Радиоактивность. Стабильные и нестабильные ядра. Период полураспада.

Любая осязаемая материя вокруг нас и мы сами состоим из нуклидов, которые по своей природе могут быть стабильными или нестабильными. Стабильные нуклиды в отсутствие специфических воздействий на них могут существовать сколь угодно долго. Нестабильные нуклиды (а именно - их ядра) рано или поздно претерпевают самопроизвольное (то есть не вызванное никакими внешними воздействиями) превращение. Его называют радиоактивным распадом. Нуклиды, ядра которых способны претерпевать самопроизвольное превращение называют радиоактивными нуклидами или радионуклидами.

Радиоактивность — это присущая некоторым ядрам способность самопроизвольно превращаться в другие, сопровождающаяся испусканием особого рода лучей.

Открытие излучения, испускаемого солями урана без какого-либо внешнего воздействия, обладающего высокой проникающей способностью и названного впоследствии радиоактивным, принадлежит французскому ученому Антуану Анри Беккерелю (1896 год). Подобное излучение, только не самопроизвольное, а созданное в аппарате, открыл годом раньше немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген. Новое явление активно исследовали Пьер и Мария Кюри, которые обнаружили и выделили в чистом виде первые радиоактивные изотопы - полоний и радий - и заложили основы учения о радиоактивности и радионуклидах.

Радиоактивный распад - свойство атомного ядра, определяющееся только его внутренним состоянием и не зависящее от внешних условий.

Согласно основному закону радиоактивного распада, число ядер радиоактивного изотопа уменьшается с течением времени экспоненциально: с увеличением числа периодов полураспада число не распавшихся атомов убывает, постепенно приближаясь к нулю.

Количественным описанием интенсивности распада ядер (а значит, соответствующего излучения) является активность источника (материала, пробы, объекта биосферы и т. д.) — это отношение числа спонтанных ядерных превращений радионуклида dN (то есть радиоактивных распадов) в этом источнике, происходящих за время dt, к этому времени:

Другими словами, активность (или радиоактивность) - это число радиоактивных распадов в единицу времени.

Активность в СИ измеряется в беккерелях (Бк). 1 Бк = 1 с^-1 (1 Беккерель равен одному ядерному превращению в секунду).

Внесистемная единица активности - кюри (Ки). 1Ки = 3,7∙10¹⁰ Бк. 1 Ки - это активность 1 г радия-226.

Радиоактивность подразделяется на естественную и искусственную, в зависимости от того, существуют распадающиеся ядра в природе, или получены посредством искусственных ядерных реакций. Так ядра естественного радиоактивного элемента урана могут спонтанно делиться без внешнего воздействия. Процесс радиоактивного превращения можно вызвать и искусственно путем бомбардировки ядер нестабильных изотопов нейтронами.

Время Т, в течение которого спонтанно распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада данного элемента. Например, период полураспада урана - 235 равен 7,1 ∙ 10⁸ лет.

Период полураспада выражают в зависимости от его величины в удобных для восприятия единицах времени - секундах, минутах, часах, сутках или годах. Период полураспада разных радионуклидов отличается на много порядков. Радионуклиды с большим Т1/2 принято называть долгоживущими радионуклидами, с малым - короткоживущими. Радионуклиды с очень большим периодом полураспада (например ²³⁸U) крайне малорадиоактивны. Активность одинакового количества радионуклидов обратно пропорциональна их периоду полураспада. Например, примерно в триллион раз (1000 миллиардов) менее радиоактивен, чем .

Период полураспада можно определить, подсчитав число атомов, распавшихся за некоторый промежуток времени. Действительно, согласно этому закону за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада - половина атомов). Значит, с течением времени скорость распада нисколько не меняется.

Время существования отдельных атомов может колебаться от долей секунды до миллиардов лет. Предсказать, когда произойдет распад данного атома, невозможно. Определенный смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Именно в среднем число атомов, распадающихся за данный интервал времени, определяется законом радиоактивного распада, который является статистическим законом. Он справедлив в среднем для большого количества частиц.

Для некоторых природных радионуклидов периоды полураспада могут составлять от миллионных долей секунды (и менее) до 10²⁴ лет!

Период полураспада удобен для быстрой оценки количества (значит, и активности) радионуклида по истечении определенного времени. За время, равное Т1/2, его количество станет вдвое меньше, за 2Т1/2 - в четыре раза меньше, а за 10Т1/2 количество радионуклида и его активность уменьшится примерно в тысячу раз.

Обычно из каждого распадающегося атома материнского вещества образуется один атом дочернего. Наряду с этим постоянно происходит распад дочернего элемента. В этом процессе распада различают два случая:

1) Первое (материнское) вещество распадается быстрее второго (дочернего). В этом случае по истечении определенного отрезка времени остается только второе вещество.

2) Материнское вещество распадается медленнее, чем дочернее. В этом случае оба вещества сосуществуют вплоть до полного их распада, причем их количественное соотношение стремится к некоторому постоянному пределу.

Если сосуществуют несколько последовательно распадающихся радиоактивных элементов, представляющих собой радиоактивное семейство, то за единицу времени распадается столько ядер любого члена семейства, сколько распадается ядер родоначальника семейства. Такое состояние сосуществующих радиоизотопов называется устойчивым радиоактивным равновесием.

Например, в урановой руде всегда присутствуют кроме материнского вещества (урана) все дочерние элементы, в том числе радий. На один килограмм урана приходится всего 0,34 миллиграмма радия. Радиоактивное равновесие между ураном и радием наступает по истечении длительного промежутка времени и наблюдается в древних горных породах.