Виды радиоактивного распада

До сих пор мы не говорили о правилах, которым подчиняется процесс радиоактивного распада и об излучении, которое испускается при этом. В этом излучении, между тем, и кроется главный интерес, который заставляет нас пристально следить за всем, что связано с атомной энергетикой и атомным оружием.

Радиоактивное излучение не воспринимается обычными органами чувств человека. По своей природе его можно разделить на три основных вида, которые исторически получили названия α, β и γ - лучей. Эти лучи представляют собой либо поток частиц (α и β – излучение), либо поток электромагнитных волн (γ – лучи). В дальнейшем было установлено, что радиоактивный распад сопровождается испусканием самых разных элементарных частиц (протонов, нейтронов, нейтрино, позитронов и т.д.) и электромагнитных волн всех видов (радио волны, свет, рентгеновское излучение).

В зависимости от вида радиоактивного излучения, которое сопровождает процесс распада, по современным представлениям различают пять основных типов радиоактивности:

1. α – распад, когда наряду с дочерним ядром возникает поток α – частиц, которые представляют собой ядра изотопа ;

2. β – распад, который сопровождается излучением либо потока электронов – е^-, либо потока позитронов – е⁺, либо представляет собой захват ядром одного из электронов внутренних электронных оболочек атома. Это, в конечном итоге, приводит к превращению одного из протонов в нейтрон и испусканию атомом рентгеновского излучения;

3. спонтанное деление – самопроизвольный распад ядра на две примерно равные части;

4. однопротонный распад – сопровождается излучением одного протона на каждый акт распада;

5. двухпротонный распад – когда каждый распад приводит к излучению ядром двух протонов.

Все виды превращений ядер одного химического элемента в ядра другого протекают в соответствии всего с тремя правилами:

1. Закон сохранения электрического заряда – суммарный заряд продуктов распада равен заряду распадающегося ядра.

2. Закон сохранения числа нуклонов – сумма нуклонов в продуктах распада равна числу нуклонов в распадающемся ядре.

3. Закон сохранения полной энергии – полная энергия продуктов распада равна полной энергии распадающегося ядра.

Если подсчитать суммарную массу покоя дочернего ядра и испущенных при радиоактивном распаде частиц, то она всегда оказывается меньше массы покоя материнского ядра, т.е. возникает так называемый дефект масс. Как известно, любым изменениям массы системы тел соответствуют эквивалентные изменения энергии этой системы, в соответствии с формулой Эйнштейна: ΔЕ = mc². В нашем случае это означает, что дочернее ядро и испущенные частицы приобретают при распаде некоторый запас кинетической энергии, пропорциональный дефекту масс.

Обычно, все типы радиоактивности сопровождаются испусканием γ – лучей, которое представляет собой поток квантов жесткого электромагнитного излучения с длиной волны от 10^-10 м до 10^-13 м. Это связано с тем, что возникшее в результате радиоактивного распада дочернее ядро, согласно законам квантовой механики, может находиться в нескольких различных состояниях. В каждом из них оно обладает определенной энергией. Состояние с наименьшей возможной энергией является наиболее устойчивым и называется основным. Остальные состояния являются возбужденными. В возбуждённом состоянии ядро может находиться, примерно, 10^-8 – 10^-12 с. Затем происходит переход в основное состояние. Этот переход может быть реализован через ряд промежуточных состояний. При этом разница энергий ядра в разных состояниях испускается в виде γ – квантов.

Три последних типа распада (спонтанное деление, одно- и двух- протонная радиоактивность) довольно редкое явление в природе, и их мы рассматривать не будем. Остановимся более подробно на α и β распаде.

α – распад протекает по следующей схеме:

,

где X – химический символ материнского, распадающегося ядра, Y – символ дочернего ядра.

В соответствии с этой схемой, вновь образовавшийся элемент сдвинут в периодической таблице Менделеева на два номера влево, а его атомная масса меньше на четыре единицы. α - распад испытывают почти все тяжелые ядра с Z > 83 и всего несколько изотопов с Z < 83, причем периоды их полураспада очень велики (неодим , Т = 5·10¹⁵ лет; платина , Т = 10¹² лет)

Энергия α-частиц, возникающих при распаде ядер разных химических элементов, лежит обычно в пределах от 4 до 8 МэВ (максимум 10,5 МэВ, минимум 1,8 МэВ). Это соответствует скорости вылета α - частиц из ядра от 1,2·10⁷ до 2,0·10⁷ м/с. Однако, энергия α - частиц, испускаемых ядрами одного и того же изотопа, имеет всего несколько строго определенных значений. Иначе говоря, α-излучение имеет дискретный энергетический спектр. Чтобы понять это, вспомним, что дочернее ядро может возникать в разных энергетических состояниях. Если дочернее ядро рождается сразу в основном состоянии,

то α- частица при этом испускается с наибольшей возможной энергией. Если же дочернее ядро возникает в одном из возбужденных состояний, то энергия α-частицы оказывается меньше на величину энергии γ - кванта, который будет испущен дочерним ядром спустя некоторое время при его переходе в основное состояние. Cказанное поясняет энергетическая схемы распада (рис.4):

.

Рассматривая явление радиоактивного распада, мы негласно полагали, что материнское ядро всегда находится в основном состоянии. Однако это не так. Оно тоже как и дочернее, может иметь несколько энергетических состояний. По этой причине спектр α – излучения состоит из нескольких групп линий с близкими значениями энергий.

Бета-распад заключается во внутриядерном взаимном превращении нейтрона и протона. Все β-распадчики – это нуклиды с нарушенным отношением числа протонов и нейтронов (N/Z) в ядре.

Если в ядре имеется излишек нейтронов, то ядро испытывает электронный распад, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон, испуская при этом электрон и антинейтрино:

.

схема атомных превращений имеет вид:

.

В качестве примера рассмотрим распады:

, , .

Как видно, при таком превращении вторичный элемент сдвигается в периодической таблице на один номер вправо, а значения массового числа остается без изменения.

Если неблагоприятное соотношение N и Z в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный распад. В этом случае один из протонов превращается в нейтрон, при этом из ядра выбрасывается позитрон (частица с массой равной массе электрона и таким же, но положительным зарядом) и нейтрино:

Изотопное превращение реализуется по схеме:

В природе такой распад испытывают изотопы азота и натрия:

, .

При позитронном распаде дочернее ядро сдвигается в таблице Менделеева на один номер влево. Общее число нуклонов при этом не меняется.

Третий вид β-распада заключается в том, что ядро поглощает один из электронов своего атома. Чаще всего это происходит с электронами К-слоя, реже захватываются электроны из L или М слоев. В результате один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:

.

Этот вид β-распада получил название е-захвата (К-захвата). Его схема выглядит следующим образом:

.

Примером может служить распад бериллия:

.

Отметим, что е-захват всегда сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения, т.к. на освободившееся место переходят электроны с более высоких энергетических уровней.

В результате Е-захвата так же, как и при β⁺-распаде, массовое число ядра не меняется, а порядковый номер уменьшается на единицу.

В отличии от α-радиоактивности энергетический спектр электронов и позитронов не является дискретным, хотя ядро, как и прежде, может находиться только в некоторых определенных энергетических состояниях. Это связано с тем, что энергия распада распределяется между электроном и антинейтрино или между позитроном и нейтрино совершенно произвольным образом. В частности, если нейтрино не получит ничего, то энергия электрона или позитрона будет максимальной и наоборот.

График распределение β-частиц по энергиям представлен на рис.5: Значения кинетических энергий β-частиц лежат в пределах от 0 до 1-2 МэВ. Это соответствует максимальной скорости выброса частиц из ядра в 1,6·10⁸ м/c.

Отметим, что всего известно около 1000 изотопов β-распадчиков. Из них только 20 являются естественными. Подавляющее большинство этих изотопов испытывает β^--распад.

И в заключение, дадим краткую характеристику электромагнит-ному излучению, сопровождающему радиоактивный распад. Прежде всего отметим, что при радиоактивном распаде образуется весь интервал электромагнитных волн от 0 до ∞. Мы рассмотрим только γ-излучение и рентгеновские лучи, т.к. только они способны вызвать ионизацию атомов вещества, с которым взаимодействуют.

γ-излучение: сопутствует большинству радиоактивных превращений, интервал длин волн λ = 10^-5 ÷ 10^-1 нм; v = 3·10¹⁸ ÷ 3·10²² Гц; ε_γ = 0,01 ÷ 100 МэВ. При радиоактивном распаде испускаются как правило γ – кванты с энергией от 0,2 до 3 МэВ.

Рентгеновское излучение: λ = 10^-4 м ÷ 80 нм; v = 3,8·10¹⁵ ÷ 3·10²¹ Гц; ε = 12 эВ ÷ 10 МэВ. В большинстве случаев испускаются рентгеновские кванты с энергией от 20эВ до 1 МэВ.