Радиоактивность и виды радиоактивных превращений

Все атомы химических элементов имеют одинаковую структуру. Они состоят из положительно заряженного ядра, где сосредоточена практически вся масса атома, и отрицательно заряженных электронов, которые образуют его электронные обо­лочки. Ядро также имеет сложное строение и состоит из элемен­тарных частиц — нуклонов, которые существуют в виде про­тонов и нейтронов. Протон — положительно заряженная, нейтрон — электрически нейтральная частица. Масса прото­на и нейтрона примерно одинакова, заряд протона по абсо­лютной величине равен заряду электрона — 1,610¹⁹ Кл. Атом химического элемента характеризуется двумя па­раметрами: массовым числом А и атомным номером эле­мента Z в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

Массовое число А — суммарное число протонов и нейтро­нов в ядре данного атома. Атомный номер Z равен числу про­тонов, входящих в состав ядра. Очевидно, число нейтронов в ядре равно А—Z.

В нормальном состоянии атом нейтрален, поэтому число электронов, образующих электронную оболочку атома дан­ного элемента, численно равно атомному номеру.

Атомы одного и того же элемента, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но различного числа нейтронов, называются изотопами. Такие атомы имеют одинаковые хи­мические свойства, поскольку у них один и тот же атомный номер, но различаются разными массовыми числами.

Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу нуклидов. Для различия изотопов у символа элемен­та слева вверху ставится число, соответствующее массовому числу данного изотопа, и внизу слева указывается атомный номер элемента.

Некоторые нуклиды стабильны, т.е. при отсутствии внеш­него воздействия никогда не претерпевают никаких превраще­ний (стабильные нуклиды). Большинство же нуклидов неста­бильны; они постоянно превращаются в другие нуклиды и на­зывают их радионуклидами.

Устойчивость ядер атомов обеспечивается при вполне оп­ределенном соотношении протонов и нейтронов.

Энергия связи электрона с ядром в атоме тем меньше, чем на более удаленной от ядра оболочке он находится. Если один или несколько электронов оторвать от электронной обо­лочки, приложив соответствующую энергию, произойдет ио­низация атома, который при этом из-за созданного дефицита отрицательно заряженных электронов станет положительно заряженным.

Если атом, наоборот, присоединяет электрон, которого ранее недоставало, электрон может быть переведен на более удаленную от ядра оболочку. Такой атом называется возбуж­денным. При переходе в невозбужденное состояние, т.е. ког­да освободившееся вакантное место на электронной оболочке занимает другой электрон, избыток энергии, равной энергии возбуждения, испускается в виде одного ли нескольких квантов фотонного излучения.

В конце прошлого века были сделаны два чрезвычайно важных открытия: в 1895 году немецким физиком В.К. Рент­геном был открыт новый, не известный до этого вид излуче­ния, а в 1896 году французский физик А. Беккерель обнару­жил, что уран самопроизвольно испускает невидимые лучи, вызывающие свечение некоторых веществ и потемнение фо­топластинки. Это свойство было названо радиоактивностью, а излучение — радиоактивным.

Радиоактивность — это самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер, приводящее к изменению атомного номера или энергетического состояния ядра.

Французские физики М. Складовская-Кюри и П. Кюри установили, что радиоактивностью обладает не только уран, но и некоторые другие элементы, в частности радий, торий, вновь открытый ими элемент полоний и др. Они эксперимен­тально доказали, что при радиоактивном распаде испуска­ются альфа- или бета-частицы.

В результате радиоактивных превращений возникают ядерные излучения, основными из которых являются аль­фа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи, нейтроны, рентге­новские лучи.

Альфа-частицы представляют собой поток ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов.

Бета-частицы — поток электронов или позитронов (по­зитрон — положительно заряженная частица с той же мас­сой, что и у электрона, заряд которого по абсолютной вели­чине равен заряду электрона). Данному радионуклиду при­сущ вполне определенный тип распада.

