, до 66 років).

У 1955 р. було обстежено записні книжкиМарія Кюрі. Вони досі випромінюють завдяки радіоактивному забруднення, внесеному при їх заповненні. На одному з листків зберігся радіоактивний відбиток пальця П'єра Кюрі.

Закон радіоактивного розпаду

Закон радіоактивного розпаду- Закон, відкритий Фредеріком Соді і Ернестом Резерфордом експериментальним шляхом і сформульований в 1903 році. Сучасне формулюваннязакону:

що означає, що кількість розпадів за інтервал часу tу довільній речовині пропорційно числу Nнаявних у зразку радіоактивних атомів цього типу.

У цьому математичному вираженні - постійна розпаду, яка характеризує ймовірність радіоактивного розпаду за одиницю часу і має розмірність -1 . Знак мінус вказує на зменшення кількості радіоактивних ядер з часом. Закон виражає незалежність розпаду радіоактивних ядер один від одного і від часу: ймовірність розпаду даного ядра в кожну наступну одиницю часу не залежить від часу, що пройшов з початку експерименту, і кількості ядер, що залишилися в зразку.

Цей закон вважається основним законом радіоактивності, з нього було вилучено кілька важливих наслідків, серед яких формулювання характеристик розпаду середній час життя атомаі період-напіврозпаду.

Константа розпаду радіоактивного ядра в більшості випадків практично не залежить від навколишніх умов (температури, тиску, хімічного складуречовини тощо). Наприклад, твердий тритій T 2 при температурі кілька кельвінів розпадається з тією ж швидкістю, що і газоподібний тритій при кімнатній температуріабо при температурі тисячі кельвінів; тритій у складі молекули T 2 розпадається з тією ж швидкістю, що й у складі тритованого валіну. Слабкі зміни константи розпаду в лабораторних умовах виявлені лише для електронного захоплення - доступні в лабораторії температури та тиску, а також зміна хімічного складу здатні дещо змінювати щільність електронної хмари в оточенні ядра, що призводить до зміни швидкості розпаду на відсотки. Однак у досить жорстких умовах (висока іонізація атома, висока щільністьелектронів, високий хімічний потенціал нейтрино, сильні магнітні поля), труднодосяжних в лабораторії, але реалізуються, наприклад, в ядрах зірок, інші типи розпадів теж можуть змінювати свою ймовірність.

Постійність константи радіоактивного розпаду дозволяє вимірювати вік різних природних і штучних об'єктів по розпаду радіоактивних ядер, що входять до їх складу, і накопиченню продуктів розпаду. Розроблено низку методів радіоізотопного датування, що дозволяють вимірювати вік об'єктів у діапазоні від одиниць до мільярдів років; серед них найбільш відомі радіовуглецевий метод, уран-свинцевий метод, уран-гелієвий метод, калій-аргоновий метод та ін.

Види частинок, що випромінюються при радіоактивному розпаді

• промені першого типу відхиляються так само, як потік позитивно заряджених частинок; їх назвали α-променями;
• промені другого типу зазвичай відхиляються в магнітному полі так само, як потік негативно заряджених частинок, їх назвали β-променями (існують, однак, позитронні бета-промені, що відхиляються в протилежний бік);
• промені третього типу, які не відхиляються магнітним полем, назвали γ-випромінюванням .

Хоча в ході досліджень були виявлені й інші типи частинок, що випромінюються при радіоактивному розпаді, назви збереглися досі, оскільки відповідні типи розпадів найбільш поширені.

При взаємодії ядра, що розпадається, з електронною оболонкою можливе випромінювання частинок (рентгенівських фотонів, Оже-електронів, конверсійних електронів) з електронної оболонки. Перші два типи випромінювань виникають при появі в електронної оболонкивакансії (зокрема, при електронному захопленні та при ізомерному переході з випромінюванням конверсійного електрона) та подальшому каскадному заповненні цієї вакансії. Конверсійний електрон випускається в процесі ізомерного переходу з внутрішньою конверсією, коли енергія, що виділяється під час переходу між рівнями ядра, не виноситься гамма-квантом, а передається одному з електронів оболонки.

