1.3.2. Общие сведения о радиоактивном распаде

В общем случае радиоактивный распад можно описать следующим образом: И₁ ? И₂ + x + ?E.

То есть: «материнский» радионуклид ? «дочерний» нуклид + испущенная частица (? или ?) + выделившаяся энергия. Здесь под «энергией» понимается кинетическая энергия испускаемых частиц (? и ?) и излучаемых гамма-квантов. Помимо этого можно вычислить суммарную энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, на основании закона, связывающего энергию и массу E=mc². Эта энергия определяется разностью масс распадающегося (материнского) радионуклида и продуктов, образующихся вследствие распада, в основном состоянии:

Q = ?mc² = (m_и1 – m_и2 – m_X) • c²;

Здесь c – скорость света в вакууме.

Значение энергии Q не равно сумме энергии излучаемых частиц и гамма-квантов, так как оно включает энергию отдачи, переданную образовавшемуся (дочернему) нуклиду. Следовательно, радиоактивный распад как самопроизвольный процесс возможен лишь тогда, когда сумма масс всех продуктов предполагаемого распада меньше массы материнского радионуклида.

Рассмотрим подробнее важнейшие виды радиоактивного распада.

Альфа-распад

При этом виде распада испускаются альфа-частицы (ядра гелия ⁴₂He). Массовое число распавшегося нуклида уменьшается на четыре единицы, а заряд ядра – на две.

Например:

т.е. 238–4 = 234; 92–2 = 90.

Полная энергия распада (Q_?) в этом случае равна:

Q_? = E_? + E_отд + E_возб,

где E_? – кинетическая энергия испущенной альфа-частицы; E_отд – энергия отдачи; E_возб – энергия возбуждения образовавшегося (дочернего) ядра.

Для относительно легких четно-четных радионуклидов, имеющих массовое число менее 240, как правило, характерен альфа-распад с образованием дочернего нуклида в основном состоянии. При распаде ядер других типов чаще всего образуются нуклиды с возбужденным состоянием дочернего ядра.

В первом случае радионуклиды, например, ²¹⁰Po, испускают альфа-частицы с определенной энергией. Во втором случае радионуклид обычно испускает группу альфа-частиц с несколько различными, но вполне определенными значениями энергии. Таким образом, спектры излучения альфа-частиц являются дискретными.

Помимо ядер гелия ?-активные радионуклиды, как правило, излучают еще и ?-кванты («жесткое» электромагнитное излучение), порождаемое возбужденными дочерними ядрами. Спектр ?-излучения тоже дискретен.

Примером радионуклида, имеющего сложный дискретный спектр ?– и ?-излучения, является один из природных изотопов тория, ²²⁸Th (рис.1).

Диапазон энергий альфа-частиц, испускаемых радионуклидами, довольно широк: от 1,83 МэВ у ¹⁴⁴Nd до 11,7 МэB у ²¹²Po, но у подавляющего числа ?-активных радионуклидов эта энергия находится в интервале значений 4–9 МэВ. За небольшими исключениями значения периодов полураспада ?– активных ядер лежат внутри громадного диапазона: ~10–⁷с < T_1/2< – 10¹⁰ лет, но, например, у ¹⁴⁴Nd даже T_1/2 = 5•10¹⁵ лет.

Бета-распад

Данный вид распада представляет собой ядерное превращение радионуклида в нуклид-изобар; при этом значение заряда ядра (Z) изменяется на ±1. При ? ^– распаде в ядре происходит превращение одного из нейтронов в протон:

¹n ? ¹p + e ^– + v? + ?E ,

где n и p соответственно символы нейтрона и протона; e ^– – электрон ядерного происхождения, т.е. ? ^– частица; v? – антинейтрино. При этом образовавшийся протон остается в ядре, которое становится ядром нового (образовавшегося дочернего) радионуклида, а электрон (? ^– частица) и антинейтрино покидают ядро, что и составляет бета-излучение.

Этот процесс не следует отождествлять с «распадом» свободного нейтрона, который имеет период полураспада – 12,5 минут. В случае ?^- распада скорость превращения нейтрона в протон внутри ядра для каждого радионуклида является строго индивидуальной характеристикой; не существует двух различных радионуклидов с одинаковыми значениями периода полураспада.

Известен так называемый простой бета-распад, при котором все ядра радионуклида после испускания ? ^– частицы переходят в одинаковое энергетическое состояние (основное состояние). Примером такого случая может служить распад одного из радионуклидов фосфора: .

Более сложным является случай, когда ядра, образовавшиеся вследствие распада, оказываются в различных возбужденных состояниях, что в соответствии с законами квантовой механики моделируется несколькими дискретными уровнями энергии; среди них может оказаться и основной уровень ядра. В большинстве случаев переход нуклида из возбужденного состояния в основное происходит путем испускания (эмиссии) гамма-квантов, уносящих избыток энергии (подробнее об этом ниже).

Типичный энергетический спектр бета-излучения, соответствующий простому ?-распаду, в отличие от дискретного спектра альфа-излучения является непрерывным (см. рис.2) и характеризуется некоторым максимальным значением энергии E_?,_max, которое не могут превзойти вылетающие из ядра ?-частицы. С другой стороны, график непрерывного спектра ? ^– излучения имеет максимум ?_?, что соответствует той энергии , которой обладает большинство ? ^– частиц, образующихся при распаде данного радионуклида. Эти понятия не следует отождествлять друг с другом; более того, всегда выполняется соотношение: E_?,_max>?_?. Казалось бы, все бета-частицы, испускаемые каждым радионуклидом, в соответствии с законом сохранения энергии должны были бы обладать одинаковой энергией, характерной для данного радионуклида и равной разности энергетических состояний материнского и дочернего ядер. Тем не менее непрерывность спектра бета-излучения – надежно установленное эмпирическое обобщение. Законы сохранения здесь удовлетворены тем, что при распаде одновременно с бета-частицей ядро испускает антинейтрино.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.