Превращение элементов при радиоактивном распаде

При радиоактивном распаде изменяются и зарядовое число Z, и массовое число А ядра (рис. 1.8). В настоящее время видами радиоактивного распада считают a-распад с испусканием
a-частиц или ядер гелия ; бета-минус-распад с испусканием электрона  (b^–-частицы) и еще одной частицы – антинейтрино ; бета-плюс-распад с испусканием позитрона[3]  (b⁺-частицы) и нейтрино ; электронный захват или ЭЗ, когда ядро захватывает электрон собственной электронной оболочки атома и испускает нейтрино ; и последний вид распада – спонтанное деление. Большинство видов распада сопровождается электромагнитным фотонным излучением, которое называется гамма-излучением (g-кванты).

Еще одним видом ядерного превращения является изомерный переход (ИП) ядра из метастабильного энергетического состояния в нормальное. При изомерном переходе энергия возбуждения ядерного изомера излучается в виде g-кванта.

Если изобразить преобразование ядер при различных видах распада в координатах (Z, N) таблицы нуклидов, то получим схему ядерных превращений, представленную на рис. 1.8. Ядерное превращение приводит к «перемещению» ядра из одной клетки, удаленной от области стабильности, в сторону клетки, расположенной ближе к этой области. При этом нейтронно-дефицитные ядра претерпевают b⁺-распад или ЭЗ. В ряде случаев такие ядра могут претерпевать и a-распад. Нейтронно-избыточные ядра, как правило, претерпевают b^–-распад. Иллюстрацией этой закономерности служат данные о типах распада изотопов цезия, приведенные в табл. 1.4. Очень часто ядра, находящиеся рядом с областью стабильности (¹³²Cs и ¹³⁴Cs в табл. 1.4), могут претерпевать различные превращения (b⁺, ЭЗ и b^–).

Рис. 1.8. Преобразование ядра при различных видах распада

Цепочки радиоактивных распадов могут быть элементарными, простыми и сложными. Элементарные цепочки содержат только материнский радионуклид и один стабильный дочерний. В простых цепочках распад материнского радионуклида приводит к образованию одного дочернего радионуклида и т.д.; при этом распад каждого члена такого радиоактивного семейства всегда приводит к возникновению только одного дочернего нуклида. Сложные цепочки распадов представляют собой ветвящиеся структуры. Они возникают, когда в результате распада отдельных радионуклидов в цепи могут образовываться два или три различных нуклида. На рис. 1.9 показаны примеры таких цепочек       распада.

Рис. 1.9. Примеры цепочек распада радионуклидов

(в квадратных скобках стабильный нуклид)

Цепочка распадов тянется до тех пор, пока в результате ядерных превращения не возникнет стабильный нуклид. При распаде тяжелых элементов, находящихся далеко от области стабильности, возникают цепочки распадов (радиоактивные семейства) с большим числом радионуклидов. Например, сложная цепочка распадов, порожденная ядерным превращением радиоактивного природного изотопа урана, ²³⁸U, заканчивается образованием стабильного ²⁰⁶Pb и содержит 18 радиоактивных потомков.

Гамма-излучение ядер

Радиоактивный распад часто сопровождается g-излучением. Гамма-излучение – это электромагнитное излучение, подобное радиоволнам, световому и тепловому излучениям. Все эти излучения различаются длиной волны. Уменьшение длины волны качественно изменяет характер их распространения в пространстве. Чем короче длина волны, тем больше проявляются корпускулярные свойства, и электромагнитное излучение превращается в поток фотонов. Гамма-кванты имеют энергию от ~1 кэВ до десятков МэВ. Термин «фотон» может применяться для обозначения квантов любого электромагнитного излучения – от теплового (инфракрасного) до ядерного, а термин «гамма-квант» имеет более узкое значение – так называют фотоны, возникающие вследствие ядерных превращений.

Система, состоящая из микрочастиц (атом и атомное ядро), обладает внутренней энергией. При этом она может находиться только в состояниях с дискретными, вполне определенными значениями энергии. Такие значения энергии называются энергетическими уровнями и обозначаются как показано на рис. 1.10. В состояниях, лежащих между энергетическими уровнями, данная система находиться не может. Самый нижний уровень называется основным, ему приписывается значение внутренней энергии, равное нулю, а остальные уровни энергии называются возбужденными и обозначаются в порядке возрастания соответствующими номерами. Обычно ядра находятся в основном состоянии, но если по какой-то причине ядро оказалось в одном из возбужденных состояний, то после некоторого времени пребывания в нем оно может перейти на один из более низко лежащих уровней, как показано на рис. 1.10 стрелками. При таком переходе испускается g-квант, который имеет энергию, равную разности энергий соответствующих уровней возбуждения.

Рис. 1.10. Пример изображения структуры возбужденных
состояний ядра и разрешенных переходов между ними

Расположение уровней и их параметры сугубо индивидуальны для каждого нуклида. Обычно времена жизни ядер в возбужденном состоянии очень малы, порядка 10^-10 – 10^-12 с и менее, однако бывают и долгоживущие возбужденные состояния с        временем жизни на много порядков больше обычного. Такие долгоживущие состояния называются метастабильными, и соответствующие ядра называют ядерными изомерами, о чем уже упоминалось ранее.

При радиоактивном распаде дочернее ядро может оказаться в возбужденном или метастабильном состоянии. В таком случае помимо заряженной частицы испускается один или несколько
g-квантов с характерными интенсивностями и энергиями. Подобный набор называется g-спектром и для многих радионуклидов может служить «паспортом», по которому можно идентифицировать радионуклид и определить его активность.