Радіоактивністю називають здатність атомних ядер спонтанно перетворюватися в інші ядра з випусканням різних видів радіоактивних випромінювань і елементарних частинок.
Радіоактивність можна розділити на два види: природну і штучну. Природну можна спостерігати у існуючих в природі нестійких ізотопів. Штучна радіоактивність спостерігається у ізотопів які були отримані в результаті проведення ядерних реакцій.
Радіоактивне випромінювання буває трьох типів.
a-випромінювання - цьому випромінюванню притаманні відхилення електричним і магнітними полями. Воно має високу іонізуючої здатністю. Також характеризується малою проникаючою здатністю. За своєю суттю це потік ядер гелію. Заряд a-частинки дорівнює + 2е, а маса збігається з масою ядра ізотопу гелію 4 2 Чи не.
b-випромінювання - також як і a-випромінювання. дане випромінювання відхиляється електричним і магнітним полями. Якщо продовжити порівняння то його іонізуюча здатність значно менше (приблизно на два порядки), а проникаюча здатність набагато більше, ніж у a-частинок. b-випромінювання - це потік швидких електронів.
g-випромінювання - на відміну від двох попередніх, не відхиляється електричним і магнітними полями. Іонізуюча здатність невелика. А ось яка проникає здатність просто колосальна. g-випромінювання це короткохвильове електромагнітне випромінювання у якого довжина хвилі не велика l <10 -10 м. Следствием этого являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Период полураспада (Т 1/2 ) сокращается, приблизительно в два раза.
ПОСТІЙНА РАСПАДА - константа, що характеризує радіоактивний розпад:
де. - час життя радіоактивного ядра. П. р. пов'язана з періодом напіврозпаду співвідношенням
Період напіврозпаду - час, за яке початкове кількість радіоактивних ядер зменшиться в два рази
Активність радіоактивного джерела - число елементарних радіоактивних розпадів в одиницю часу. Питома активність - активність, яка припадає на одиницю маси речовини джерела.
Об'ємна активність - активність, яка припадає на одиницю об'єму джерела. Питома і об'ємна активності використовуються, як правило, в разі, коли радіоактивна речовина розподілено за обсягом джерела.
Поверхнева активність - активність, яка припадає на одиницю площі джерела. Ця величина застосовується для випадків, коли радіоактивна речовина розподілено по поверхні джерела.
Закон радіоактивного розпаду
Кожен радіоактивний елемент можна охарактеризувати
проміжком часу Т, протягом якого розпадається
половина ядер, що були в момент початку відліку часу.
Період піврозпаду- основна константа радіоактивного
елемента. Період напіврозпаду характеризує швидкість розпаду.
Наприклад: радій 88Ra226 має період напіврозпаду Т = 1600 років;
торій 90Th231 -25.64 години; полоній84Po212 -3 • 10-7 сек.
Виведемо закон радіоактивного розпаду. Позначимо N-число
ядер в момент часу t.
Так як n = t / T, то N = N0 • 2-t / T. Це і є закон радіоактивного
розпаду. За час t розпадається число ядер,
Альфа-розпадом називають мимовільний розпад атомного ядра на дочірнє ядро і # 945;-частинок (ядро атома 4 He).
Альфа-розпад, як правило, відбувається у важких ядрах з масовим числом А ≥ 140 (хоча є кілька винятків). Усередині важких ядер за рахунок властивості насичення ядерних сил утворюються відокремлені # 945; частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів. Новоутворена # 945; -частинка схильна до більшого дії кулонівських сил відштовхування від протонів ядра, ніж окремі протони. одночасно # 945; -частинка зазнає меншого ядерне тяжіння до нуклона ядра, ніж інші нуклони. Новоутворена альфа-частинки на кордоні ядра відбивається від потенційного бар'єру всередину, проте з певною ймовірністю вона може подолати його (див. Тунельний ефект) і вилетіти назовні. Зі зменшенням енергії альфа-частинки проникність потенційного бар'єру дуже швидко (експоненціально) зменшується, тому час життя ядер з меншою доступною енергією альфа-розпаду за інших рівних умов більше.
