Виды радиоактивного распада

 

Из вышесказанного видно, что существуют различные виды радиоактивного распада нестабильных ядер.

Сначала назовем их:

- альфа-распад;

- бета-распад;

- гамма-распад;

- спонтанное деление ядра.

Рассмотрим основные характерные особенности всех этих видов распада радионуклидов.

Альфа-распад – это радиоактивный распад неустойчивого ядра с испусканием α-частицы, представляющей собой ядро атома гелия . Масса α-частицы m _α = 4,0026 а.е.м., а заряд ее положительный и составляет по величине два единичных элементарных заряда, т.е. 2 e.

С α-излучением впервые столкнулись при изучении радиоактивности тяжелых природных изотопов. В настоящее время известны около 40 естественных и 100 искусственных α-активных нуклидов.

Для естественных α-излучателей характерны большие массовые числа - более 200, они расположены в конце таблицы Д.И. Менделеева. Например, распад наиболее распространенного природного изотопа урана происходит следующим образом:

 

 →  +  + 4,2 МэВ.

 

Альфа-распад энергетически выгоден для нейтронодефицитных ядер, имеющих избыток протонов. При α-распаде тяжелых ядер выделение энергии обычно составляет несколько МэВ, а скорость излучаемой α-частицы – порядка 10 тыс. км/с.

При прохождении через вещество α-частицы испытывают главным образом электростатическое взаимодействие с электронами в атомах. Оно заканчивается образованием атомов гелия путем присоединения двух электронов к α-частице. Проникающая способность α-излучения весьма невелика – даже в воздухе она не превышает нескольких сантиметров.

Бета-распад  радиоактивного нуклида  сопровождается испусканием β-частицы, т.е. электрона (это β^--частица) или позитрона (β⁺-частица). Ранее в качестве β-частицы мы называли только электрон, но у него, как и «положено», есть античастица (антипод) – позитрон. Он имеет единичный положительный заряд и такую же массу, как электрон, обозначается  и тоже является β-частицей. При столкновении электрона с позитроном происходит их аннигиляция (исчезновение), а энергия такого процесса выделяется в виде фотонов, т.е. квантов электромагнитного поля, представляющих собой единичные порции передаваемой этим полем энергии.

Предпосылки для возможности β-распада по существу такие же, как в случае α-распада. Дело в том, что для конкретного количества нуклонов в ядре существует только одно соотношение числа нейтронов и числа протонов, при котором ядро имеет наименьшую массу и, следовательно, наиболее устойчиво.

Если нейтронов больше, чем в этой единственной (оптимальной) комбинации, то за счет испускания электрона происходит превращение нейтрона в протон (β^--распад):

 

 →  + β^- + ,

 

а при избытке протонов имеет место противоположный процесс, с испусканием позитрона (β⁺-распад):

 

 →  + β⁺ + .

 

Здесь  и - нейтрино и антинейтрино, представляющие собой электрически нейтральные частицы с нулевой массой покоя, практически не взаимодействующие с веществом и, стало быть, совершенно безопасные для живых организмов. Испускание при бета–распаде нейтрино или антинейтрино обусловлено необходимостью сброса ядром излишней энергии, поскольку β-частица может выполнить эту задачу лишь частично из-за своей очень малой массы.

Вся  энергия   бета-распада   превращается  в  кинетическую  энергию β-частиц и вылетающих вместе с ними нейтрино или антинейтрино. Скорость покидающих ядро электронов и позитронов очень велика и при высоких энергиях  может  быть  даже  сопоставима  со  скоростью  света  в  вакууме    c = 2,9979∙10⁸ м/с.

Распределение выделяющейся при бета-распаде энергии между β-частицей и нейтрино (антинейтрино) приводит к тому, что испускаемые электроны или позитроны могут обладать различной энергией. Этим бета-распад отличается от альфа-распада, при котором вся энергия уносится испускаемой α-частицей.

Бета-распад можно рассматривать как механизм взаимопревращения нуклонов в нестабильном ядре. Это внутринуклонный процесс, в то время как альфа-распад является внутриядерным процессом, поскольку связан с действием ядерных сил.

Заметим, что в свободном состоянии масса нейтрона больше массы протона, что делает возможным только самопроизвольное превращение нейтрона в протон, но не наоборот. А вот в ядре, где нуклоны находятся в связанном состоянии, могут происходить оба процесса (p → n  и  n → p), ибо энергетический эквивалент разности масс нейтрона и протона равен примерно  1,3  МэВ,  а  удельная  энергия  связи  в  ядре  составляет обычно 7-8 МэВ на один нуклон.

В качестве примера бета-распада можно привести радиоактивный распад урана-239, образующегося в тепловом реакторе при поглощении ураном-238 медленного нейтрона:

 

 →  +  + Q.

 

Выход нейтрино или антинейтрино при записи таких превращений можно не указывать, так как эти частицы не имеют ни заряда, ни массы покоя, а энергетический эффект распада учитывается величиной Q.  

К бета-распаду относят и так называемый K -захват, представляющий собой захват ядром электрона с внутренней, ближайшей к ядру электронной оболочки атома - K -оболочки. Такой электронный захват является разновидностью  β⁺-распада.

При бета-распаде заряд ядра изменяется на единицу, а массовое число остается неизменным. Это означает, что происходит превращение одних изобаров в другие.

Испускаемая при распаде β-частица при прохождении через вещество тормозится главным образом в результате электростатического взаимодействия с электрическими полями атомов или ядер, а энергия уносится фотонами, излучаемыми при этом торможении.

