Явление радиоактивности. Виды распада.

Впервые способность ядер тяжелых элементов самопроиз-вольно распадаться была обнаружена Беккерелем в 1896 году. Позднее Резерфорд и супруги Кюри показали, что ядра некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя ра-диоактивные ряды, где каждый член ряда возникает из предыду-щего, причем никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные поля, давление) нельзя повлиять на характеристики распада.

Способность некоторых неустойчивых атомных ядер само-произвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием различных видов радиационных излучений называют радиоак-тивностью, а изотопы, ядра которых способны самопроизвольно распадаться – радионуклидами.

Имеются радионуклиды средней части таблицы Д.И.Менделеева и три радиоактивных семейства тяжелых ра-дионуклидов.

Количество ядерных превращений тяжелых радионуклидов может быть различным, но последним элементом, ядра которого не распадаются, является свинец. Радиоактивный распад описыва-ется при помощи уравнений на основе равенства сумм зарядов и массовых чисел:

(1)

Здесь М – массовое число, равное сумме протонов и нейтро-нов в ядре:

M = Z+n, (2)

где: Z – число протонов в ядре; n – количество нейтронов в ядре.

Выполнение закона сохранения массового числа:

М1 = М2 + М3 (3)

Выполнение закона сохранения электрического заряда:

Z1 = Z2 + Z3 (4)

Известны 4 типа радиоактивного распада: альфа-распад, бе-та-распад, спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад), протонная радиоактивность (протонный синтез).

В более тяжелых элементах больше нейтронов. Начиная с номера 82 таблицы Д.И.Менделеева, ядра изотопов химических элементов нестабильны и распадаются, несмотря на избыток нейтронов. Рассмотрим примеры альфа- и бета-распадов, как наиболее часто встречающиеся.

Альфа-распад – характерен для ядер тяжелых элементов. Пример:

При альфа-распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия 42Н, т.е. альфа-частица по массе и заряду аналогична ядру атома гелия. Таким образом, в ре-зультате альфа-распада образуется атом элемента, смещенный на два места от исходного радиоактивного элемента к началу перио-дической системы И.Д.Менделеева. Энергия альфа-частиц может быть в пределах 1–10 МэВ.

Бета-распад (β -распад) – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон с выбросом бета-частиц (соответственно позитрона или электрона). Бета-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превраще-ний:

1. Выбрасывание электрона и антинейтрино – –β -распад (электронный распад);

2. Выбрасывание позитрона и нейтрино – +β -распад (пози-тронный распад);

3. Поглощение одним из протонов ядра атома электрона с ближайшей орбиты. При этом заряд ядра уменьшится на единицу.

Как предполагают физики, для равновесия в ядре должно быть определенное сочетание количества протонов и нейтронов. При этом нейтронов для придания устойчивости ядру должно быть больше по мере роста порядкового номера химического эле-мента. Однако, если имеет место чрезмерный избыток нейтронов, то ядро становится неустойчивым, что вызывает превращение нейтрона в протон. При этом образуется химический элемент с по-рядковым номером на единицу больше, а материнское ядро испус-кает электрон и антинейтрино. Если в ядре избыток протонов по сравнению с нейтронами, то протон превращается в нейтрон с ис-пусканием позитрона и нейтрино. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу меньше материнского.

Энергия бета-частиц изменяется в больших пределах и может достигать 13, 5 МэВ. Бета-частицы распространяются в среде со скоростью 0, 29–0, 99 скорости света.

Примечание. Так как массы выбрасываемых электрона, по-зитрона, нейтрино и антинейтрино крайне малы по сравнению с массой протонов и нейтронов, то массовое число атома можно считать неизменным.

Иногда радиоактивный распад сопровождается выбросом не только бета- или альфа-частиц, но и гамма-квантов. Гамма-кванты – это электромагнитное излучение с частотой до1020 с–1, с энергией до 10 МэВ. Это происходит в том случае, если при рас-паде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, пози-трону или альфа-частице. Например:

Примечание. Как самостоятельный вид гамма-распад не существует.

Радиоактивные превращения ядер могут происходить и при захвате ядром орбитального электрона (К-захват):

Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад) – это самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (уран-238, 235, калифорний-240, 248, 249, 250; кюрий-244, 248 и др.). Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа-распадом. Процесс самопроизвольного деления ядер происходит из-за того, что ядра сами по себе нестабильны. При этом происходит расщепление ядра на два осколка

(ядра), близких по массе (рис.1). При самопроизвольном делении имеет место неравенство mЯД  m1 + m2.

Здесь mяд – масса ядра, m1 и m2 – массы ядер-осколков, обра-зующиеся в результате – распада ядра. Кинетическая энергия ядер-осколков во много раз больше энергии альфа частиц. Кроме того, выбрасывается некоторое количество нейтронов, обычно

2–3 на акт деления. Другой отличительной особенностью деления является огромное энерговыделение (в миллионы раз больше, чем при сжигании органического топлива). И, наконец, продукты де-ления являются радиоактивными. Ядра-осколки перегружены нейтронами и поэтому испускают нейтроны, бета-частицы и гамма-кванты. То есть, при делении тяжелых ядер появляются различно-го рода ионизирующие излучения.