Виды радиоактивного распада

Различают следующие основные виды самопроизвольных превращений ядер атомов: а-распад, (3—распад, изомерный переход и спонтанное деление.

Альфа-распад (а-распад) — вид радиоактивного распада атомных ядер, при котором из ядра испускается а-частица, заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число — на 4 единицы, при этом образуется новый химический элемент (рис. 3.4). Альфа-частица представляет собой ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов (42Не). Она имеет статический электрический заряд, равный +2, ее массовое число равно 4.

Причиной а-распада является избыток в ядре атома нуклонов: и протонов, и нейтронов. Альфа-распад характерен для радиоактивных изотопов с большими атомными номерами, находящимися в таблице Менделеева после свинца, например:

2268Яа -> 222Яп + а(4Не)

Поток а-частиц (ядер атомов гелия), возникающий при а-рас-паде, называется а-излучением.

Процессы радиоактивного распада часто изображают в виде схем распада, на которых горизонтальными линиями отмечаются уровни

Схема а-распада

Рис. 3.4. Схема а-распада

энергии исходного и конечного ядер, а стрелками — характер и направление ядерного перехода. Около стрелок указывается энергия испускаемого излучения в МэВ. Кроме того, на схемах распада указывают символы распадающегося и образующегося изотопов и периоды полураспада радиоактивных ядер. Большинство радиоактивных изотопов имеет сложные схемы распада. В таких случаях на схемах указывают процент данного вида излучения по отношению к общему числу переходов. Альфа-распад изображают жирной (или двойной) стрелкой, направленной влево (рис. 3.5).

22213п ТУ2 = 3,82 дня

Бета-распад ((3-распад) — самопроизвольное взаимное превращение внутриядерных нейтронов и протонов — бывает нескольких видов: (3" (электронный) распад, (3+ (позитронный) распад и электронный захват (К-захват).

Причиной -распада является избыток нейтронов в ядре атома по сравнению с устойчивым стабильным ядром. При (3_-распаде (рис. 3.6) нейтрон распадается с образованием протона, который остается в ядре, электрона, который испускается в виде (3"-излуче-ния, и антинейтрино (уе), не имеющего заряда, но уносящего из ядра часть энергии:

пр+ + (3- + V,.

Антинейтрино — это нейтральная элементарная частица, масса и размеры которой крайне малы. Антинейтрино, не имеющее заряда, практически не взаимодействует с веществом и поэтому имеет чрезвычайно высокую проникающую способность. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Нейтринное излучение не представляет опасности для живых организмов. Кроме того, его очень трудно обнаружить.

-частица

м

г+1

У

Пример (3 -распада изотопа углерода приведен ниже:

146С -> 14Н + р- + V,

На схемах электронный [3-распад изображается стрелкой, направленной вправо (рис. 3.7).

90 Бг Т/2 ~ 29,12 лет

В результате радиоактивного распада может образоваться как стабильный, так и радиоактивный изотоп, в свою очередь самопроизвольно распадающийся. Такие группы генетически связанных радиоактивных элементов, возникающие последовательно в результате ядерных превращений, называются радиоактивными семействами или радиоактивными рядами.

Радионуклид, который распадается, называют материнским радионуклидом, а вновь образующийся — дочерним. Завершают радиоактивные семейства стабильные изотопы, например 905г (радиоактивный) —» 90У (радиоактивный) -э 907г (стабильный).

Причиной $+-распада и электронного захвата (/^-захвата) является избыток в ядре атома протонов. При (3+-распаде один из протонов в ядре распадается с образованием нейтрона и покидающих ядро в виде (3+-излучения позитрона (е+) и нейтрино (у):

р+ —> п + (3+ + V.

Позитрон — античастица электрона, отличается от него только положительным зарядом. Пример (3+-распада изотопа натрия приведен ниже:

+ Р+ + V

Схематически [3+-распад изображается стрелкой, направленной влево.

Такой тип распада встречается гораздо реже, чем [3_-распад и наблюдается преимущественно у искусственных радионуклидов.

Поток (3-частиц (электронов или позитронов), возникающий при (3-распаде, называется Р-излучением.

При электронном захвате (К-захвате) энергии неустойчивого ядра недостаточно для испускания позитрона. В этом случае ядро поглощает электрон из электронной оболочки атома (как правило, из ближайшей к ядру А'-оболочки), протон преобразуется в нейтрон и испускается нейтрино. Вакансия в Х-оболочке заполняется электроном с 1-оболочки, что сопровождается рентгеновским излучением (ХЯ):

р+ + е~ —» п + V + ХЯ.