Альфа-розпад, як правило, відбувається у важких ядрах з масовим числом А≥ 140 (хоча є кілька винятків). Усередині важких ядер рахунок властивості насичення ядерних силутворюються відокремлені α-частинки, що складаються з двох протонів та двох нейтронів. α-частка, що утворилася, схильна до більшої дії кулонівських силвідштовхування від протонів ядра, ніж окремі протони. Одночасно α-частка відчуває менше ядерне тяжіння до нуклонів ядра, ніж інші нуклони. Альфа-частка, що утворилася на межі ядра, відображається від потенційного бар'єрувсередину, однак з деякою ймовірністю вона може подолати його (див. Тунельний ефект) і вилетіти назовні. Із зменшенням енергії альфа-частинки проникність потенційного бар'єру дуже швидко (експоненційно) зменшується, тому час життя ядер з меншою доступною енергією альфа-розпаду за інших рівних умов більший.

Правило усунення Содді для α-розпаду:

Приклад (альфа-розпад урану-238 у торій-234):

В результаті α-розпаду атом зміщується на 2 клітинки до початку таблиці Менделєєва (тобто заряд ядра Zзменшується на 2), масове число дочірнього ядра зменшується на 4.

Бета-розпад

Після позитронного розпаду і ε-захоплення елемент зміщується на 1 клітинку до початку таблиці Менделєєва (заряд ядра зменшується на одиницю), тоді як масове число ядра при цьому не змінюється.

Подвійний бета-розпад

Найбільш рідкісним з усіх відомих типів радіоактивного розпаду є подвійний бета-розпад, він виявлений на сьогодні лише для одинадцяти нуклідів, і період напіврозпаду для будь-якого з них перевищує 10 19 років. Подвійний бета-розпад, залежно від нукліду, може відбуватися:

• з підвищенням заряду ядра на 2 (при цьому випромінюються два електрони і два антинейтрино, 2β - -розпад)
• зі зниженням заряду ядра на 2, причому випускаються два нейтрино і
  • два позитрони (двопозитронний розпад, 2β + -розпад)
  • випромінювання одного позитрону супроводжується захопленням електрона з оболонки (електрон-позитронна конверсія, або εβ + -розпад)
  • захоплюються два електрони (подвійне електронне захоплення, 2ε-захоплення).

Передбачено, але ще не відкрито безнейтринний подвійний бета-розпад.

Вивчення радіоактивності переконує в тому, що радіоактивні випромінювання випромінюються атомними ядрами радіоактивних елементів. Це очевидно щодо частинок, тому що в електронній оболонці їх просто немає. Ядерне походження частинок доводиться хімічними дослідами. Якщо частинки випромінюються ядрами, то радіоактивність має призводити до зміни хімічної природиатома. Справді, електрон забирає з ядра одиницю негативного заряду, т. е. збільшує позитивний заряд ядра на одиницю. Ядро буде утримувати навколо себе не , а електронів; радіоактивний атом перетвориться на атом наступного по порядку елемента періодичної системи. І дійсно, хімічні дослідження виявили, що в речовинах, що випромінюють випромінювання, накопичуються атоми елемента з порядковим номеромна одну одиницю перевищує порядковий номер випромінювача.

Випускання частинок також змінює заряд ядра і тому має також призводити до зміни хімічної природи радіоактивного атома. Це передбачення повністю підтверджується дослідами.

Отже, випромінюючи випромінювання, атоми радіоактивного елемента змінюються, перетворюючись на атоми нового елемента.

У цьому сенсі випромінювання радіоактивних випромінювань називають радіоактивним розпадом. Розрізняють розпад - випромінювання частинок, і розпад - випромінювання частинок.

Так як частка забирає позитивний заряд у дві одиниці і масу в чотири одиниці, то в результаті розпаду радіоактивний елемент перетворюється на інший елемент, порядковий номер якого на дві одиниці менше, а масове число на чотири одиниці менше. Маса частки мізерно мала в порівнянні з атомною одиницею маси; тому випромінювання частки не змінює масового числа ядра. Отже, в результаті розпаду радіоактивний елемент перетворюється на елемент з порядковим номером, на одиницю більшим і з тим самим масовим числом.