Правило зміщення Содді для # 945; розпаду:
Приклад (альфа-розпад урану-238 в торій-234):
В результаті # 945; розпаду атом зміщується на 2 клітини до початку таблиці Менделєєва (тобто заряд ядра Z зменшується на 2), масове число дочірнього ядра зменшується на 4.
56. # 946;¯-І # 946; + - РАСПАД, К-ЗАХВАТ.ПРАВІЛА СМЕЩЕНИЯ
Бета-розпад (# 946; розпад) - тип радіоактивного розпаду, обумовлений слабкою взаємодією і змінює заряд ядра на одиницю без зміни масового числа. При цьому ядро випромінює бета-частинку (електрон або позитрон), а також нейтральну фундаментальну частку з напівцілим спіном (електронне нейтрино або електронне антинейтрино, відповідно). Якщо розпад відбувається з випусканням електрона і антинейтрино він називається «бета-мінус-розпадом» (# 946 ;-). У разі розпаду з випусканням позитрона і нейтрино - «бета-плюс-розпадом» (# 946; +). Крім # 946; - і # 946; + - розпадів, до бета-розпадів відносять також електронний захоплення, коли ядро захоплює атомний електрон і випускає електронне нейтрино.
В # 946; - розпад слабку взаємодію перетворює нейтрон в протон, при цьому випускаються електрон і електронне антинейтрино:
.
На фундаментальному рівні (показаному на Фейнмановские діаграмі) це обумовлено перетворенням d-кварка в u-кварк з іспусканіемвіртуального W - бозона, який, в свою чергу, розпадається на електрон і антинейтрино.
Вільний нейтрон також відчуває # 946; - розпад (див. Бета-розпад нейтрона). Це обумовлено тим, що маса нейтрона більше, ніж сумарна маса протона, електрона і антинейтрино. Пов'язаний в ядрі нейтрон може розпадатися по цьому каналу тільки в тому випадку, якщо маса материнського атома Mi більша за масу дочірнього атома Mf (або, взагалі кажучи, якщо повна енергія початкового стану менше повної енергії будь-якого можливого кінцевого стану) [1]. Різниця (Mi - Mf) · c2 = Q # 946; називається доступною енергією бета-розпаду. Вона збігається з сумарною кінетичною енергією рухомих після розпаду частинок - електрона, антинейтрино і дочірнього ядра (так званого ядра віддачі, чия частка в загальному балансі уносимой кінетичної енергії дуже мала, оскільки воно значно масивніший двох інших часток). Якщо знехтувати внеском ядра віддачі, то доступна енергія, що виділилася при бета-розпаді, розподіляється у вигляді кінетичної енергії між електроном і антинейтрино, причому цей розподіл безперервно: кожна з двох частинок може мати кінетичну енергію, що лежить в межах від 0 до Q # 946; . Закон збереження енергії дозволяє # 946; - розпад лише при неотрицательную Q # 946 ;.
Дочірній атом при # 946; - розпаді звичайно виникає у вигляді одноразово зарядженого позитивного іона, оскільки ядро збільшує свій заряд на одиницю, а кількість електронів в оболонці залишається колишнім. Сталий стан електронної оболонки такого іона може відрізнятися від стану оболонки материнського атома, тому після розпаду відбувається перебудова електронної оболонки. Крім того, можливий бета-розпад в зв'язаний стан, коли вилетів з ядра електрон з низькою енергією захоплюється на одну з орбіталей оболонки; в цьому випадку дочірній атом залишається нейтральним.
