В $1896$ году Антуан Беккерель обнаружил неизвестное ранее излучение солей урана. Двумя годами позже Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, исследуя урановую руду, открыли новые элементы, которые назвали полонием и радием. Эти элементы давали более интенсивное излучение чем уран. При одинаковой массе интенсивность излучения была больше в ${10}^{10}$, а радия в $2\cdot {10}^7$ раз.
В это же время Э. Резерфорд, пропуская излучение через однородное магнитное поле, установил, что оно состоит с двух компонентов, частицы которых имеют разноименные заряды (на рис. Приведена схема опыта Резерфорда: 1 -- фотопластинка, 2 -- направление индукции магнитного поля, 3 -- свинцовый контейнер, 4 -- радиоактивное вещество, 5 -- отвод для вакуумного насоса). Компоненту с положительно заряженными частицами назвали $\alpha $ -- лучами, компоненту с отрицательными частицами назвали $\beta $ -- лучами. Позже было установлено, что $\beta $ -- лучи являют собой поток электронов, а $\alpha $ -- лучи -- поток ядер атома гелия. В $1900$ году П. Виллард обнаружил третью компоненту, на которую магнитное поле не действовало. Её назвали $\gamma $ -- лучами, которые являют собой поток фотонов с самой короткой длиной волны во всем спектре электро-магнитного излучения. Явление излучения изотопами указанных выше лучей назвали радиоактивностью (от лат. «radius» - луч).
Рисунок 1.
Виды радиоактивности
Под радиоактивностью необходимо понимать спонтанное преобразование изотопов химических элементов, обусловленное распадом ядер. На основании этого определения различают такие виды радиоактивности:
- $\alpha $ -- распад (А. Беккерель, $1896$ год);
-
$\beta $ -- распад:
- ${\beta }^-$ - распад (А. Беккерель, $1896$ год);
- ${\beta }^+$ - распад (И. та Ф. Жолио-Кюри, $1934$ год);
- $K$ -- захват (Л. Альварес);
-
Спонтанное деление ядер (Г. М. Фльоров, К. А. Петржак, $1939$ год);
-
$p$ -- распад:
- однопротонный (Г. М. Фльоров, $1963$ год);
- двухпротонный.
К видам радиоактивного распада по этому определению не входит $\gamma $ -- излучение, поскольку оно не меняет состав ядра, а только меняет его энергию. $\gamma $ -- излучение возникает тогда, когда ядро не появляется в результате распада другого ядра, а находится в возбужденном состоянии. Переход его с состояний с вышей энергией в состояние с низшей энергией сопровождается $\gamma $ -- излучением. Многочисленные опыты показали, что связаны с ней процессы происходят в ядре. На скорость радиоактивного распада не влияют никакие внешние факторы (давление, температура, магнитные и электрические поля). Радиоактивный распад не зависит от химического соединения, до которого входит изотоп и его агрегатного состояния.
Радиоактивность, которая характерна нестабильным ядрам, называется природной. Кроме нее, ядра стабильных изотопов могут стать радиоактивными в результате их облучения, такая радиоактивность называется искусственной. Законы природной и искусственной радиоактивности не зависят от способа получения изотопа.
Законы радиоактивного распада
Поскольку радиоактивный распад имеет произвольный характер, то к большей совокупности ядер применяют статистические законы.
Для каждого радиоактивного ядра существует некоторая вероятность $\lambda $ того, что оно претерпевает распад за единицу времени. Если на момент времени $t$ существует $N$ радиоактивных ядер, то среднее количество ядер $dN$, которое распадается за время $dt$, пропорционально некоторому количеству ядер $N$ и величине $\lambda $, т.е.
Величину $\lambda $ называют постоянной распада. Она является характерной постоянной радиоактивного изотопа. Знак «$-$» показывает то, что количество радиоактивных ядер уменьшается. Проинтегрировав эту формулу получим
Эта формула выражает закон радиоактивного распада. С нее видно, что количество ядер радиоактивного изотопа со временем уменьшается по экспоненциальному закону. Этот закон является статистическим и справедливый для достаточно большого количества ядер радиоактивного изотопа. Закон полностью согласуется с опытами. Отметим, что величина $N$ показывает не количество ядер которые распались, а количество радиоактивных ядер на момент времени $t$. Время $T$ за которое распадается половина начального количества ядер, называется периодом полураспада. С соотношения
находим
Часто изотоп, который возникает в результате радиоактивного распада так же радиоактивный, тогда возникает цепочка радиоактивных преобразований. Так, при распаде ядер радиоактивного изотопа (ядра материнского изотопа) возникают ядра другого изотопа, которые так же являются радиоактивными (дочерние ядра изотопа). При этом выполняется условие:
Состояние, соответствующее этому равенству называют состоянием насыщения. Так же равенство называют условием радиоактивного равновесия. Физический смысл которого заключается в том, что распад дочерних атомов в любой момент времени компенсируется увеличением их количества из-за распада материнских ядер.
