Закон радиоактивного распада

Радиационная биофизика

Введение

Ионизирующие излучения подразделяются по своей природе на корпускулярные (ионизирующие частицы имеют массу покоя отличную от нуля) и электромагнитные. Электромагнитные излучения – это гамма-излучение и рентгеновское излучение. Все остальные виды ионизирующих излучений имеют корпускулярную природу – α-частицы, β-частицы, нейтроны, нейтрино, антинейтрино, осколки деления ядер.

 

Рисунок 1. Процесс ионизации атома гамма-квантами и бета-частицами.

Электромагнитное ионизирующее излучение

Рентгеновское излучение – электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, в пределах длин волн от 10^-12 до 10^{-5 см. Рентгеновские лучи с длиной волны менее 0,2 нм условно называются жёсткими, более 0,2 нм – мягкими рентгеновскими лучами.}

В зависимости от механизма возникновения рентгеновское излучение делят на тормозное и характеристическое. Тормозное рентгеновское излучение имеет непрерывный энергетический спектр и возникает при уменьшении кинетической энергии (торможении, рассеянии) быстрых заряженных частиц – например, при торможении ускоренных электронов в кулоновском поле.

Характеристическое рентгеновское излучение имеет дискретный энергетический спектр и возникает при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул.

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,01 нм. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высокоэнергетичных частиц. Возникает при распаде радиоактивных ядер (гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное), взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар.

 

Рисунок 2. Возникновение гамма-излучения при переходе ядра из возбужденного энергетического состояния в основное

 

Корпускулярное ионизирующее излучение

 

α-частицы представляют собой положительно заряженные ядра атомов гелия , которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. α-частицы испускаются при радиоактивном распаде изотопов тяжелых элементов (Z>82). Альфа-частицы имеют положительный заряд, скорость распространения до 20 000 км/c, обладают большой массой – 4.003 а.е.м., большой энергией – 2-11 МэВ, проникающая способность в воздухе 2-10 см, в биологических тканях – несколько десятком микрометров. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100-250 тыс. пар ионов, при попадании в организм они крайне опасны для человека и животных (плотноионизирующее радиоактивное излучение).

Рисунок 3. Схема альфа-распада

 

β–частицы представляют собой электроны (отрицательный заряд) и позитроны (положительный заряд), испускаемые ядрами атомов при бета–распаде. Бета-частицы имеют массу 0,000548 а.е.м., распространяются со скоростью света, проникающая способность в воздухе до 25 метров, а в биологических тканях до 1 см, в воздухе на 1 см пробега образует 50-100 пар ионов (редкоионизирующее излучение).

Рисунок 4. Схема электронного бета-распада

 

Рисунок 5. Схема позитронного бета-распада

 

Нейтроны не несут заряда (электронейтральны), проникающая способность в воздухе и в биологических тканях очень большая, они являются плотноионизирующими, атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми, распадаются с испусканием протонов, альфа-частиц, фотонов гамма-излучения, осколков ядра. Сам по себе нейтрон также неустойчив – он испытывает бета-распад, при этом время жизни его в свободном состоянии (вне атомного ядра) составляет около 880 с.

 

Радиоактивность. Единицы измерения радиоактивности

Радиоактивность – это свойство ядер определенных элементов самопроизвольно (без внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением.

Активность (А) – мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида. Единицей активности в СИ служит распад в секунду (расп/с). Этой единице присвоено наименование Беккрель – Бк (Вq), 1 Бк = 1 расп/с (с^-1). Внесистемной единицей служит Ки. 1 Kи [Кюри] = 3.7 ∙ 10¹⁰ Бк.

А = – dN/dt = λN,

где N – число распавшихся ядер за время t, λ – постоянная (вероятность) радиоактивного распада с^-1;

Закон радиоактивного распада

Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля имеющихся в наличии ядер. Математически закон радиоактивного распада выражается уравнением:

N(t) = N₀ e^-lt , А(t) = А₀ e^-lt

T_1/2=0,693/ λ

 

где N_t – количество радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени t;

N₀ – исходное количество радиоактивных ядер в момент времени t = 0 (N₀ > N_t);

A_t – активность радионуклида по прошествии времени t;

А₀ – активность радионуклида в момент времени t = 0;

 

е – основание натуральных логарифмов (е = 2,72);

λ – постоянная радиоактивного распада, с^-1;

t – промежуток времени, равный t- t₀, с