Естественная и искусственная радиоактивность

Ядра некоторых изотопов могут самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с выделением энергии. Этот процесс называют радиоактивностью. Естественная радиоактивность впервые обнаружена на солях урана в 1896г. французским физиком А. Беккерелем и исследована затем Пьером и Марией Кюри. Было установлено, что радиоактивный распад сопровождается испусканием α-, β-, и γ-лучей. Большинство естественных радиоактивных элементов образует радиоактивные семейства, где каждый радиоактивный элемент возникает из предыдущего и, в свою очередь, превращается в последующий. Процесс радиоактивных превращений продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп. Для некоторых естественных радиоактивных элементов (⁴⁰К, ⁸⁷Rb, ¹⁵²Sm и др.) распад ограничивается одним звеном превращения.

Искусственная радиоактивность открыта в 1934г. французскими учеными Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Они установили, что при облучении стабильных элементов α-частицами образуются радиоактивные изотопы фосфора, азота и кремния - элементов, не имеющих естественных радиоактивных изотопов. В дальнейшем при облучении стабильных элементов α-частицами, протонами, дейтронами и нейтронами, были получены радиоактивные изотопы всех химических элементов, начиная от водорода и кончая ураном, причем для большинства элементов получено несколько радиоактивных изотопов.

Существуют следующие основные виды распада природных радиоактивных элементов.

1. Испускание α-частицы, представляющей собой положительно заряженное ядро
гелия с атомным номером Z=2 и массовым числом М=4. Ядро, образовавшееся в результате
α-распада, имеет массовое число на четыре единицы, а порядковый номер на две единицы
меньше, чем у исходного ядра, например:

226 222 4

Ra^> Rn+ He.
88 86 2

р е^+

2. Испускание отрицательных или положительных частиц - электрона (обозначается е

^{+ +}

или β^-) или позитрона (е⁺ или β⁺), представляющих собой заряженные частицы с примерно одинаковой массой (m_e=0,9035-10^-27г), составляющей всего 1/1835 часть массы протона. При этом массовое число продукта распада такое же, как у исходного ядра, а порядковый номер увеличивается или уменьшается на одну единицу, например:

40 40 22 22

К^> Ca + fi'+v; JVe->

19 20 11 10

В приведенных записях реакций отмечена важная особенность β-распада: он всегда сопровождается испусканием нейтральной частицы с нулевой массой — нейтрино v при β⁺-распаде и антинейтрино v при β^--распаде. Очень часто основные (обязательные) продукты распада, α- и β-частицы, а также нейтрино (антинейтрино), уносят не всю энергию реакции распада. Избыток энергии испускается в виде одного или нескольких у -квантов

24 24

11 12 ^{6 H l}

3. Захват ядром электрона одной из оболочек атомов. В результате этого процесса, называемого электронным захватом (ЭЗ), атомный номер (как и при β⁺-распаде) уменьшается на одну единицу, а энергия реакции уносится нейтрино и в некоторых случаях также -γ-излучением, например:

40 40

К + e -» Ar + v.
19 18

При занятии вакантного места на электронной оболочке другим электроном возникает также характеристическое рентгеновское излучение элемента — продукта реакции.

Электронный захват с К-, L-оболочек принято называть соответственно (К-захватом, L- захватом и т. д.

4. Самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (²³⁸U, ²³²Th) на две части, обычно с неодинаковой массой. При самопроизвольном делении помимо осколков деления излучаются два или три нейтрона, а иногда и другие частицы. Вновь образовавшиеся ядра обычно нестабильны и распадаются путем испускания нескольких нейтронов и β--частиц. В ядерной геофизике вызывает интерес испускание некоторыми продуктами деления так называемых запаздывающих нейтронов, сопровождающих β-распад, например:

2%8⁶Kr + p +v+qH

Регистрацию таких нейтронов используют для определения содержания урана. 5. Испускание одного или двух протонов, при котором масса и заряд уменьшаются на одну или две единицы, наблюдается лишь у части искусственных радиоактивных изотопов с исключительно большим дефицитом нейтронов (соответственно с избытком протонов), например:

33 31

Са -^ Аг + 2р.
20 18

Этот вид распада сравнительно недавно открыт советскими учеными, и его значение для ядерной геофизики еще слабо изучено.

Иногда к радиоактивному распаду относят также переход некоторых ядер из метастабильного (относительно устойчивого возбужденного) состояния в основное с испусканием одного или нескольких γ-квантов. При этом ядерного превращения (в смысле изменения его массы или заряда) не происходит. Однако закон уменьшения числа активных (метастабильных) ядер совпадает с законом радиоактивного распада, что и оправдывает отнесение этого процесса, называемого изомерным переходом (ИП), к особому виду радиоактивности.

Возбужденное ядро-изомер некоторого элемента ^МХ принято обозначать ^МmХ. Изомеры обычно получают возбуждением ядер при бомбардировке ядерными частицами или иногда как промежуточный продукт при распаде некоторых ядер. Например, при распаде UX1 кроме изотопа ²³⁴Pa(UZ) образуется его изомер ^234mPa(UX₂), имеющий другой период полураспада.

Обычно радиоактивный элемент распадается одним из перечисленных выше способов. Однако многие из них могут распадаться различными путями. Так, например, ²²⁶Ra в 99 % случаев превращается в ^{2 2}Rn, излучая α-частицу с энергией 4,9 МэВ. Однако наблюдается переход радия в радон и с испусканием двух частиц: α -частицы с энергией 4,7 МэВ и γ-кванта с энергией 0,2 МэВ. Некоторые радиоактивные элементы распадаются, образуя два или более новых элементов. Так, около 12 % атомов ⁴⁰К испытывают К-захват и превращаются в атомы аргона ⁴⁰Аr с последующим излучением γ -квантов с энергией 1,46 МэВ. Остальные 88 % ⁴⁰К превращаются в атомы кальция ⁴⁰Са с излучением β-частицы. Распад искусственных радиоактивных элементов, как правило, сопровождается испусканием электронов (или позитронов) и γ -лучей.

В природе обнаружено более 50 естественных радиоактивных элементов. Наиболее распространены тяжелые элементы, входящие в состав радиоактивных семейств урана (^ши), актиноурана AcU (²³⁵£/) и тория (²³²Th,рис. 5.1). В ничтожно малых количествах в природе встречаются элементы семейства нептуния [²³⁷Npj, распад которых ограничивается одним звеном превращений. Из анализа рис. 5.1 следует, что характер распада этих семейств имеет много общего.

 

Рис. 5.1. Схема радиоактивных превращений семейств урана (а), тория (б) и актиноурана (в, поГ.Ф. Новикову, 1989).

Родоначальники семейств характеризуются самыми большими массовыми числами и относятся к наиболее долгоживущим. Распад всегда протекает в сторону образования все легких элементов. В середине цепи превращений каждого семейства имеются радиоактивные газы - эманации, которые относятся к группе инертных. Далее образуются группы короткоживущих элементов, часть атомов которых испытывает α-распад, а другая часть распадается с испусканием β-частиц. Эти элементы образуют ответвления рядов (вилки). Конечным продуктом распада всех трех семейств являются стабильные изотопы свинца ²⁰⁶ Pb, ^ШРЪ и ^ШРЬ, которые принято обозначать также RaG, AcD и ThD соответственно.