Оценка радиоактивного излучения
Радиоактивные препараты характеризируются активностью, которая равняется количеству $N$ распадов радиоактивных ядер препарата за единицу времени: $A=N/t$. Мгновенная радиоактивность равна $\left|dN/dt\right|$ .
За единицу активности препарата берут один распад за секунду -- беккерель (Бк). Часто используют внесистемную единицу распада -- Кюри (Kи): $1\ Ки=3,7\cdot {10}^{10}\ Бк$.
Количественной оценкой действия радиоактивного та рентгеновского излучения на вещество является доза облучения. Различают дозу экспозиционную, дозу поглощения и эквивалентную дозу.
Экспозиционная доза $D_{эксп}$ является мерой ионизации действия рентгеновского и $\gamma $ -- излучения в воздухе и численно равна отношению суммарного заряда ионов одного знака $\triangle Q$, созданных у воздухе вторичными частицами (электронами и позитронами, которые образуются в элементарном объеме при их полном торможении) до массы $\triangle m$ воздуха в этом объеме ($D_{эксп}=\triangle Q/\triangle m$) и измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). Часто на практике используется внесистемная единица -- рентген (Р). $1Р=2,58\cdot {10}^{-4}\ Кл/кг$.
Доза поглощения (поглощенная доза) $D_{погл}$ определяется соотношением энергии $\triangle E$, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе $\triangle m$ вещества в этом объеме ($D_{погл}=\triangle E/\triangle m$). Единицей измерения является грей (Гр). $1\ Гр=1\ Дж/кг$). Внесистемной единицей измерения является рад. $1\ рад=0,01\ Гр$.
Эквивалентная доза $D_{экв}$ определяется как произведение поглощенной дозы $D_{погл}$ на коэффициент качества ионизующего излучения $K$, т.е. $D_{экв}={KD}_{погл}$. Эквивалентная доза измеряется в тех же единицах что и доза поглощения. В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв), которая соответствует поглощенной дозе в 1 грей при $K=1$. Существует специальная единица эквивалентной дозы, которая соответствует биологическому эквиваленту рентгена (бер), т.е. соответствует поглощенной дозе в 1 рад при $K=1$ ($1\ бер=0,01\ Зв$).
Искусственная радиоактивность
В $1934$ году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что после облучения $\alpha $ -- частицами алюминия он становится радиоактивным При искусственной радиоактивности ядерные преобразования происходят в два этапы. Сначала под действием частиц происходит преобразование ядра в радиоактивное. На втором этапе созданное радиоактивное ядро претерпевает спонтанного радиоактивного распада. Этот распад, как и в случае природной радиоактивности, происходит по экспоненциальному закону.
Было установлено, что при бомбардировке атомных ядер разных элементов $\alpha $ -- частицами, протонами, нейтронами, дейтронами и $\gamma $ -- квантами возникают ядра новых радиоактивных изотопов, распад которых происходит за тем же законом.
В последние годы получено большое количество радиоактивных изотопов. При бомбардировке частицами высоких энергий ядер изотопов с конца периодической таблицы удалось создать искусственные ядра, которые стали родоначальниками радиоактивных семей с малым временем жизни. При бомбардировке ${}^{232}_{90}{Th}$ дейтронами с энергией 680 МэВ, образуются радиоактивные ядра ${}^{227}_{91}{Pa}$ в результате реакции:
Распад ядер ${}^{227}_{91}{Pa}\ $происходит следующим образом:
Искусственные радиоактивные элементы преимущественно $\beta $ -- активные, при том ${\beta }^-\ или\ {\beta }^+$ - активные можно узнать с помощью диаграммы зависимости количества нейтронов от количества протонов у ядре для стабильных и радиоактивных ядер (см. рис.). На диаграмме стабильные атомные ядра находятся в узкой зоне, которая ограничена кривыми $1$ и $2$. Изотопы, для которых соотношение $N/Z>N_{ст}/Z_{ст}$. превышает значение, что отвечает кривой $1$, которая принадлежит области протонодефицытных ядер $І$. Радиоактивный распад может происходить таким образом, чтоб величина $N/Z$ уменьшалась, т.е. в ядре уменьшается количество нейтронов $N$. При этом в ядре происходят преобразования $n\to p+e^-+{\widetilde{\nu }}_e$. Следовательно, протонодефицитные ядра при радиоактивном распаде излучают ${\beta }^-$ -- частицы. И наоборот, ядра которые лежат в области $ІІ$ нейтронодефицитных ядер, $N/Z
Искусственные радиоактивные ядра создаются так же в процессе деления тяжелых ядер. При делении ядер ${}^{235}_{92}U$ создаются два новых ядра, которые относятся к протонодефицытных, по этой причине все такие ядра излучат ${\beta }^-$ -- частицы.
Некоторые радиоактивные изотопы, которые получили искусственно после излучения электронов, еще излучают $\gamma $ -- кванты. Теперь стало возможным получать радиоактивные изотопы, которые имеют достаточно высокую активность. Это дает возможность создавать компактные источники радиоактивности, которые широко используются в науке и технике.
