Радиоакти́вный распа́д — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.
Радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны.
Стабильные ядра - это такие ядра, для которых спонтанный распад и превращения являются энергетически невозможными. В реально существующих стабильных ядрах обычно число нуклонов одного сорта находится в определенном соотношении с числом нуклонов другого сорта.
Основные типы ядерных превращений:
1) Альфа-распад. При альфа-распаде излишек энергии из ядра уносится с альфа-частицей, которая представляет собой ядро гелия. Энергия оставшегося ядра меньше, чем исходного:
ZХА → Z-2YА-4 + 2Не4
Альфа распад характерен для тяжёлых ядер с массовым числом более 200. Эн., к-ую получает альфа частица, складывается из эн. состояния, в к-ом образ-ся дочернее ядро и эн, к-ая выделилась при разделении материнского ядра. Если при альфа распаде дочернее ядро попадает в возбуждён состояние, в дальнейшем происходит излучен γ – кванта, с к-ым уходит избыточная эн-ия, а ядро переходит на более низкий эн-ий уровень. Спектр альфа распада дискретный, энергии альфа частиц лежат в узком интервале (от 2 до 8 МэВ)
2) Бета-распад. Различают три типа β-распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным ядром. Последний тип распада принято также называть К-захватом
β(-)- из ядра вылетает электрон и антинейтрино (0ν0)/, образуется дочернее ядро с зарядом +1.
ZХА → Z+1YА + е- + (0ν0)/
β(+)- (позитроный распад) - заряд –1, из ядра вылетает позитрон и нейтрино(0ν0).
ZХА → Z-1YА + е+ + 0ν0
Нейтрино и антинейтрино не обладают массой покоя, зарядом, отлич-ся спиральностью, обладают огромной проницаемостью.
К-захват – превращение протона в нейтрон, материнское ядро получает электрон, выделяется нейтрино, заряд дочернего ядра –1.
ZХА + е → Z-1YА + 0ν0
β- аналогичен экзотермич эффекту, т.е. не треб-ет дополнит эн-ии, доп-ся у естествен и искуствен изотопов.
β+ и К-захват треб-ют дополнит эн-ии, поэтому характерны только для искуственных изотопов
Бета-спектр непрерывный.
Гамма-излучение.
Масса гамма кванта = 0. Представляет жёсткое электромагнитное излучение. Они не явл-ся самостоят видом радиоактивного распада, а явл-ся осн формой уменьшения эн-ии дочернего ядра. Для них хар-ны з-ны оптики, их невозможно изучать обычными физ–хим методами. Об их наличии судят по вторичным эффектам.
Внутренняя конверсия - явление, при котором энергия γ-перехода ћω из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией в результате электромагнитного взаимодействия передаётся одному из электронов атомной оболочки, который при этом вылетает из атома (конверсионный электрон). Кинетическая энергия конверсионного электрона Т определяется энергией γ-перехода ћω и энергией связи электрона в атоме Ece T = ћω - Ece.
Электроны внутренней конверсии могут вылетать из различных оболочек атома: K, L, M и т.д. Чаще всего конверсионные электроны вылетают из ближайшей к ядру K-оболочки. В отличие от β-распада конверсионные электроны имеют дискретный спектр энергии.
Закон радиоактивного превращения: для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность λ того, что оно испытывает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt, будет равно:
-dN/dt = λN. (Количество распадов в единицу времени называется активностью. A= λN)
И тогда, число не распавшихся изотопов будет равно N(t)=N0exp(-λt). Это и есть закон радиоактивного распада.
Период полураспада – время, за которое распадается половина ядер данного изотопа. T1/2=-ln(1/2)/λ.
Схема распада: схема распада показывает, какое ядро претерпевает распад, какое ядро образуется после распада, вероятность одного из способов распада (если существует несколько каналов распада), какие частицы с какой энергией образуются во время распада.
Основные радиоактивные изотопы. Радиоактивные ряды. Космогенные изотопы. Свойства естественных нестабильных изотопов. Источники искусственных изотопов. Свойства искусственных нестабильных изотопов.
Изотопы – ядра, с одинаковым зарядовым числом, но с разным массовым. Или изотопы - разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Символично изотоп записывают в виде: AXZ
Большинство известных изотопов радиоактивны. Все известные изотопы всех элементов, которые в таблице Менделеева идут после свинца, радиоактивны.Выделяют радиоактивные в-ва естественного и искусств происхождения.Радиоактивные вещества естественного происхождения, содержащиеся в виде газов и аэрозолей в атмосфере. Это: 1) изотопы радона, газообразные продукты распада радия, тория и актиния, диффундирующие через почвенные капилляры в атмосферу, и ряд радиоактивных изотопов, являющихся продуктами их распада в атмосфере; 2) радиоактивные изотопы, поступающие в атмосферу с пылью земного происхождения (уран, радий, торий), а также при испарении брызг морской воды (радиоактивный калий); 3) радиоактивные изотопы алюминия, бериллия, кальция, попадающие в атмосферу с космической пылью, метеоритами и тектитами; 4) радиоактивные изотопы, образующиеся непосредственно в атмосфере при взаимодействии нейтронов космического излучения с ядрами атомов химических элементов воздуха (изотопы бериллия, трития, углерода, фосфора, серы, хлора, натрия и др.)
Космогенные изотопы - радиоизотопы, происхождение которых обусловлено космическим излучением, используются для определения магнитной активности и — с большой вероятностью — для определения солнечной активности.
Радиоизотопы искусственного происхождения получаются в ядерных реакторах.
Среди них выделяют стабильные изотопы, которые существуют в неизменном виде неопределенно долго, и нестабильные (радиоизотопы), которые со временем распадаются.
Радиоактивные изотопы— изотопы, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад.
Часто продуктами распада явл. радиоакт. ряды. Н-р, радиоактивные ряды природных тяжелых изотопов U232, U235, Th232. Многие изотопы могут распадаться по нескольким каналам. В результате конкуренции возникают разветвления радиоак-ыхпревращ. Для природных изотопов характерны разветвления, обусловленные α- и β-распадов. У нейтронодефецитных ядер наблюд конкуренция β+ распада и электронного захвата. Для многих изотопов с нечетным Z и четным А энергетически возможны 2 противоположных варианта β- распада: β- распад и электронный захват или β- или β+ распады.
Радиоактивные ряды (семейства) – группа генетич связанных радиоакт-х изотопов, в к-ых каждый послед. изотоп возникает в рез-те α- или β-распада предыдущего. Каждый ряд имеет родоначальника- изотоп с наибольшим периодом полураспада Т1/2. Завершают ряд стабильные изотопы.
Если значения массовых чисел делятся на 4, то их числа можно выразить общ ф-ой: 4n, если в остатке будет 1, 2 или 3, то общие ф-лы: 4n+1, 4n+2, 4n+3.
Выделяют три естественных радиоактивных ряда и один искусственный.
Естественные ряды: ряд тория (4n) — начинается с нуклида Th-232;ряд радия (4n+2) — начинается с U-238;ряд актиния (4n+3) — начинается с U-235.Искусственный ряд: ряд нептуния (4n+1) — начинается с Np-237.
Радиоизотопы широко применяются в научных исследованиях в качестве изотопных индикаторов (меток) и в самых разных областях науки и техники в качестве источников радиоактивных излучений. Они используются в медицине (диагностика, лучевая терапия).