Возможно также взаимодействие β-частиц с веществом путем ионизации атомов. Например, позитрон способен аннигилировать вместе с электроном, оторванным им от внешней оболочки атома. Это одновременное исчезновение двух частиц сопровождается γ-излучением, уносящим энергию, эквивалентную  сумме  масс  покоя  позитрона  и  электрона,   т.е.  примерно 1 МэВ.

Из сравнения альфа- и бета-распада следует, что β-частицы имеют более высокую проникающую способность по сравнению с α-частицами. Электроны с высокой энергией способны преодолеть в воздухе десятки метров, а в воде – несколько сантиметров.      

Гамма-распад является механизмом перехода ядра из одного энергетического состояния в другое (менее возбужденное) в тех случаях, когда избыточной энергии ядра недостаточно для испускания им какой-либо частицы, имеющей ненулевую массу покоя. В этих случаях гамма-излучение становится единственно возможным способом снятия возбуждения ядра.

В процессе гамма-распада ядро не изменяет свой состав, но излучает поток γ-квантов, представляющих собой фотоны с высокой энергией. Следовательно, гамма-излучение является жестким (т.е. высокоэнергичным) электромагнитным излучением, возникающим при ядерных превращениях.

Известно, что различные виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и отличаются только длиной волны. Чем меньше длина волны, тем больше частота и энергия излучения.  

Назовем некоторые виды электромагнитного излучения:

- радиоволны (длина волны от ~10 см до нескольких миллионов см; в этот диапазон не входят ультравысокочастотные радиоволны);

- тепловое излучение от батарей отопления (~10 ^{- 2} см);

- инфракрасное (10 ^{- 4}-10 ^{- 2} см);

- видимое световое (10 ^{- 5}-10 ^{- 4} см);

- ультрафиолетовое (10 ^{- 7}-2∙10 ^{- 5} см);

- рентгеновское (10 ^{- 9}-10 ^{- 7} см);  

- гамма-излучение (5∙10 ^{- 14}-10 ^{- 10} см).

Чем отличаются и в каких случаях возникают рентгеновское и гамма-излучение?

При переходах электронов, находящихся на электронных оболочках атомов, испускается рентгеновское излучение, а при ядерных превращениях - гамма-излучение. В первом из этих случаев фотоны называются рентгеновскими квантами, а во втором – гамма-квантами. Например, рентгеновское излучение возникает в процессе K -захвата, когда на место, освободившееся на внутренней электронной оболочке атома (после захвата оттуда электрона ядром), переходит электрон с более высокой оболочки.

Одним из случаев гамма-распада является испускание гамма-квантов в процессе перехода ядра из метастабильного в менее возбужденное энергетическое состояние, например:   

 

→  + γ.

 

Участвующие в этом превращении нуклиды являются ядерными изомерами.

При прохождении через вещество гамма-кванты теряют свою энергию и исчезают. Это происходит в результате различных процессов – фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электронно-позитронных пар. Ослабление интенсивности потока гамма-излучения в зависимости от пройденного в веществе расстояния подчиняется экспоненциальному закону. Одним из наиболее эффективных поглотителей γ-лучей является свинец. Достаточная толщина свинцовой защиты от жесткого гамма-излучения составляет несколько десятков сантиметров.

Спонтанное (самопроизвольное) деление ядер возможно при высоких массовых числах – около 240 и выше. В результате деления обычно образуются два более легких ядра химических элементов из средней части таблицы Д.И. Менделеева и вылетают, как правило, 2 или 3 нейтрона. Энергия этих нейтронов деления может быть различной, центр распределения в энергетическом спектре находится в районе 2 МэВ, что соответствует скорости частицы несколько тысяч км/с.

С точки зрения законов классической физики, спонтанного деления ядер быть не должно. Действительно, реакция деления тяжелого ядра энергетически выгодна, но для ее осуществления необходимо сначала внести в ядро энергию возбуждения, превышающую некоторое пороговое значение, т.е. нужно преодолеть определенный энергетический барьер (физики называют его потенциальным).

Так обстоит дело в том случае, если рассматривать вопрос с позиций классической механики. Однако в квантовой механике действуют свои законы, процессы в микромире носят вероятностный характер. Закономерности перехода ядра из одного энергетического состояния в другое, с одной стороны, и квантово-механическая природа частиц, участвующих в реакциях деления ядер, с другой стороны, таковы, что имеется некоторая вероятность преодолеть потенциальный барьер. Такой проход сквозь барьер называется туннельным эффектом.

Вероятность самопроизвольного деления невелика, например, для урана-238 Т _1/2 по этому способу распада составляет примерно 10¹⁶ лет. Вместе с тем, именно спонтанное деление ядер может выполнить роль «запала» для возникновения цепной реакции деления урана.    

Взаимодействие нейтронов с веществом будет подробно проанализировано в последующих разделах. Здесь же отметим только то, что нейтронное излучение, как и рассмотренные выше α-, β- и γ-излучение, может вызывать ионизацию вещества. Поэтому все эти виды излучения называются ионизирующими.

Все виды радиоактивного распада ядер приводят к испусканию тех или иных  частиц,  а  спонтанное  деление  ядер  -  еще  и  к  появлению  новых  ядер-осколков деления. Все эти частицы и осколки при взаимодействии с веществом передают ему свою энергию. Следовательно, радиоактивный распад ядер приводит к выделению тепловой энергии.