Ці правила, що вказують усунення елемента в періодичній системі, викликане розпадом, називаються правилами усунення.

Радіоактивний розпад викликає безперервне зменшення кількості атомів радіоактивного елемента. У разі урану, торію і радію швидкість розпаду настільки мала, що зменшення кількості атомів цих елементів невідчутно навіть за проміжок часу в кілька років. Існує, проте, велика кількість радіоактивних елементів, що швидко розпадаються. Розглянемо, наприклад, радіоактивний ізотоп вісмуту з масовим числом 210, так звані (радій). виділяється з радію, в якому присутній у вкрай малих кількостях. Незначні по масі кількості легко виявляються по інтенсивному випромінюванню. Вимірюючи періодично за допомогою газорозрядного лічильникаЧисло часток, що випускаються препаратом в одиницю часу, ми виявимо, що це число поступово зменшується. Графік спадання активності з часом наведено на рис. 388.

Мал. 388. Графік спадання активності радіоактивної речовини з часом

Як видно з графіка, через 5 діб активність дорівнює початковій, через 10 діб - початковій, через 15 діб - початковій і т. д. За кожні 5 діб активність зменшується вдвічі. Але для того, щоб зменшити активність удвічі, достатньо розділити препарат навпіл. Отже, кількість атомів зменшується вдвічі за кожні 5 діб.

Інтервал часу, протягом якого розпадається половина атомів радіоактивної речовини, має назву періоду напіврозпаду. Таким чином, речовина, розпад якої зображено на рис. 388 має період напіврозпаду 5 діб. Нехай у початковий момент число атомів радіоактивної речовини дорівнює. Період напіврозпаду цієї речовини позначимо. Після закінчення періодів напіврозпаду, тобто в момент , число атомів, що не розпалися, дорівнює, очевидно,

Підставляючи, отримаємо

Наш висновок співвідношення (215.1) проведено для проміжків часу, кратних періоду напіврозпаду (тобто для цілих); можна довести, однак, що воно справедливе і для будь-яких. Співвідношення (215.1), що дає залежність числа радіоактивних атомів, що не розпалися від часу, називається законом радіоактивного розпаду.

Період напіврозпаду є однією з основних характеристик радіоактивної речовини. Численні досліди показали, що період напіврозпаду радіоактивної речовини є суворо постійна величина, яка не може бути змінена такими впливами (у доступних нам межах), як охолодження, нагрівання, тиск, магнітне поле, сили хімічного засобу та ін. Незалежність періоду напіврозпаду від зовнішніх умов не повинна бути для нас дивовижною. Радіоактивний розпад є властивістю атомних ядер, а зміни атомного ядра енергія звичайних земних впливів недостатня (§208).

Вимір періоду напіврозпаду короткоживучих ядер зводиться до визначення проміжку часу, протягом якого інтенсивність випромінювання спадає вдвічі. Період напіврозпаду довгоживучих ядер можна обчислити, вимірявши число атомів, що розпадаються в одиницю часу ( рівну числучасток, що випускаються за цей час, і знаючи повне число атомів у зразку. Дійсно, частка числа атомів, що розпадається за деякий час, залежить від періоду напіврозпаду. Чим менший період напіврозпаду, тим швидше розпад і тим велика часткаатомів розпадається за той самий час.

Вимірювання такого роду дають для періоду напіврозпаду радію величину 1600 років. Природно, що за проміжки часу порядку року спад радію настільки малий, що зміна його активності практично непомітна.

З геології відомо, що вік мінералів вимірюється мільйонами років. За проміжки часу геологічного масштабу розпад радію мав би призвести до повного зникнення. Очевидно, у природі поряд із розпадом відбувається утворення нових атомів радію. Той факт, що радій завжди міститься в уранових і тільки в уранових рудах, Наводить на думку, що джерелом нових атомів радію служить радіоактивний розпад урану.

Уран є радіоактивним речовиною, т. е. випромінює частки. Період напіврозпаду урану (точніше, основного ізотопу урану з атомною масою 238), виміряний за активністю, становить 4,5 мільярда років. Навіть за геологічною шкалою часу розпад урану відбувається дуже повільно.

