Радиоактивност

Радиоактивност. Закон за радиоактивния разпад. -, -, и -разпад – особености и
условия за протичане
Радиоактивност. Закон за радиоактивния разпад
Явлението радиоактивност се състои в самопроизволно разпадане на ядра с изпускане на една или
няколко частици. Ядра, при които се наблюдава явлението радиоактивност, се наричат радиоактивни.
В процеса на разпад може да се променя както атомният номер Z , така и масовото число A.
Радиоактивният разпад се характеризира със:
- средно време на живот на ядрото;
- вида на изпусканите частици;
- енергията на изпусканите частици;
- при изпускане на повече частици – относителни ъгли между направленията на излитането им;
- ориентации на спиновете на началното и крайното ядро, а също и на излитащите частици.
Всяко радиоактивно ядро може да бъде получено чрез обстрелване със стабилни ядра и частици.
Удивителното в радиоактивността са колосалните времена на живот на радиоактивните ядра.
Характерното ядрено време е 10
–21
s, а времената на радиоактивните ядра са от 10
–9
s до 10
22
години.
Вида на радиоактивния разпад се определя от вида на изпусканите частици:
- -разпад
- -разпад
- -разпад
- спонтанно деление на ядрата.
Според произхода си радиоактивността се дели на:
- естествена – среща се в природата
- изкуствена – синтезирани ядра.
Радиоактивният разпад е по принцип статистическо явление. Естествена статистическа величина,
описваща радиоактивния разпад е вероятността  за разпадане на дадено ядро за единица време.
Величината  се нарича константа на разпадането и смисълът ѝ е в това, че ако се вземе голям брой
N еднакви нестабилни ядра, то за единица време ще се разпаднат N ядра. Величината A=N се нарича
активност. Активността характеризира интензивността на излъчване на радиоактивното вещество като
цяло. В система SI единицата за активност е Бекерел (1 Bq=1 разпад/s). Понякога се използва и
извънсистемната единица за активност Кюри (1 Ci=3,7.10
10
разпада/s).
Нека в момент t имаме N радиоактивни ядра. Ако за време dt се разпадат средно dN ядра, то: dN Ndt
0
t
NNe

 ,
където с N0 са означени броя на ядрата в произволно избран момент, който приемаме за нулев.
Тъй като активността е A=N, се вижда, че тя е: dN
AN
dt
 
.
Период на полуразпадане 1
2
T се нарича времето, за което броят на радиоактивните ядра намалява
два пъти. 1
20
0
2
T
N
Ne


,
откъдето 1
2
ln 2
T


.
-, -, и -разпад – особености и условия за протичане
α – разпад
Самопроизволното изпускане на -частици (хелиеви ядра4
2
He ) се нарича -разпад. 44
22
AA
ZZ
X X He



.
Изходното ядро A
Z
X се нарича матерно, а крайното 4
2
A
Z
X

 - дъщерно.
Характерни експериментални особености на α – разпада:
- -разпад има само при тежки ядра. Почти всички -активни ядра имат Z>83, т.е. не по-малко от
2 протона след завършения протонен слой, съответстващ на магическото число 82. За ядра със

Z>83, за които не се наблюдава -разпад, се предполага, че той съществува, но е трудно да се
открие на фона на другите механизми на разпад. -разпад се наблюдава и при ядра с масово
число в интервала 140160 – това са ядра, чиято форма доста се отличава от сферичната;
- периода на полуразпад на -активните ядра варира в широки граници. Например за 204
82
Pb , 17
1 / 2
1,4.10T
години, а за 215
86
Rn е 6
1/ 2
10Ts

 ;
- енергията на изпусканите -частици е в доволно тесен интервал – 4 – 9 MeV за тежките ядра и 2
– 4,5 MeV за ядра с А от 140 до 160;
- ярко изразено свойство на -разпада е силната зависимост на периода на полуразпад от
енергията на изпусканата частица, която се описва от емпиричния закон на Гайгер-Нътъл log
D
C
E

,
където С и D са константи, зависещи от A и слабо зависещи от Z, и се подбират
експериментално. Като пример за силната зависимост на периода на полуразпад от енергията на
изпусканите частици може да се посочи, че намаляването на енергията с 1% може да увеличи
периода на полуразпад 10 пъти, а 10% намаление на енергията изменя периода на полуразпад с 2
– 3 порядъка;
- -частиците, изпускани от даден вид ядра, имат като правило една и съща енергия. По-прецизни
измервания показват, че спектъра на изпусканите частици има тънка структура – няколко близко
разположени енергетични нива;
- за да съществува -разпад е необходимо, но недостатъчно, той да е енергетично възможен 2
4
( , ) ( 4, 2) ( )M A Z M A Z M He   
.
Разликата в масите, изразена в енергетични единици, се реализира като енергия на - разпада 4 , 2 ,A Z A Z
E E E E

