УРОК 4 (1 ч)
Явление радиоактивности. Виды радиоактивного распада.
Радиоактивность
Согласно принятому в настоящее время определению (ИЮПАК):
Радиоактивность – свойство некоторых нуклидов подвергаться радиоактивному распаду. Существуют и другие варианты:
– самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием частиц или γ-квантов.
– самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента из
основного или метастабильного состояния в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, α-частиц).
– самопроизвольное изменение состава атомного ядра, происходящее путем испускания
элементарных частиц или ядер из основного состояния за время, существенно превышающее время жизни возбужденного составного ядра в ядерных реакциях, или из метастабильного состояния.
– неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения или радиацией.
Впервые способность ядер тяжелых элементов самопроизвольно распадаться была обнаружена Беккерелем в 1896 году. Позднее Резерфорд и супруги Кюри показали, что ядра некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый член ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные поля, давление) нельзя повлиять на характеристики распада.
Радиоактивность - называют способность некоторых неустойчивых атомных ядер самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием различных видов радиационных излучений.
Радионуклиды - изотопы, ядра которых способны самопроизвольно распадаться.
Имеются радионуклиды средней части таблицы Д.И. Менделеева и три радиоактивных семейства тяжелых радионуклидов. В трех радиоактивных семействах: урана (238U), тория (232Th) и актиния (235Ас) в процессах радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов.
Радиоактивные изотопы, изначально присутствующие на Земле.
| Радионуклид | Весовое содержание в земной коре | Период полураспада, лет: | Тип распада: |
| Уран-238 | 3·10-6 | 4.5·109 | α-распад |
| Торий-232 | 8·10-6 | 1.4·1010 | α-распад, γ-распад |
| Калий-40 | 3·10-16 | 1.3·109 | β-распад, γ –распад |
| Ванадий-50 | 4.5·10-7 | 5·1014 | γ –распад |
| Рубидий-87 | 8.4·10-5 | 4.7·1010 | β –распад |
| Индий-115 | 1·10-7 | 6·1014 | β -распад |
| Лантан-138 | 1.6·10-8 | 1.1·1011 | β -распад, γ –распад |
| Самарий-147 | 1.2·10-6 | 1.2·1011 | α-распад |
| Лютеций-176 | 3·10-8 | 2.1·1010 | β-распад, γ –распад |
Количество ядерных превращений тяжелых радионуклидов может быть различным, но последним элементом, ядра которого не распадаются, является свинец. Здесь М - массовое число, равное сумме протонов и нейтронов 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, бета-распад, спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад), протонная радиоактивность (протонный синтез).
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. В результате альфа-распада образуется атом элемента, смещенный на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической 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 превращений:
1. Выбрасывание электрона и антинейтрино - - в-распад (электронный распад);
2. Выбрасывание позитрона и нейтрино - +в-распад (позитронный распад);
3. Поглощение одним из протонов ядра атома электрона с ближайшей орбиты. При этом заряд ядра уменьшится на единицу. 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.
Гамма-кванты - это электромагнитное излучение с частотой до1020 с-1, с энергией до 10 МэВ. Это происходит в том случае, если при распаде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, позитрону или альфа-частице. Как самостоятельный вид гамма-распад не существует.
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. При самопроизвольном делении имеет место неравенство mЯД m1 + m2, здесь mяд - масса ядра, m1 и m2 - массы ядер-осколков, образующиеся в результате - распада ядра. Кинетическая энергия ядер-осколков во много раз больше энергии альфа частиц.
Основной закон радиоактивного распада радионуклида – в результате всех видов радиоактивных превращений количество ядер данного изотопа постепенно уменьшается.
N=N0 e –λt , где
-N –полное число нестабильных ядер,
- N0 – число нестабильных ядер в начальный момент времени.
- электрон.
- λ – постоянная распада (постоянная для каждого вида ядер, но разная между ядрами разных элементов, например: для 226Ra λ = 1,37 ∙10-11 с-1).
- t – время.
Единицей активности в системе СИ принят 1 распад/с=1 Бк (назван Беккерелем в честь французского ученого (1852-1908 г), открывшего в 1896 году естественную радиоактивность солей урана).
Используют также кратные единицы: 1 ГБк = 109 Бк - гигабеккерель, 1 МБк=106 Бк - мегабеккерель, 1 кБк = 103 Бк - килобеккерель и др.
Внесистемная единица - Кюри, которая изымается из употребления согласно ГОСТ 8.417-81 и РД 50-454-84. Однако на практике и в литературе она используется. За 1Кu принята активность 1г радия: 1Кu = 3,7∙1010 Бк; 1Бк = 2,7∙10-11Ки (23).
Используют также: кратную единицу мегакюри 1Мки = 1∙106Ки и дольные - милликюри, 1мКи = 10-3Ки; микрокюри, 1мкКи = 10-6 Ки.
Агрегатные состояния
Радиоактивные вещества могут находиться в различном агрегатном состоянии, в том числе аэрозольном, взвешенном состоянии в жидкости или в воздухе.
Виды излучений
1. Альфа-излучение – это поток положительно заряженных частиц – ядер атома гелия 42Не.
Когда ядро делится (спонтанно или искусственно у элементов альфа-излучателей –уран, плутоний, торий и т.д.) из него вылетает 2 11р и 2 1 1n и образуют сразу же между собой ядро атома гелия – ά-частицу. Скорость образования частицы 20000 км/сек (в 35000 раз быстрее современных самолётов. Энергия частицы 4.5 - 8 МэВ.
Вещества, испускающие ά-частицы называются альфа-активными
2. Бета-излучение – поток электронов (е-)или позитронов(е+). Существуют отрицательно заряженные – электроны (β-) и положительно заряженные – позитроны (β +). Величина заряда позитронов приблизительно равна заряду электрона.
β- частицы в отличие от ά-частиц:
- вылетают из ядер с разной энергией, т.е. одно ядро данного р/а изотопа испускает β- частицу с одной энергией, другое ядро – с другой энергией;
- энергетический спектр β- частиц является непрерывным и с увеличением толщины поглотителя, число β- частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности, уменьшается постепенно (т.к. частицы разной энергии поглощаться разными слоями поглотителя)
- для каждого β- активного изотопа характерна своя максимальная энергия β- частиц.
3. Гамма-излучение – поток γ-квантов.
Гамма-лучи имеют двойственную природу: с одной стороны – они частицы (фотоны), с другой – волна.
- Проникающая способность – огромна, т.к. γ- лучи имеют очень маленькую длину волны.
- Процесс образования пар начинается только при Е= 1,02 МэВ и увеличивается с увеличением Е до 10 Мэв и более.
- Процесс образования пар в тяжелых ядрах (Pb) начинается с 2,5 МэВ и выше.
- Ослабление γ- лучей в веществе происходит тем сильнее, чем меньше энергия квантов (фотонов) и чем больше плотность вещества и заряды ядер атомов этого вещества и рассчитывается по закону Бугера-Ламберта-Бэра «Зависимость излучения от толщины слоя d» по формуле:
I = I0 e md ∙ f(d), где
I – интенсивность излучения
I0- интенсивность при отсутствии поглотителя
е – заряд электрона
m- линейный коэффициент ослабления, характеризующий ослабление γ- лучей в слое вещества толщиной d.
f(d) – фактор, зависящий от толщины слоя и учитывающий изменение интенсивности γ- лучей за счет рассеянного излучения.