Радиоактивность

РАДИОАКТИВНОСТЬ (от лат. radio - излучаю и activus-действенный), самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в др. ядра, сопровождающееся испусканием частиц, а также жесткого электромагн. излучения (рентгеновского или g-излучения). Ядра нового нуклида, к-рые образуются в результате радиоактивного распада исходного нуклида (радионуклида), м. б. стабильными или радиоактивными.

Типы Р. Известны след. типы радиоактивности: 1) a-рас-пад, 2) b-распад, 3) спонтанное деление ядер, 4) протонная, двупротонная и двунейтронная Р., 5) двустадийная Р. a-Распад сопровождается испусканием ядер (a-частиц). При этом заряд Z исходного ядра уменьшается на 2 единицы (в единицах элементарного заряда), а массовое число А -на 4 единицы (в атомных единицах массы). Если Z' и А'-заряд и массовое число возникающего ядра, то для a-распада кратко можно сформулировать правило сдвига: Z' = Z — 2; А' = А — 4. a-Рашад наиб. характерен для тяжелых ядер (Z82). Существуют, однако, ок. 20 a-радио-нуклидов РЗЭ.

Энергия a-частиц, испускаемых тяжелыми ядрами, составляет 4-9 МэВ, для ядер РЗЭ-2-4,5 МэВ. При a-распаде ядер, находящихся в возбужденном состоянии, энергия испускаемых a-частиц может значительно превышать указанные значения (т. наз. длиннопробежные частицы). В редких случаях при a-распаде возникают a-частицы строго определенной энергии и не наблюдается сопутствующего электромагн. излучения (соответствующие радионуклиды наз. "чистыми" a-излучателями). Чаще всего при a-распаде испускается неск. групп a-частиц, каждая из к-рых обладает определенной энергией, т. е. энергетич. спектры a-распада дискретны. Испускание ядром a-частиц разл. энергий свидетельствует о наличии в этом ядре дискретных энергетич. уровней. Энергия испускаемых ядром квантов электромагн. излучения равна разности энергий a-частиц разл. групп. При прохождении через в-во a-частицы тормозятся, расходуя энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Пути a-частиц в в-ве почти всегда прямолинейны и составляют: для воздуха не более 5-7 см, для плотных в-в не более 10-20 мкм.

b-Распад. Под термином "b-распад" объединяют радиоактивные превращения, сопровождающиеся испусканием из атомных ядер электронов е^-, к-рые возникают при превращении нейтрона в протон (b--распад); испусканием позитронов е⁺, возникающих в ядрах при превращении протона в нейтрон (b⁺-распад); захватом орбитального электрона, чаще всего с K-оболочки ядра (К-захват), реже с L-оболочки (L-захват). Для b^--распада правило сдвига имеет вид: Z' = Z + 1, А' = А; для b⁺-распада: Z' = Z — 1, А' = А', для электронного захвата (обычно обозначаемого Э.З.): Z' = Z—1, А' = А. Характерная особенность b^--и b⁺-распадов состоит в том, что энергии b-частиц не дискретны, а непрерывно изменяются почти от 0 до нек-рого макс. значения Е_макс. При b^--распаде из нейтрона n кроме протона р и электрона е^- образуется также третья частица - антинейтриноПри b⁺-распаде из протона кроме нейтрона и позитрона образуется нейтрино v: p:n+e⁺+v. Непрерывный характер b-спектра объясняется распределением энергии между электронами и антинейтрино или позитронами и нейтрино соответственно.

Средняя энергияb-частиц равна: Как и при a-распаде, b-распад одного ядра можетприводить к появлению групп b-частиц с разными значениями E_макс (т. наз. сложный b-распад), к-рый сопровождается испусканием электромагн. излучения.

b^--Распад наблюдается как у легких, так и у тяжелых ядер. Как правило, b^--распад характерен для ядер, имеющих избыточное (по сравнению со стабильными ядрами) число нейтронов. Напр., в стабильных ядрах атомов ¹²С и ¹³С содержится соотв. 6 и 7 нейтронов, а у b^--радиоактивного ¹⁴С-8 нейтронов. Напротив, b⁺-распад характерен для нейтронодефицитных ядер, число нейтронов в к-рых меньше, чем в ядрах стабильных атомов данного элемента. Напр., в стабильном ядре ²³Na содержится 12 нейтронов, а в ядре b⁺-радиоактивного ²¹Na-10 нейтронов.

Траектории b-частиц в в-ве искривляются из-за сильного взаимодействия b-частиц с электронными оболочками атомов. Длина пробега b^- -частиц в воздухе составляет до неск. десятков см, в плотных средах - от долей мм до 1 см и более. При прохождении b⁺-частиц через в-во практически сразу же происходит взаимод. позитронов с электронами, приводящее к образованию двух g-квантов (аннигиляция пары позитрон-электрон). Эти g-кванты суть аннигиляц. излучение, сопровождающее b⁺-распад.

