Радиоактивность и её закономерности

К шестой группе относятся установки для измерения внешнего излучения от людей и измерения активности выдыхаемого воздуха. Существуют большие полые сцинтилляционные счетчики и счетные спектрометрические установки с большими кристаллами из Nal для регистрации внешних излучений от людей, предназначенные для изучения естественного у-излуче-ния людей и определения содержания в организме искусственно-радиоактивных у-излучателей и жестких B-излучателей (например, 90Sr+90V) по их тормозному излучению. Кроме того, существуют установки для определения содержания активных веществ в организме по активности выдыхаемого воздуха. Так, например, по содержанию радона в выдыхаемом воздухе определяют количество радия в организме.

Закон радиоактивного распада. Период полураспада

Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Поэтому ыожно считать, что количество ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально как числу имеющихся ядер N, так и промежутку времени dt:

dN=-λNdt.

Здесь λ.—характерная для радиоактивного вещества константа, назывемая постоянной распада. Знак минус взят для того, чтобы dN можно было рассматривать как приращениечисла нераспавшнлся ядер N.

Интегрирование этого выражения приводит к соотношению

N=N0e-λt

где Nо—количество ядер в начальный момент, N—количество нераспавшпхся атомов в момент времени t. Эта формула выражает закон радиоактивного превращения. Этот закон весьма прост: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.

Количество ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

No-N=No(1-e-λt).

Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада Т. Это время определяется условием

Откуда

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах от 3*10-7 с до 5*1015 лет.

Найдем среднее время жизни радиоактивного ядра. Количество ядер dN(t), испытывающих превращение за промежуток времени от t до t + dt, определяется модулем выражения: dN(t) = λN(t)dt. Время жизни каждого из этих ядер равно t. Следовательно, сумма времен жизни всех No имевшихся первоначально ядер получается путем интегрирования выражения tdN(t). Разделив эту сумму на число ядер No, получим среднее время жизни τ радиоактивного ядра:

Таким образом, среднее время жизни есть величина, обратная постоянной распада λ:

Сравнение с показывает, что период полураспада Т отличается от τ числовым множителем, равным In 2.

Виды радиоактивного распада ядер

АЛЬФА-РАСПАД — испускание а-частиц атомными ядрами в процессе самопроизвольного радиоактивного распада. В результате А.-р. «материнское» ядро с зарядом Z и массовым числом А превращается в новое «дочернее» ядро с зарядом Z-2 и массовым числом А-4.

Известно около 160 а-активных ядер. Подавляющая часть их распадается в конце периодической системы и обладает Z>82. Несколько а-активных ядер (например, 14662Sm) имеется в области редких земель. а-активные ядра в области Z<82 наблюдаются почти исключительно среди нейтронодефицитных ядер (ядер с непропорционально малым числом нейтронов), сильно неустойчивых по отношению к К-захвату и испусканию позитронов.

Времена жизни а-активных ядер колеблются в очень широких пределах: от 3·10-7 с для 212Ро до 5-1015 лет для 142Се. Энергии А.-р. всех тяжелых ядер заключены в пределах 4— 9 МэВ; энергии А.-р. ядер в области редких земель составляют 2—4,5 МэВ.

В процессе А.-р. различают две стадии: образование а-частицы из нуклонов ядра и испускание а-частицы ядром. О первой стадии в настоящее время почти ничего не известно. Ясно, однако, что образование а-частиц происходит с заметной вероятностью и поэтому мало сказывается на времени жизни а-активных ядер, которые определяются второй, существенно более медленной стадией процесса.

БЕТА-РАСПАД — радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода: либо нейтрона (п) в протон (р), либо протона в нейтрон. В первом случае из ядра вылетает электрон (е-) и происходит так называемый β-распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением еще одной частицы нейтрино (ν) в случае β+-распада или антинейтрино (Z) в случае β-распада. При β-распаде число протонов (Z) в ядре увеличивается на единицу, а число нейтронов уменьшается на единицу. Массовое число ядра А, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядро-продукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. Наоборот, при β+распаде число протонов уменьшается на единицу, а число нейтронов увеличивается на единицу и образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. Символически оба процесса Б.-р. записываются в следующем виде:

где X-символ ядра, состоящего из Z-протонов,Az—нейтронов.

Простейшим примером р~-распада является превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (период полураспада нейтрона ≈13 мин):

Б.-р. наблюдается как у естественно-радиоактивных, так и у искусственно-радиоактивных изотопов. Для того, чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов Р-превращения (т. е. могло испытать Б.-р.), сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при Б.-р. происходит выделение энергии. Энергию Б.-р. Ер можно вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е==МС2, где С — скорость света в вакууме. В случае β-распада