В # 946; + - розпаді протон в ядрі перетворюється в нейтрон, позитрон і нейтрино:
На відміну від # 946; - розпаду, # 946; + - розпад не може відбуватися поза ядра, оскільки маса вільного протона менше маси нейтрона (розпад міг би йти тільки в тому випадку, якщо б маса протона перевершувала сумарну масу нейтрона, позитрона і нейтрино). Протон може розпадатися по каналу # 946; + - розпаду лише всередині ядер, коли абсолютне значення енергії зв'язку дочірнього ядра більше енергії зв'язку материнського ядра. Різниця між двома цими енергіями йде на перетворення протона в нейтрон, позитрон і нейтрино і на кінетичну енергію одержані частинок. Енергетичний баланс при позитронному розпаді виглядає наступним чином: (Mi - Mf - 2me) · c2 = Q # 946 ;, гдеme - маса електрона. Як і в разі # 946; - розпаду, доступна енергія Q # 946; розподіляється між позитроном, нейтрино і ядром віддачі (на частку останнього доводиться лише мала частина); кінетична енергія позитрона і нейтрино розподілені безперервно в межах від 0 до Q # 946 ;; розпад дозволений енергетично лише при неотрицательную Q # 946 ;.
При позитронному розпаді дочірній атом виникає у вигляді негативного однозарядного іона, оскільки заряд ядра зменшується на одиницю. Один з можливих каналів позитронного розпаду - анігіляція з'явився позитрона з одним з електронів оболонки.
У всіх випадках, коли # 946; + - розпад енергетично можливий (і протон є частиною ядра, несе електронні оболонки або знаходиться в плазмі з вільними електронами), він супроводжується конкуруючим процесом електронного захоплення, при якому електрон атома захоплюється ядром з випусканням нейтрино:
Але якщо різниця мас початкового і кінцевого атомів мала (менше подвоєної маси електрона, тобто одна тисяча двадцять дві кеВ), то електронний захоплення відбувається, супроводжуючи позитронно розпадом; останній в цьому випадку заборонений законом збереження енергії. На відміну від раніше розглянутих електронного та позитронного бета-розпаду, в електронному захопленні вся доступна енергія (крім кінетичної енергії ядра віддачі і енергії збудження оболонки Ex) несеться однією часткою - нейтрино. Тому нейтринний спектр тут представляє з себе не гладке розподіл, а моноенергетичного лінію поблизу Q # 946 ;.
Коли протон і нейтрон є частинами атомного ядра, процеси бета-розпаду перетворюють один хімічний елемент в інший, сусідній з таблиці Менделєєва. наприклад:
Бета-розпад не змінює число нуклонів в ядрі A, але змінює тільки його заряд Z. Таким чином може бути введений набір всіх нуклідів з однаковим A; ці ізобарна нукліди можуть перетворюватися один в одного при бета-розпаді. Серед них деякі нукліди (по крайней мере, один) бета-стабільні, оскільки вони представляють собою локальні мінімумиізбитка маси: якщо таке ядро має числа (A, Z), сусідні ядра (A, Z - 1) і (A, Z + 1 ) мають більший надлишок маси і можуть розпадатися за допомогою бета-розпаду в (A, Z), але не навпаки. Необхідно зауважити, що бета-стабільне ядро може піддаватися іншим типам радіоактивного розпаду (альфа-розпаду, наприклад). Більшість ізотопів, що існують в природних умовах на Землі, бета-стабільні, але існує кілька винятків з такими великими періодами напіврозпаду, що вони не встигли зникнути за приблизно 4,5 млрд років, що минули з моменту нуклеосинтеза. Наприклад, 40K, який відчуває все три типу бета-розпаду (бета-мінус, бета-плюс і електронний захоплення), має період напіврозпаду 1,277 · 109 років.
Бета-розпад можна розглядати як перехід між двома квантовомеханічними станами, обумовлений обуренням, тому він підпорядковується золотому правилу Фермі.
Атомна маса не змінюється (А "= А). Заряд ядра збільшується на одиницю. (Z" = Z + 1). Речовина зміщується на одну клітку до кінця періодичної системи Менделєєва.