Радиоактивность, изотопы, радионуклиды

А.Беккерель 1 марта 1896 года обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей сильной проникающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает и сам уран. Затем такое свойство им было обнаружено и у тория.

РАДИАКТИВНОСТЬ – это процесс самопроизвольного превращения неустойчивого нуклида в другой нуклид с испусканием ионизирующего излучения. Единицами измерения активности радиоактивных веществ являются беккерель (Бк) и кюри (Ки) = 3,7*10 в 10 Бк.

Изотопы – атомы химического элемента, отличающиеся от атомов того же химического элемента своей массой.
Нуклиды – атомы, содержащие определенное число протонов и нейтронов.

Радионуклиды – радиоактивные нуклиды.

А - особо высокая – 0,1 – Pu-238, Pu-239

Б – высокая – 1 – Sr-90, j-131

В – средняя – до 10 – cs-137

Г – малая – до 10 – Fe-55

Минимально-значимая активность – наименьшая активность открытого источника на рабочем месте, при которой на работу требуется разрешение органов госнадзора (НРБ 76/87)

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. Линейные размеры ядра примерно в 100 000раз мень­ше линейных размеров атома. Так, поперечный размер атома равен примерно 10 ⁸ см, а ядра —10^,2 —10¹³ см.

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 или 4,8-10 ¹⁰ электростатических единиц заряда.

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:

А

X Z

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.

Протоны и нейтроны, из которых состоит ядро, связаны между собой особыми силами притяжения, так называемы­ми ядерными силами. Особенность ядерных сил в том, что их действие сказывается на очень коротких расстояниях, по­рядка размера ядра. Наряду с силами притяжения, действу­ющими между всеми частицами ядра, между протонами су­ществуют также обычные электростатические силы оттал­кивания, уменьшающие устойчивость атомного ядра.

Ядерные силы образуют устойчивые, наиболее крепко связанные комплексы нуклонов только при определенном соотношении протонов и нейтронов. У легких элементов пе­риодической системы (у которых атомный номер меньше 20) отношение числа нейтронов к числу протонов приблизитель­но соответствует единице. Ядра таких элементов являются устойчивыми. С ростом атомного номера число нейтронов в ядре начинает превышать число протонов. Для тяжелых ядер соотношение между числом нейтронов и протонов дос­тигает значений, близких к 1,6, что и обусловливает их неус­тойчивость. Нарушение соотношения между числом протонов и нейтронов в ядре ведет к ослаблению ядерных сил и самопро­извольному превращению ядер, т.е. к радиоактивности.

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

(Не), 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.