Типы радиоактивных распадов.

Радиоактивность — свойство некоторых веществ к самопроизвольному превращению, сопровождающимся радиоактивным излучением. При естественной радиоактивности происходит самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие или изотопы этих же ядер. Этот процесс сопровождается выделением энергии, возникновением новых радиоактивных элементов. Ядра последних снова распадаются, и так продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп.

Радиоактивность является внутренним свойством ядер, не зависит от внешних условий и определяется соотношением ядерных сил. Ядерные силы носят объемный характер: между протонами и нейтронами в ядре происходит обмен π-мезонами. Они являются короткодействующими с радиусом действия порядка 10^-15м.

В горных породах имеются как устойчивые, так и неустойчивые элементы.

Энергия нуклонов в ядре рассчитывается по формуле:

,

где Δm - дефект массы, с – скорость света в вакууме.

Расчеты показывают, что чем сложнее ядро, тем больше в нем протонов и нейтронов, и тем меньше энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Поэтому радиоактивность – свойство преимущественно тяжелых элементов. Все элементы, начиная с таллия (порядковый номер Z=81), являются радиоактивными или содержат радиоактивные изотопы.

Самопроизвольное превращение атомных ядер сопровождается испусканием альфа и бета частиц и гамма-излучением.

1.Альфа-распад заключается в испускании ядром α-частицы (₂Не⁴) и образованием ядер новых элементов по схеме:

Здесь X - элемент с атомной массой А и порядковым номером Z.

Пример: превращение радия в радиоактивный газ - радон

2. Бета-распад, при котором в ядре происходят превращения по двум возможным сценариям:

А) Превращение в ядре нейтрона в протон с испусканием β-частицы (электрона) по схеме:

с образованием электрона и нейтрино .

Пример: 88% ядер радиоактивного изотопа калия испытывает такой тип превращения:

Б) Превращение в ядре протона в нейтрон (захват ядром орбитального электрона с внутреннего к-слоя) по схеме:

с образованием позитрона .

Пример: 12% ядер радиоактивного изотопа калия испытывает следующий тип превращения:

.

Образовавшиеся при β - распаде ядра оказываются в возбужденном состоянии и, переходя в нормальное, излучают избыток энергии в виде γ – квантов.

3. Гамма-излучение– жесткое электромагнитное излучение, которое сопровождается ядерными превращениями. Энергия γ - излучения индивидуальна для каждого вида ядер и является параметром конкретного ядерного превращения.

Для γ-излучения более характерны корпускулярные свойства, чем волновые, т.е. его можно представить в виде потока частиц, летящих со скоростью света, массой

,

где - постоянная Планка, ν – частота излучения.

γ - лучи обладают значительно большей проникающей способностью по сравнению с α- и β- частицами, поэтому именно они используются в разведочной геофизике.

Единицей измерения радиоактивности радиоактивных элементов является (радио) активность — величина, определяющая число распадов в радиоактивном элементе породы в единицу времени.

Единицей измерения (радио) активности является беккерель (Бк = с^-1 = расп./с). Кроме того, используют: удельную массовую активность - Бк/кг, удельную объемную активность - Бк/м³ и поверхностную активность - Бк/м²_.

Радиоактивный распад отдельного ядра – явление случайное, поэтому время его распада предсказать невозможно. Но для большого числа атомов проявляется определенная закономерность, которая выражается законом радиоактивного распада:

,

где - текущее и начальное количество атомов превращающегося элемента, t – время с начала превращения, λ – параметр распада, характеризующий вероятность распада за единицу времени.

Время, за которое распадается половина атомов, называется периодом полураспада:

.

В таблице 10.1 приведены значения периодов полураспада некоторых изотопов, чаще всего встречающихся в горных породах.

Таблица 10.1

Период полураспада изотопов горных пород