Альфа-распад наблюдается у радиоактивных изотопов тя­желых элементов с атомным номером Z > 82. В результате аль­фа-распада число протонов в ядре уменьшается на две едини­цы, на столько же единиц уменьшается число нейтронов.

Следовательно, образуется новое ядро, атомный номер кото­рого будет на две, а массовое число — на четыре единицы меньше.

226 а-распад 222 4

Например, Ra--------------------------►Rn + He

88 86 2

Радий радон а-частицы

Энергия радиоактивных излучений измеряется специ­альными единицами. За единицу энергии принят электронвольт (эВ). Электронвольт — это энергия, которую при­обретает электрон, проходя в электрическом поле разность потенциалов, равную одному вольту.

Производной единицей является мегаэлектронвольт (МэВ). 1 МэВ = 1 млн эВ. Энергия а-частиц при выходе из яд­ра лежит между 3 и 11 МэВ. Слой воздуха 8—9 см полностью поглощает а-частицы указанной энергии. Их пробег в воде и мягкой биологической ткани составляет несколько десятков микрометров.

При бета-распаде наблюдаются три типа превращений: р-распад, или электронный распад; р+-распад, или позитрон-ный распад; электронный захват.

Электронный р-распад характерен для подавляющего числа известных в настоящее время естественных и искус­ственных радионуклидов (131 j, 32 р). Вылет из ядра элек­трона (р-распад) связан с превращением одного из нейтронов в протон. В результате число протонов в ядре увеличится на единицу, а суммарное число протонов и нейтронов не изме­нится. Следовательно, при электронном бета-распаде образу­ется новое ядро с атомным номером на единицу большим, чем у исходного, и с тем же массовым числом.

Например, 214р-распад 214

Bi --------------- ->Ро

84 85

Висмут полоний

40 р-распад 40

К —-------------------►Са + е

19 20

Позитронный р⁺-распад наблюдается лишь у незначи­тельной части искусственных радиоактивных изотопов. При вылете из ядра позитрона (р⁺-распад) происходит превраще­ние одного из протонов ядра в нейтрон. В результате вновь образованное ядро будет иметь атомный номер на единицу v меньший и то же массовое число.

65 р⁺-распад 65

Например, Zn ------------------->- Си + е⁺

30 29

30 р⁺-распад 30

Р-------------------► Si + е⁴

Такой тип р-распада, как электронной захват, редко встречается. При электронном захвате протон ядра захва­тывает электрон, находящийся на одной из ближайших ор­бит электронной оболочки атома, это приводит к тому, что протон превращается в нейтрон. Место, которое занимал захваченный электрон, освобождается. Оно немедленно за­полняется электроном из других, более далеких от ядра, сло­ев оболочки.

Избыток энергии, освобождающийся при таком перехо­де, испускается атомом в виде рентгеновского характеристи­ческого или другого излучения. Электронный захват наблю­дается у 58_Со (кобальт). 15 % его ядер дают р-распад, 85 % — электронный захват. Максимальная энергия р-частиц, ис­пускаемых различными радионуклидами, составляет 0,1—3,5 МэВ.

Нейтроны – это элементарные частицы, не имеющие зарядов. Нейтроны обладают большой проникающей способностью.

Рентгеновское излучение не является ядерным, а возникает в электронных оболочках атомов. Наиболее распространенным генератором рентгеновского излучения является рентгеновская трубка.

Закон радиоактивного распада. Количество радиоактивных атомов данного изотопа, распадающихся за единицу времени, пропорционально количеству всех радиоактивных атомов или, иными словами, за одну секунду распадается всегда одна и та же доля радиоактивных атомов данного изотопа, независимо от их количества.

Активность радиоактивного вещества – это кол-во распадающихся атомов в единицу времени. Единица – Бк. Внесистемная – Ки.

Активность бывает: удельная(Бк/кг, Ки/кг), объемная(Бк/м^3, Ки/л), поверхностная(Бк/м^2, Ки/км^2).

Период полураспада – время, в течении которого распадается половина имеющихся в наличии радиоактивных атомов данного радионуклида. Короткоживущие(с,мин,ч,дни), долгоживущие(месяцы,года).