При электронном захвате внеш. электроны в атоме (с более высоких по энергии оболочек) переходят на вакантные места внутр. электронов. Энергия, отвечающая переходу, может испускаться в виде характеристич. рентгеновского излучения. Часто, однако, энергия возбуждения атома не испускается в виде излучения, а непосредственно передается одному или неск. орбитальным электронам. Если полученная электронами энергия выше энергии их связи в атоме, наблюдается испускание оже-электронов, к-рые, в отличие от b^--частиц, имеют дискретные значения энергии.

Спонтанное деление наблюдается только у ядер тяжелых элементов с Z90. При этом типе Р. образуются 2 новых ядра с приблизительно равными массами. Спонтанное деление часто сопровождается испусканием из каждого исходного ядра 2-3 нейтронов. Обнаружено также происходящее с очень малой вероятностью резко несимметричное спонтанное деление ядер с Z88 с испусканием в качестве легких осколков ядер ¹⁴С, ²²Na, ²⁸Mg и др. Подобное деление иногда рассматривают как ¹⁴С-Р., ²²Na-P. и т.д. Др. назв. этого типа деления-кластерная Р. Спонтанное деление обозначают знаком f, напр. спонтанное деление ядер ²³⁸U записывают: ²³⁸U(f, 2n) ¹⁴⁴Ba, ⁹²Kr.

В редчайших случаях искусственно полученные радиоактивные ядра при распаде испускают 1 или 2 протона (соотв. протонная и двупротонная Р.) или 2 нейтрона (двунейтронная Р.). Все вышеперечисленные типы Р. относят к одностадийным превращениям. Известна и двустадийная Р., связанная с испусканием b^--частицы и вылетом из ядра т. наз. запаздывающих частиц (протонов, нейтронов и др.) или последующим актом спонтанного деления.

Мн. радиоактивные ядра способны претерпевать превращения не одного, а сразу неск. типов. Так, ядра ²³⁸U способны одновременно к а-распаду и спонтанному делению, а ядра ⁶⁴Сu-к b^--, b+-распадам и к Э.З. В этих случаях указывают на вероятность распада поданному типу (в процентах).

Для нек-рых ядер, находящихся в возбужденном (метаста-бильном) состоянии, при переходе в стабильное состояние энергия возбуждения испускается только в виде квантов излучения (см. Изомерия атомных ядер). При этом состав ядер не изменяется, поэтому такие превращения обычно не относят к Р. См. также Ионизирующие излучения, Радионуклиды.

Кинетика радиоактивных превращений. Скорость распада ядер данного радионуклида пропорциональна наличному числу ядер N. Осн. закон Р. в дифференц. форме имеет вид:

где l.-Т. наз. постоянная распада (радиоактивная постоянная), значение к-рой, определенное для каждого нуклида, может изменяться в широких пределах. Приведенное ур-ние отражает независимость распада отдельного ядра от распада остальных ядер. В интегральной форме осн. закон Р. имеет вид:

где N₀ - исходное число ядер, N_t-число ядер, не распавшихся к моменту времени t. Значение l связано с периодом полураспада Т_1/2-временем, в течение к-рого число ядер данного нуклида уменьшается в результате Р. вдвое:

Законы Р. имеют статистич. характер, для отдельного ядра невозможно предсказать момент его распада. Поэтому соотношения, описывающие Р., выполняются не строго. Скорость распада за равные промежутки времени при постоянной средней скорости испытывает флуктуации. Среднюю квадратичную флуктуацию а (среднее квадратичное отклонение) можно найти по ф-ле: где среднее число актов радиоактивного превращения, зафиксированное за все время регистрации, а средняя квадратичная флуктуация (среднее квадратичное отклонение) s₁ числа актов радиоактивного распада за единицу времени = = где t - продолжительность измерения) равна: s₁ = — С учетом флуктуации в случае практически всех типов Р. скорость распада ядер при варьировании внеш. условий (т-ры, давления и т. д.) в любых возможных пределах не изменяется. В случае Э. 3. значение Т_1/2 в небольшой мере влияет хим. форма, степень окисления элемента и др. факторы.

Единицы Р. Для характеристики источника, в к-ром происходят радиоактивные превращения, используют понятие активности-физ. величины, характеризующей число распадов в единицу времени в источнике. Единица активности в СИ-беккерель (Бк): 1Бк-активность радионуклида в источнике, в к-ром за 1 с происходит 1 акт распада (размерность Бк-t^-1). Широко используют кратные единицы: кБк (10³Бк), МБк (10⁶ Бк), ГБк (10⁹ Бк), ТБк (10¹² Бк) и др. Используют понятия уд. активности (Бк/кг), молярной активности (Бк/моль), объемной активности (Бк/м³), поверхностной активности (Бк/м²).