   
.
-разпадът е експериментално възможен, ако E>0.
Значителна част от енергията E отива като кинетична енергия на -частицата, а останалата – като
енергия на откат на дъщерното ядро. Тъй като кинетичната енергия е положителна E>0 то реакцията е
екзотермична.
Енергията на връзката на -частиците е 28 MeV, т.е. 7 MeV на нуклон, -разпада е енергетично
допустим, ако енергията на връзката на нуклона е по-малка от 7 MeV.
β – разпад
-разпадът е процес, при който нестабилното ядро изпуска електрон или позитрон, при което Z се
променя с ±1. Необходимо условие за протичане на -разпада е ( , ) ( , 1)
eM A Z M a Z m  
.
Енергията, отдадена при -разпада е , , 1 1A Z A Z
E E E E

  
,
където E1 е енергията на продуктите от разпада. Тази енергия се разпределя като енергия на всички
продукти на разпада.
Видове β – разпад
- електронен 1
AA
ZZ
X Y e 


  
,
където  е антинеутрино (електрически неутрална частица). При електронния -разпад един от
неутроните в ядрото се превръща в протон.
- позитронен 1
AA
ZZ
X Y e 


  
,
където  е неутрино (електрически неутрална частица ). При позитронния -разпад един от протоните в
ядрото се превръща в неутрон.
- K – захват (електронен захват) 1
AA
ZZ
e X Y 


  

Ядрото поглъща един от електроните на електронната атомна обвивка (обикновено от К-слоя)
- взаимодействие на  и  с ядрата 1
AA
ZZ
X Y e


  

1
AA
ZZ
X Y e


  
Главната особеност на -разпада е, че той се осъществява под действие на слабите взаимодействия
(четвъртият вид взаимодействие в природата), които са 24 пъти по-слаби от ядрените. -разпадът не е
вътрешно ядрен, а вътрешно нуклонен. В ядрото се разпада 1 нуклон.
При електронния -разпад реакцията, която протича е: n p e 

  
.
При позитронния -разпад реакцията, която протича е p n e

  
.
След -разпада изходното ядро е преустроено. Затова периода на полуразпад, както и другите
характеристики на -разпада, силно зависят от това колко сложно е това преустройване.
- При -разпада полупериодите, както и при -разпада, варират в широки граници.
- Отделящата се енергия при единичен -разпад варира от 0,02 MeV до 13,4 MeV.
- -разпадът е възможен енергетично, ако: 1
AA
ZZ
M M m


(електронен -разпад),
където m е масата на електрона, а A
Z
M и 1
A
Z
M
 са масите на изходното и дъщерното ядро; 1
AA
ZZ
M M m


(позитронен -разпад); 1
AA
ZZ
M m M


(K-захват).
Експериментално се определят не масите на ядрата, а атомите i
M и f
M съответно на изходния и
дъщерния атом. Връзката е:
- за електронен -разпад (
–
-разпад) 1
( 1)
AA
i Z f Z
M M Zm M M Z m

    
,
следователно условието за 
–
-разпад е if
MM ;
- за позитронен -разпад (
+
-разпад) 1
( 1)
AA
i Z f Z
M M Zm M M Z m

    
,
съответно условието за -разпад е 2
if
M M m ;
- за K – захват 1
( 1)
AA
i Z f Z
M M Zm M M Z m

    
.
Тук е пренебрегната енергията на връзка между електроните в атома, тъй като тази енергия е на
границата на точността на измерването.
γ – разпад
-разпадът (-излъчването) се състои в това, че ядрото изпуска -квант без изменение на A и Z. -
разпадът е вътрешноядрен процес (-разпадът е вътрешнонуклонен процес). -излъчването става за
сметка на енергията на възбудените ядра, т.е. възбуденото ядро излъчва -квант при прехода си в
основно състояние. -излъчването на ядрата напомня излъчването на фотони от възбудени атоми
(електронната обвивка на ядрото) при преминаване в по-ниско енергетично ниво или основно
състояние. Разстоянието между енергетичните ядра в ядрото е 10
3
до 10
6
eV, докато в атома той е от
порядъка на електронволти. Ядрата могат да преминават във възбудено състояние в процеса на
нееластичен удар с друга частица, в резултат на -, -разпад или спонтанно деление. Дъщерното ядро е
често във възбудено състояние в резултат на разпада. Времето на живот на - активните ядра е от
порядъка на 10
–7
-10
–11
s. Понякога ядрото остава продължително време във възбудено състояние, преди
да излъчи -кванта. Такова възбудено състояние се нарича метастабилно, а ядрото се нарича изомер.
Възбуденото ядро може да премине в основно състояние и без да излъчи -квант. Освободената от
прехода енергия отива за възбуждане на електрон от обвивката на атома. Такъв процес се нарича
вътрешна конверсия. Ако конверсираният електрон е от K- или L- слоя, на тяхното място може да
“слезе” електрон от външните слоеве, при което излъчва фотон от рентгеновата област. Ако енергията
на възбуденото ниво (спрямо основното) е по-голяма от енергията, съответстваща на удвоената маса на
електрона E>2mc
2
=1,2 MeV, то е възможен процес на двойна конверсия, при което се излъчват e
+
и e
–
.