розпад ядра приводить, згідно з правилами усунення, до утворення ядра з зарядом і масовим числом, тобто, ізотопаторія. Цей ізотоп торію, званий інакше, (уран-ікс-один), також виявляється радіоактивною речовиною, що випускає частинки. Продуктом розпаду виявляється - ізотоп елемента протактину з атомною масою 234, званий інакше. Цей ізотоп знов-таки радіоактивний тощо. Ланцюжок послідовних продуктів розпаду урану, так зване радіоактивне сімейство урану, зображено на рис. 389. Тільки після 14 наступних друзівза другом розпадів атом урану перетворюється на нерадіоактивний або, як то кажуть, стабільний ізотоп свинцю.

Розпад урану призводить зрештою до накопичення свинцю. І дійсно, уранові рудизавжди містять свинець. В уранових рудах накопичуються, звісно, ​​і всі проміжні продукти ланцюга розпаду урану. Радій є п'ятим продуктом у цьому ланцюзі. , Про яке йшлося вище, - сьомий продукт у ланцюгу розпаду радію. Першим нащадком радію є - радіоактивний інертний газ радон (інколи називається еманацією радію).

Накопичення радіоактивних продуктів перетворення обмежується їх розпадом. Чим менший період напіврозпаду речовини, тим швидше воно розпадається і тим менший його вміст у материнській речовині (урані чи радії).

Будь-яке радіоактивне перетворенняпов'язано, як знаємо, з випромінюванням або , або частки. Деякі перетворення супроводжуються ще й розпадом

Крім сімейства урану, в природі існують ще два радіоактивні сімейства. Родоначальником одного з них є торій, родоначальником іншого – рідкісний ізотоп урану.

Ядра атомів стійкі, але змінюють свій стан у разі порушення певного співвідношення протонів і нейтронів. У легких ядрах має бути приблизно порівну протонів та нейтронів. Якщо в ядрі занадто багато протонів або нейтронів, то такі ядра нестійкі і зазнають мимовільних радіоактивних перетворень, в результаті яких змінюється склад ядра і, отже, ядро ​​атома одного елемента перетворюється на ядро ​​атома іншого елемента. У цьому процесі випромінюються ядерні випромінювання.

Існують такі основні типи ядерних перетворень або види радіоактивного розпаду: альфа-розпад та бета-розпад (електронний, позитронний та К-захоплення), внутрішня конверсія.

Альфа-розпад –це випромінювання ядром радіоактивного ізотопу альфа-часток. Внаслідок втрати з альфа-частинкою двох протонів і двох нейтронів ядро, що розпадається, перетворюється на інше ядро, в якому число протонів (заряд ядра) зменшується на 2, а число частинок (масове число) на 4. Отже, при даному радіоактивному розпаді відповідно до правила усунення (зсуву), сформульованим Фаянсом і Содді (1913 р.), що утворюється (дочірній) елемент зміщений вліво щодо вихідного (материнського) на дві клітини вліво в періодичній системі Д. І. Менделєєва. Процес альфа-розпаду в загальному виглядізаписується так:

де X символ вихідного ядра; Y символ ядра продукту розпаду; 4 2 He - альфа-частка, Q - звільнений надлишок енергії.

Наприклад, розпад ядер радію-226 супроводжується випромінюванням альфа-часток, при цьому ядра радію-226 перетворюються на ядра радон-222:

Енергія, що виділяється при альфе-розпаді, ділиться між альфа-частинкою та ядром обернено пропорційно їх масам. Енергія альфа-часток суворо пов'язана з періодом напіврозпаду даного радіонукліду (закон Гейгера-Неттола) . Це говорить про те, що, знаючи енергію альфа-часток, можна встановити період напіврозпаду, а за періодом напіврозпаду ідентифікувати радіонуклід. Наприклад, ядро ​​полонію-214 характеризується значеннями енергії альфа-часток Е = 7,687 МеВ і Т 1/2 = 4,510 -4 с, тоді як для ядра урану-238 Е = 4,196 МеВ і Т 1/2 = 4, 510 9 років. Крім того, встановлено, що чим більша енергія альфа-розпаду, тим швидше він протікає.

Альфа-розпад – досить поширене ядерне перетворення важких ядер (уран, торій, полоній, плутоній та ін. з Z> 82); в даний час відомо більше 160 альфа-випромінюючих ядер.

Бета-розпад –мимовільні перетворення нейтрону в протон або протона в нейтрон усередині ядра, що супроводжуються випромінюванням електронів позитронів і антинейтрино або нейтрино е.

Якщо в ядрі є надлишок нейтронів (“нейтронне навантаження” ядра), то відбувається електронний бета-розпад, при якому один з нейтронів перетворюється на протон, випускаючи при цьому електрон та антинейтрино:

.

При цьому розпаді заряд ядра і, відповідно, атомний номер дочірнього ядра збільшується на 1, а масове число не змінюється, тобто дочірній елемент зрушений у періодичній системі Д. І. Менделєєва на одну клітинку праворуч від вихідного. Процес бета-розпаду у загальному вигляді записується так:

.

У такий спосіб розпадаються ядра з надлишком нейтронів. Наприклад, розпад ядер стронцію-90 супроводжується випромінюванням електронів і перетворенням їх на ітрій-90:

Часто ядра елементів, що утворюються при бета-розпаді, мають надмірну енергію, яка вивільняється випромінюванням одного або кількох гамма-квантів. Наприклад:

Електронний бета-розпад характерний для багатьох природних та штучно отриманих радіоактивних елементів.

Якщо несприятливе співвідношення нейтронів і протонів в ядрі обумовлено надлишком протонів, відбувається позитронний бета-розпад, при якому ядро ​​випускає позитрон і нейтрино в результаті перетворення протона в нейтрон всередині ядра:

Заряд ядра і відповідно атомний номер дочірнього елемента зменшується на 1, масове число не змінюється. Дочірній елемент займатиме місце в періодичній системі Д. І. Менделєєва на одну клітинку вліво від материнського:

Позитронний розпад спостерігається у деяких штучно одержаних ізотопів. Наприклад, розпад ізотопу фосфору-30 з утворенням кремнію-30:

Позитрон, вилетівши з ядра, зриває з оболонки атома "зайвий" електрон (слабко пов'язаний з ядром) або взаємодіє з вільним електроном, утворюючи пару “позитрон-електрон” Внаслідок того, що частка і античастка миттєво взаємознищуються з виділенням енергії, то освічена параперетворюється на два гамма-кванти з енергією, еквівалентній масі частинок (e + іe -). Процес перетворення пари “позитрон-електрон” у два гамма-кванти зветься анігіляції (знищення), а електромагнітне випромінювання, що виникає, називається анігіляційним. У даному випадкувідбувається перетворення однієї форми матерії (часток речовини) на іншу (випромінювання). Це підтверджується існуванням зворотної реакції – реакції утворення пари, коли електромагнітне випромінювання досить високої енергії, проходячи поблизу ядра під впливом сильного електричного поля атома, перетворюється на пару “электрон-позитрон”.

Таким чином, при позитронному бета-розпаді в кінцевому результатіза межі материнського ядра вилітають не частинки, а два гамма-кванти, що володіють енергією в 0,511 МеВ кожен, що дорівнює енергетичному еквіваленту маси спокою частинок - позитрона та електрона E = 2m e c 2 = 1,022 МеВ.

Перетворення ядра може бути здійснено шляхом електронного захоплення, коли один з протонів ядра мимоволі захоплює електрон з однією з внутрішніх оболонок атома (K, Lі т. Д.), Найчастіше з К-оболонки, і перетворюється на нейтрон. Такий процес називають також К-захопленням. Протон перетворюється на нейтрон згідно наступної реакції:

При цьому заряд ядра зменшується на 1, а масове число не змінюється:

Наприклад,

У цьому місце, звільнене електроном, займає електрон із зовнішніх оболонок атома. Внаслідок перебудови електронних оболонок випускається квант рентгенівського випромінювання. Атом, як і раніше, зберігає електричну нейтральність, тому що кількість протонів в ядрі при електронному захопленні зменшується на одиницю. Таким чином, цей тип розпаду призводить до тих самих результатів, що і позитронний бета-розпад. Характерний він, зазвичай, для штучних радіонуклідів.

