Свойства ядерных излучений. Закон радиоактивного распада

Одним из доказательств сложного строения атомного ядра стало открытие радиоактивности - явления испускания атомными ядрами невидимых проникающих излучений.

Рассмотрим опыт, в котором препарат радия  помещался на дно узкого канала в куске свинца (рис. 18.1). Против канала находилась фотопластинка . На выходившее из канала излучение действовали сильным магнитным полем B, линии индукции которого перпендикулярны лучу. Вся установка размещалась в вакууме. Исследования показали, что радиоактивные атомы испускают три вида излучения - альфа-, бета- и гамма-излучения. Альфа-излучение имело положительный заряд и наименьшую проникающую способность. Слой бумаги толщиной 0,1 мм для него уже непрозрачен. Бета-излучение имеет отрицательный заряд и гораздо бóльшую проникающую способность. Гамма-излучение в магнитном поле не отклоняется и имеет наибольшую проникающую способность.

Рис. 18. 1

 

Радиоактивностью называется самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц. Различают такие виды радиоактивного распада, как -распад, -распад, спонтанное деление ядер и др.

Альфа-распад заключается в самопроизвольном превращении одного ядра в другое с испусканием -частицы (ядра атома гелия ). Схема альфа-распада записывается в виде: . Примером альфа-распада является превращение радия . При этом процессе массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер на 2. Альфа-распад объясняется образованием в тяжелых ядрах (Z > 82) обособленных альфа-частиц. Несмотря на то, что энергия образовавшейся альфа-частицы меньше ее потенциальной энергии в поле ядра, существует отличная от нуля вероятность ее вылета из ядра. Данное явление получило название туннельного эффекта.

В случае альфа-распада новое ядро может образоваться не только в основном, но и возбужденном состоянии. Тогда спустя короткое время после вылета альфа-частицы образовавшееся ядро испускает один или несколько гамма-квантов (фотонов гамма-излучения) и переходит в основное состояние.

Бета-распад - это самопроизвольное превращение нейтрона в протон внутри ядра, сопровождающееся испусканием электрона и антинейтрино: . В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной: . Пример бета-распада: .

Бета-распад, как и альфа-распад, может сопровождаться гамма-излучением. Это происходит, когда образовавшееся ядро оказывается в возбужденном состоянии, из которого оно переходит в основное с испусканием квантов гамма-излучения; их энергия достигает нескольких МэВ. Гамма-излучение, сопровождающее альфа- и бета-распад, обладает дискретным энергетическим спектром.

В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Все атомы не распадаются одновременно, т.к. данный процесс имеет случайный характер и не зависит от внешних условий. Закон радиоактивного распада позволяет оценить, сколько ядер данного образца распадается в течение заданного промежутка времени.

Пусть за малый промежуток времени  количество нераспавшихся ядер изменилось на . Поскольку вероятность распада каждого ядра неизменна со временем, то число распадов будет пропорционально количеству нераспавшихся ядер  и промежутку времени :

.

 

Знак минуса необходим, т.к. со временем число нераспавшихся ядер уменьшается. Коэффициент пропорциональности  называется постоянной распада и характеризует вероятность распада.

В начальный момент времени  начальное число радиоактивных ядер . Решая это дифференциальное уравнение с заданным начальным условием, приходим к следующему выражению:

.

 

Данное выражение отражает закон радиоактивного распада: число радиоактивных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону (рис. 18.2).

Одной из основных характеристик радиоактивного распада является период полураспада . Период полураспада - это время, за которое первоначальное число ядер уменьшается в 2 раза (распадается половина первоначального количества ядер). Через время  число ядер становится равным . Для радия , для урана .

Величины  и  связаны соотношением: .

В процессе работы с радиоактивными источниками важно знать, сколько частиц вылетает из препарата в секунду. Для этого вводится величина, называемая активностью радиоактивного источника. Активность радиоактивного источника – это число радиоактивных распадов в единицу времени (другими словами, скорость распада):

 

.

 

Единица измерения активности - беккерель (Бк).