Внесистемная единица активности-кюри (Ки): 1 Ки- активность радионуклида в источнике, в к-ром за 1 с происходит 3,7·10¹⁰ актов распада, т.е. 1Ки = 3,7·10¹⁰ Бк. Кратные единицы: мКи (3,7·10⁷ Бк), мкКи (3,7·10⁴ Бк). Прежде в качестве единицы активности применяли также резер-форд, равный 10⁶ Бк. В мед. практике, где имеют дело, как правило, с очень небольшими активностями (при отпуске радоновых ванн и т.п.), использовались единицы эман (1 эман = 10^-10 Ки/л) и махе (1 махе = 3,64 эмана).

Пределы обнаружения радиоактивных свойств ядер. Скорости радиоактивных превращений для разл. радионуклидов изменяются в очень широких пределах. Известны прир. радионуклиды с Т_1/2 10¹³ — 10¹⁵ лет; для малоустойчивых (короткоживущих) радионуклидов Т_1/2 может достигать 1 мкс и менее. Верх. предел измерения T_1/2 определяется техникой измерений: чем более чувствительна аппаратура, тем большие периоды полураспада удается обнаружить. Относительно ниж. предела принимают, что о Р. можно говорить лишь тогда, когда время жизни радиоактивного ядра т = 1/l превышает 10^-12 с. Следует иметь в виду, что ядра, первоначально образующиеся при ядерных реакциях в результате поглощения ядром-мишенью падающей на него ядерной частицы, характеризуются временами жизни до 10^-13 — 10^-14 с; последующие превращения этих составных ядер не принято рассматривать как Р.

Теоретич. расчеты показывают, что наряду с известными к настоящему времени 288 стабильными нуклидами разл. элементов может существовать ок. 7,5 тыс. радионуклидов с Т_1/2 ок. 1 мс. Стабильность ядер к радиоактивным превращениям определяется соотношением в них числа протонов и нейтронов; для легких стабильных ядер это отношение близко к 1, по мере роста Z отношение числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах приближается к 1:1,5. Для легких элементов удается синтезировать радиоактивные ядра, в к-рых отношение числа нейтронов к числу протонов составляет 2,5-3 (²²С, ²³N) и даже 5 (⁶Н). Установлено, что у элементов с Z7 относительно устойчивы радионуклиды, в ядрах к-рых содержится четное число нейтронов.

Исторический очерк. Р. открыта А. Беккере.лем в_1896 как испускание солями U лучей, обладающих высокой проникающей способностью. Вскоре оказалось, что аналогичной способностью обладает и Th. В 1898 М. Склодовская-Кюри и П. Кюри обнаружили 2 новых элемента-Ra и Ро, радиоактивные св-ва к-рых проявлялись значительно сильнее, чем U и Th. Большое значение для изучения Р. имели работы Э. Резерфорда, Ф. Содди, К. Фаянса и др. Отдельные Компоненты испускаемого при радиоактивном превращении излучения по мере их выделения из общего потока с помощью электрич. и магнитных полей получили назв. по первым буквам греч. алфавита (a, b, g).

В 1934 И. и Ф. Жолио-Кюри обнаружили при искусственно проведенной ядерной р-ции образование нового радионуклида ³⁰Р [²⁷А1 (a, n)³⁰Р]; с этого времени начался синтез искусств. радионуклидов. К настоящему времени получено ок. 2000 радионуклидов, обнаружено неск. десятков прир. радионуклидов. Радионуклиды (естественные и искусственно полученные) известны практически у всех элементов, кроме легких (Не и Li).

В 1938 О. Ган и Ф. Штрасман, обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются ядра элементов, атомный номер к-рых значительно меньше, чем у U (ядра щел.-зем. металла Ва). Вскоре Л. Майтнер и О. Фриш установили, что ядро ²³⁸U после поглощения нейтрона делится на 2 осколка (вынужденное деление). Т. к. при таком делении освобождается кинетич. энергия и выделяются своб. нейтроны, способные вызывать новые акты деления, стало возможным практич. использование Р. как цепной р-ции деления ядер в военных и мирных целях. В 1940 К. A. Петр-жак и Г. Н. Флеров_открыли спонтанное деление ядер (на примере ²³⁸U). В связи с работами по созданию ядерного оружия в 40-50-х гг. 20 в. интенсивность исследований Р. резко возросла.

Изучение Р. имеет большое значение для исследования структуры и св-в в-в. Лишь после открытия Р. стало возможным превращение одних хим. элементов в другие, синтез ядер элементов, не существовавших на Земле. Изучение Р. значительно расширило перспективы энергетики, привело к созданию ядерной энергетики, ядерного оружия; Р. нашла применение в с. х-ве, медицине и т.д. Вместе с тем перед человечеством возник целый ряд новых сложных проблем, связанных с предотвращением вредного воздействия излучения на живые организмы (см. Доза, Дозиметрия, Радиоэкология, Радиохимия).

Лит.: Учение о радиоактивности. История и современность, М., 1973; Трифонов Д.Н., Кривомазов А.Н., Лисневский Ю. И., Учение о периодичности и учение о радиоактивности. Комментированная хронология важнейших событий, М., 1974. См. также лит. при ст. Радиохимия.

С. С. Бердоносова.