Явление радиоактивного распада

Радиоактивность - это всякий стабилизированный процесс спонтанного распада нестабильных ядер с превращением их в другие ядра и частицы: , где - материнское ядро - дочернее ядро; а_n - прочее частицы, в т.ч. и атомные ядра.

Нестабильные ядра могут образовываться разными способами:

§ в природе в процессе первичного синтеза химических элементов солнечной системы;

§ в природе в цепи превращений, которые претерпевают первичные радиоактивные ядра;

§ в природе в результате действия космических лучей и первичного радиоактивного излучения на стабильные ядра;

§ в лаборатории при бомбардировке стабильных ядер ускоренными частицами или другими ядрами.

Времена жизни различных нестабильных ядер лежат в очень широком интервале: они варьируют от времен космологического масштаба до характерных ядерных времен (10¹⁷лет - 10^-15с). Самыми удивительными в радиоактивности являются не малые, а колоссальные в масштабах микромира времена жизни многих нестабильных ядер. Казалось бы, если между нуклонами действуют ядерные силы, то все процессы, в том числе и распадные, должны развиваться за времена, равные примерно 10^-22с. Однако, даже в таком ядре как со сверхмалым временем жизни 10^-7с за период его существования нуклоны успевают совершить 1015 оборотов, прежде чем ядро испустит a-частицу.

Радиоактивным распадом называется процесс спонтанного превращения атомных ядер в ядра других химических элементов с выделением энергии в виде излучения, или же это спонтанные превращения ядер, при которых происходит переход из возбужденного состояния в состояние с меньшей Е (при этом испускаются частицы). В зависимости от сорта частиц, различают a, b-распады, спонтанное деление и др. Процесс распада вероятностный, т.е. подчиняется законам математической статистики.

Основной закон радиоактивного распада гласит, что количество распадов в единицу времени постоянно: dN = -lNdt, или после интегрирования:

Nt= N₀e ^-lt , где: N₀ - исходное количество ядер; Nt - количество нераспавшихся за время t ядер, е = 2.72 - основание натурального логарифма; l - постоянная распада.

Постоянная радиоактивного распада l - характерна строго для определенных изотопов и показывает, какая доля ядер распадается в единицу времени, отсюда ее разность е^-1, т.е. количество ядер не возрастает, а убывает.

Наиболее употребляемой характеристикой радиоактивного распада является период полураспада - время, в течение которого распадается половина исходного количества ядер.

Рис. 1. Кривая радиоактивного распада.

Период полураспада (Т_1/2) имеет размерность времени (от долей секунды, до миллиардов лет). Соответственно, изотопы по величине периода полураспада подразделяются на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (годы).

Если в основное уравнение радиоактивного распада подставить параметры периода полураспада: t = T_1/2; Nt = N₀/2, то получим уравнение ® lТ_1\2 = 0,693, откуда ; ; а уравнение радиоактивного распада имеет вид:

С увеличением числа периодов полураспада количество нераспавшихся атомов асимптотически приближается к нулю. Особенность радиоактивного распада заключается в том, что ядра одного и того же элемента распределяются не все сразу, а постепенно в различное время. Момент распада каждого ядра не может быть указан заранее, отсюда вероятностный характер процесса распада. Распад ядер происходит неравномерно: то большими, то меньшими порциями.

Количество радиоактивного вещества обычно измеряют не единицами массы (г, мг, т), а активностью данного вещества. Активность - это количество ядерных превращений в единицу времени. Чем больше этих превращений в единицу времени, тем активнее препарат. В ряду радиоактивных изотопов с разными Т_1/2 наиболее активными являются короткоживущие, т.к. из закона радиоактивного распада следует, что активность радионуклида пропорциональна количеству вещества. Единицей измерения активности является беккерель (Бк, Bq); 1Бк = 1расп./с. Внесистемная единица - кюри (Ки, Кu); 1 Кu = 3,7∙10¹⁰ расп./с. Единица кюри соответствует активности 1 г радия. 1 Кu - это очень большая радиоактивность, поэтому обычно используют дроби:

10^-3 мКu - милликюри

10^-6 мкКu - микрокюри

10^-9 нKu - нанокюри

10^-12 пKu - пикокюри

В 1946 г. Е.Кондон и Л.Куртис преложили новую единицу активности - резерфорд (Rd = 10⁶ расп./с). Эта единица не была признана международной и в литературе встречается редко.

Радиоактивные вещества характеризуются также удельной активностью - количеством активности на единицу массы или объема. Единицы удельной активности: Бк/кг; Бк/л, Кu/кг, Ku/л или любые их производные.