Пример электронного захвата приведен ниже:

+е~ -> 4°8Аг + V + ХЯ.

На схемах электронный захват обозначают пунктирной стрелкой, направленной влево.

Рентгеновское излучение (Х-лучи) — это электромагнитное излучение, энергия фотонов которого лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением (рис. 3.8). Оно обладает высокой проникающей способностью и вызывает ионизацию атомов среды. Это излучение было открыто немецким физиком В.К. Рентгеном в 1895 г.

1

шг

0,05 А

і

Радио

Инфра

волны

красные волны

/ Ультрафиолетовые --

волны Гамма-лучи

Видимый спектр

Рентгеновские лучи

Длина волны А (ангстрем)

Рис. 3.8. Шкала электромагнитных волн

Изомерный переход (у-переход) наблюдается при наличии в ядре избытка энергии, например, после а- или Р-распада. Ядро переходит из возбужденного (метастабильного) состояния в стабильное с испусканием фотонов (квантов электромагнитного излучения — у-квантов). При этом атомный номер элемента и массовое число изотопа остаются прежними, меняется только энергетическое состояние ядра (рис. 3.9).

Например, радиоактивный изотоп |37С5 претерпевает р~-распад с образованием метастабильного 137/"Ва, испускающего при изомерном переходе гамма-квант:

1 —> Р- + Уе + 1375'”Ва —> 137 Ва + у

Поток у-квантов, возникающий при изомерном переходе, называется у-излучением. Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. Рентгеновское и у-излучения являются ионизирующим излучением, их энергетические диапазоны перекрываются в широкой области энергий. Различие между ними лежит в способе возникновения: рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо связанных в атомах, либо свободных), в то время как у-излучение испускается атомным ядром.

Испускание у-квантов на схемах распада изображается вертикальной стрелкой (рис. 3.10).

На схеме распада 137Сз видно, что в 10% случаев энергия возбуждения ядра не испускается с фотоном, а передается одному из орбитальных электронов. Этот процесс называется внутренняя конверсия. Испускаемый конверсионный электрон будет иметь энергию меньшую, чем энергия у-фотона, на величину энергии связи электрона на К- или /,-орбите (где он до этого находился). Как и при электронном захвате, после потери электрона на электронных оболочках атома должна произойти перестройка, которая обычно сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Спонтанное деление ядра — это самопроизвольный распад тяжелых ядер на два (редко — три или четыре) осколка — ядра элементов середины Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Открыто это явление было в 1940 г. Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком для природного урана.

Сверхтяжелые ядра с зарядовым числом 90 и выше крайне неустойчивы, поскольку имеют очень большой избыток нейтронов. Кроме а-распада, они способны также самопроизвольно (спонтанно) расщепляться на два крупных фрагмента, которые называются осколками деления, с одновременным выделением 2—3 нейтронов и большого количества энергии (до 200 МэВ на одно деление). Ядра урана, например, могут делиться случайным образом, давая два осколка (например, 56Ва—36Кг, 54Хе—38Бг и т.п.). Наиболее вероятное соотношение масс осколков составляет 3 : 2, т.е. один из них примерно в 1,5 раза крупнее, чем другой. Практически наблюдаются две области масс осколочных нуклидов: около 85—105 ( 85Кг, 90Вг, "Мо, 95, юз,ЮбКи и др ) и ио-150 (1311, |33Хе, 140Ва, |4|144Се и др.)

(рис. 3.11).

Вероятность спонтанного деления природных нуклидов очень невелика (в 1 г естественного урана происходит в среднем одно деление в минуту). Однако такое расщепление можно спровоцировать дополнительным облучением нейтронами. Попадание еще одного нейтрона в ядро, и без того сильно ими перегруженное, приводит к

70 75 60 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160

Массовое число

Рис. 3.11. Выход осколочных продуктов деления 235и

возбуждению и затем (практически сразу) к делению ядра по той же схеме, что и при спонтанном делении. Некоторые из нуклидов, например 235и и 239Ри, особенно эффективно распадаются на осколки в цепных реакциях деления от захвата тепловых (медленных) или быстрых нейтронов.

Цепные реакции деления тяжелых ядер лежат в основе действия атомного оружия и энергетического реактора. С точки зрения радио-экологии осколочное деление тяжелых ядер — наиболее важный тип радиоактивного распада, так как именно он приводит к образованию большинства искусственных радионуклидов при техногенных загрязнениях окружающей среды.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >