Основы радиационной безопасности, страница 2

Понятие радиоактивности. Способность ядер тяжелых металлов самопроизвольно распадаться было обнаружено А.Беккерелем в 1896 г. Позднее Э.Резерфорд и супруги П. и М. Кюри показали, что атомы некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радио­активные ряды, где каждый член ряда возникает из предыдуще­го, причем никакими внешними физическими воздействиями (температурой, электрическими и магнитными полями, давле­нием) нельзя повлиять на характеристики распада. Способ­ность некоторых ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов излучения элементарных частиц называют радиоактивностью, а ядра, способные само­произвольно распадаться, — радионуклидами. Количество ядер­ных превращений может быть различным, но последним эле­ментом, ядро которого не распадается, является свинец.

Радиоактивный распад можно описать при помощи уравнений равенства сумм зарядов и массовых чисел:

где М — массовое число.

Закон сохранения массы и заряда:

М₁=М₂+М₃; Z₁=Z₂+Z₃

Известно четыре типа радиоактивного распада: альфа-распад; бета-распад; спонтанное деление атомных ядер (при взаимодействии медленных нейтронов); протонная радио­активность.

Первопричиной радиоактивного распада является про­тивоборство внутри ядра в основном двух сил: электриче­ского отталкивания и ядерного стягивания. Носителями этих сил являются протоны. Нейтроны играют роль только стягивающих сил. Поэтому стабильность изотопа зависит от количества нейтронов в ядре. Наиболее стабильны изотопы легких элементов от гелия до меди (они содержат равное ко­личество протонов и нейтронов). В более тяжелых элемен­тах больше нейтронов. Однако самые тяжелые, начиная с № 82 и по № 92, также являются нестабильными, несмотря на избыток нейтронов. Например, U-238 содержит 92 про­тона и 146 нейтронов; распадается с периодом 4,5 млрд лет.

Альфа-распад характерен для тяжелых элементов:

следовательно, альфа-частицы — это ядра атомов гелия.

Бета-распад — это самопроизвольное испускание ядром позитронов или электронов. Электронный распад можно представить так:

где — электрон;  — антинейтрино, т. е. нейтрон превра­щается в протон.

Позитивный распад:

где  р⁺  — позитрон;   — нейтрино, т. е. протон превраща­ется в нейтрон.

Процессы альфа- и бета-распада могут происходить и на возбужденных уровнях ядра, образовавшихся в процессе распада. Избыток энергии испускается в виде одного или нескольких гамма-квантов, например:

Превращение ядра может быть такое, как и при пози-тронном распаде, если происходит захват орбитального элек­трона (К-захват):

Позитронный распад и K-захват являются конкурирую­щими процессами. Если возможен позитронный распад, то возможен и K-захват тоже. Самопроизвольный распад тяже­лых ядер возможен при захвате ими медленных нейтронов. В результате происходит деление, образуются осколки, которые могут оказаться радиоактивными, а выделенная энергия будет равна энергии связи ядра, приходящейся на одну частицу.

Гамма-излучение - это самопроизвольное испускание фотона (гамма-кванта) ядром. Оно не является самостоя­тельным видом радиоактивности.

Закон радиоактивного распада. Число атомов радионук­лида обозначим через N, а за время dtостанется dNатомов. Тогда

dN = -λNdt,                                                                                                                 (3.1)

Где А. — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада. Знак "минус" показывает, что число N исходных атомов уменьшается во времени. После интегри­рования уравнения (3.1) и нормирования к исходному числу атомов Nqполучим основной закон радиоактивного распада:

Начальная активность в момент времени t = 0 равна  A0 = λN0. Тогда с учетом (3.3) можно записать: