2020-04-20
322
Все ядра можно подразделить на стабильные или устойчивые, которые могут существовать триллионы лет и более без всяких изменений, и нестабильные или неустойчивые, которые с течением времени превращаются в другие ядра с испусканием какой-либо частицы. В настоящее время известно 256 стабильных изотопов всех химических элементов и более 2000 искусственно полученных нестабильных изотопов. Изотоп с данными Z и N называют нуклидом, а если изотоп нестабильный, то радионуклидом. Например, свинец имеет четыре стабильных нуклида (табл. 1.2) и двадцать радионуклидов. Некоторые элементы имеют только по одному стабильному изотопу, например, бериллий, натрий, алюминий, марганец, йод и некоторые другие, а такие элементы как кадмий, теллур – по восемь, олово – десять.
Если все известные нуклиды поместить в одну таблицу, в каждой клеточке которой разместить по одному нуклиду таким образом, чтобы номер соответствующего столбца был равен нейтронному числу N, а номер строки – протонному числу Z, мы получим таблицу нуклидов. Начальный участок такой таблицы представлен на рис. 1.4. Все стабильные нуклиды располагаются в такой таблице вдоль сравнительно узкой полосы, именуемой дорожкой стабильности, как показано на рис. 1.5.
|
|
|
В табл. 1.4 приведена одна строка таблицы нуклидов, принадлежащая цезию. Цезий имеет один стабильный изотоп 
. В таблице представлены[2] восемь изотопов, обедненных нейтронами, и семь, обогащенных нейтронами по сравнению со стабильным изотопом.
Рис. 1.4. Начальный участок таблицы нуклидов
Рис. 1.5. Протонно-нейтронное отношение в ядрах
В оболочках легких нуклидов в стабильных ядрах число протонов и число нейтронов почти одинаково, т.е. Z» N. Начиная с А> 40, как правило, N > Z. Необходимо подчеркнуть, что все ядра с Z > 83 (после висмута) нестабильны, кроме того ядра с Z = 43 (технеций) и Z = 61 (прометий) также не имеют ни одного стабильного изотопа. При А= 209 (
) дорожка стабильности заканчивается, что на рис. 1.5 обозначено как область с долгоживущими нуклидами.
Таблица 1.4
Стабильный и радиоактивные изотопы цезия
| Изотоп | Протоны | Нейтроны | Т 1/2 | Тип распада |
| 55 | 70 | 45 мин | ЭЗ, b+ |
| 55 | 71 | 1.64 мин | ЭЗ, b+ |
| 55 | 72 | 6.25 ч | ЭЗ, b+ |
| 55 | 73 | 3.9 мин | ЭЗ, b+ |
| 55 | 74 | 32.06 ч | ЭЗ, b+ |
| 55 | 75 | 29.9 мин | ЭЗ, b+ |
| 55 | 76 | 9.69 сут | ЭЗ |
| 55 | 77 | 6.475 сут | ЭЗ, b+, b– |
| 55 | 78 | Стабильный | Нет |
| 55 | 79 | 2.90 ч | ИП |
| 55 | 79 | 2.062 лет | ЭЗ, b– |
| 55 | 80 | 53 мин | ИП |
| 55 | 80 | 2.36 г | b– |
| 55 | 81 | 13.1 сут | b– |
| 55 | 82 | 30.0 лет | b– |
| 55 | 83 | 32.2 мин | b– |
1.1.3.Радиоактивный распад и его закономерности
Радиоактивный источник не может существовать вечно. Число ядер радионуклидов в нем постоянно уменьшается за счет их спонтанного превращения. Явление спонтанных превращений нестабильных ядер с испусканием частиц называется радиоактивным распадом. Слово «спонтанный» означает, что распад каждого ядра происходит абсолютно непредсказуемо – он может произойти и через мгновение, и через миллионы лет.
|
|
|
Радионуклид, претерпевающий спонтанное превращение, именуют «материнским», а новый нуклид, возникающий в результате такого превращения, – «дочерним». Если дочерний радионуклид не является стабильным, то в результате его превращения возникает нуклид следующего поколения («внучатый») и т.д. Цепочка радионуклидов, связанных «родственными» узами, называют радиоактивным «семейством».