Енергія, що виділяється ядром при бета-розпаді конкретного радіонукліда, завжди постійна, але через те, що при цьому типі розпаду утворюється не дві, а три частинки: ядро ​​віддачі (дочірнє), електрон (або позитрон) і нейтрино, то енергія по-різному у кожному акті розпаду перерозподіляється між електроном (позитроном) і нейтрино, тому що дочірнє ядро ​​завжди забирає ту саму порцію енергії. Залежно від кута розльоту нейтрино може забирати велику чи меншу енергію, у результаті електрон може отримати будь-яку енергію від нуля до деякого максимального значення. Отже, при бета-розпаді бета-частинки одного і того ж радіонукліду мають різну енергію,від нуля до деякого максимального значення, характерного розпаду даного радіонукліда. За енергією бета-випромінювання практично неможливо провести ідентифікацію радіонукліду.

Деякі радіонукліди можуть розпадатися одночасно двома або трьома способами: шляхом альфа- та бета-розпадів та через К-захоплення, поєднанням трьох типів розпадів. У разі перетворення здійснюються у суворо певному співвідношенні. Так, наприклад, природний довгоживучий радіоізотоп калій-40 (Т 1/2 =1,4910 9 років), вміст якого в природному калії становить 0,0119 %, піддається електронному бета-розпаду та К-захоплення:

(88% - електронний розпад),

(12% - К-захоплення).

З описаних вище типів розпадів, можна дійти невтішного висновку, що гамма-распада в “чистому вигляді” немає. Гамма-випромінювання тільки може супроводжувати різним типамрозпадів. При випромінюванні гамма-випромінювання в ядрі не змінюються масове число, ні його заряд. Отже, природа радіонукліда не змінюється, а змінюється лише енергія, що міститься в ядрі. Гамма-випромінювання випускається при переході ядер зі збуджених рівнів на більш низькі рівні, у тому числі і на основній. Наприклад, при розпаді цезію-137 утворюється збуджене ядро ​​барію-137. Перехід із збудженого в стабільний стан супроводжується випромінюванням гамма-квантів:

Так як час життя ядер у збуджених станах дуже мало (зазвичай t 10 -19 с), то при альфа-і бета-розпадах гамма-квант вилітає практично одночасно із зарядженою часткою. Виходячи з цього, процес гамма-випромінювання не виділяють у самостійний вид розпаду. За енергією гамма-випромінювання, як і за енергією альфа-випромінювання, можна провести ідентифікацію радіонукліду.

Внутрішня конверсія.Порушений (внаслідок того чи іншого ядерного перетворення) стан ядра атома свідчить про наявність у ньому надлишку енергії. У стан з меншою енергією (нормальний стан) збуджене ядро ​​може переходити не тільки шляхом випромінювання гамма-кванту або викиду будь-якої частинки, але й шляхом внутрішньої конверсії або конверсії з утворенням електрон-позитронних пар.

Явище внутрішньої конверсії у тому, що ядро ​​передає енергію збудження одному з електронів внутрішніх верств (К-, L- чи М-шар), який у результаті виривається межі атома. Такі електрони отримали назву конверсійних електронів. Отже, випромінювання електронів конверсії обумовлено безпосередньою електромагнітною взаємодією ядра з електронами оболонки. Конверсійні електрони мають лінійний спектр енергії на відміну від електронів бета-розпаду, що дають суцільний спектр.

Якщо енергія збудження перевищує 1,022 МеВ, то перехід ядра в нормальний стан може супроводжуватися випромінюванням пари "електрон-позитрон" з подальшою їх анігіляцією. Після того як відбулася внутрішня конверсія, в електронній оболонці атома з'являється вакантне місце вирваного електрона конверсії. Один з електронів більш віддалених шарів (з вищих енергетичних рівнів) здійснює квантовий перехід на «вакантне» місце з випромінюванням характеристичного рентгенівського випромінювання.