В результате радиоактивного распада число ядер материнского радионуклида постоянно уменьшается, а число ядер дочернего радионуклида (если он стабилен) увеличивается. Это превращение подчинено закону сохранения числа ядер, который можно сформулировать следующим образом: «суммарное число ядер – членов радиоактивного семейства является постоянной величиной». Этот закон иллюстрирует рис. 1.6.
Рис. 1.6. Сохранение числа ядер в радиоактивном семействе
Обычно в образцах и пробах, приготовленных для измерений, в специальных источниках для градуировки приборов ядер радиоактивного нуклида очень много, поэтому можно полагать, что в любой, даже очень маленький интервал времени в источнике будут происходить распады, и уменьшение числа ядер в источнике будет происходить постепенно и непрерывно. Промежуток времени, в течение которого распадаются 50% ядер материнского радионуклида, называют периодом полураспада и обозначают как Т 1/2. Ядра радионуклида претерпевают превращения независимо друг от друга. Если начать наблюдение за радиоактивным источником в момент времени t 0, то в момент времени t 0+ Т 1/2 в источнике останется 1/2 от числа ядер материнского радионуклида, зарегистрированных в начале наблюдения. В момент времени t 0+ Т 1/2+ Т 1/2 в источнике останется тоже 1/2, но уже от числа ядер, зарегистрированных в момент t 0+ Т 1/2, или 1/2×(1/2) = 1/4 от числа ядер материнского радионуклида, зарегистрированных в начале наблюдения и т.д. Этот закон радиоактивного распада иллюстрирует рис. 1.7.
Рис. 1.7. Изменение количества радиоактивных ядер
нуклида в источнике
Количественной характеристикой радиоактивности вещества, содержащего радионуклиды (или радиоактивного источника), является величина активности А, которая определяется как среднее число спонтанных превращений ядер в объекте, которое происходит в течение единицы времени:
 ,
| (1.1) |
где 
– среднее число спонтанных преобразований ядер из данного энергетического состояния за промежуток времени 
. Единица активности носит специальное наименование беккерель(Бк). 1 Бк соответствует одному спонтанному преобразованию ядра в источнике в секунду. Ранее в качестве единицы активности использовали активность 1 грамма природного радионуклида 226Ra. Эта единица получила название кюри (Kи): 1 Kи=3.7×1010 Бк. В настоящее время использовать эту единицу активности не рекомендуется.
Активность радионуклидного источника отражает скорость происходящих в нем ядерных превращений в данный момент времени. Ее величина пропорциональна числу радиоактивных ядер N (t), находящихся в источнике в момент времени t:
 ,
| (1.2) |
где l – коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада и имеющий размерность с-1.
Постоянная распада равна вероятности распада ядра в течение одной секунды и связана с периодом полураспада T 1/2 соотношением
 .
| (1.3) |
Учитывая (1.1) – (1.3), закон радиоактивного распада, определяющий N (t) как функцию времени, можно записать в виде простой формулы
|
|
|
 ,
| (1.4) |
где N 0 – начальное число радиоактивных ядер в источнике.
В справочной литературе по радиоактивным нуклидам традиционно приводится период полураспада, а не l, причем период полураспада приводится в с, мин, ч, сут, годах, поэтому в (1.3) необходимо перевести T 1/2 в секунды. Периоды полураспада радионуклидов могут различаться на много порядков величины, например, T 1/2(238U) = 4.5×109 лет, T 1/2(212Po) = 3×10-7 с.
В практике радиационной защиты широко используются производные количественные характеристики радиоактивного материала, содержащего активность A. Если активность равномерно распределена по объему материала V, то его радиоактивность характеризуют объемной активностью
 .
| (1.5) |
Если активность равномерно распределена по массе материала m, то его радиоактивность характеризуют удельной (массовой)
активностью
 .
| (1.6) |
Если активность распределена только по поверхности материала S, то его характеризуют величиной поверхностной активности
 .
| (1.7) |
Ядерные превращения
