Радіоактивність

8.3.1. Радіоактивність – процес самовільного перетворення деяких (нестабільних) ядер в інші з випромінюванням часток. До радіоактивних перетворень відносяться: a-розпад, b-розпад (з випромінюванням електрона, позитрона чи захопленням орбітального електрона), спонтанний поділ важких ядер, протонна та нейтронна радіоактивність. Радіоактивність нестабільних ядер, які існують у природі (їх відомо ~ 300), називається природною (А.Беккерель, 1896 р.), а тих, що одержані шляхом ядерних реакцій (їх відомо ~ 1700), – штучною (І. та Ф. Жоліо-Кюрі,1934 р). Обидва види радіоактивності підкоряються одному законові радіоактивного розпаду.

Із-за незалежності радіоактивних перетворень окремих ядер можна вважати, що кількість ядер dN, які розпадаються за проміжок часу dt, пропорційна до наявного числа ядер N і до величини проміжку часу dt, тобто

, (8.13)

де l – постійна розпаду, яка характеризує ймовірність розпаду кожного ядра за одиницю часу; знак мінус вказує, що число ядер зменшується з часом. Інтегруючи (8.13) при умові , одержуємо закон радіоактивного розпаду

. (8.14)

Він показує, що число радіоактивних ядер N, які не розпалися до моменту часу t, зменшується з часом експоненційно (рис.8.3).

Кількість ядер, які розпались за час t,

, (8.15)

Час Т, протягом якого розпадається половина початкової кількості ядер, називається періодом піврозпаду. Підставляючи у (8.15) t = T i , одержуємо

. (8.16)

Період піврозпаду відомих радіонуклідів змінюється в дуже широких межах: від 3×10^-7с до 5×10¹⁵ років. Очевидно, величина має сенс середнього часу життя ядра, тому з (8.13) випливає

. (8.17)

Виявляється, що в процесі радіоактивного перетворення вихідного (материнського) ядра виникає дочірнє ядро, яке теж може бути радіоактивним. В результаті виникає ряд (сімейство) радіоактивних елементів, генетично зв’язаних між собою. Для природно-радіоактивних елементів відомо 3 таких ряди: ряд торію ряд урану ряд актиноурану ; ці елементи започатковують свої ряди, які закінчуються стабільними ізотопами свинцю ( , , ). Для штучно-радіоактивних елементів відомий ряд нептунію (найбільш довгоживучий елемент ряду), який починається з плутонію і закінчується стабільним ізотопом талію

З часом у кожному радіоактивному сімействі встановлюється так звана вікова рівновага, при якій швидкості утворення і розпаду проміжних членів ряду зрівнюються, тобто

. (8.18)

Вікова рівновага встановлюється на протязі десяти періодів піврозпаду найбільш довгоживучого члена ряду. По мірі його розпаду загальний вміст членів ряду в земній корі повільно зменшується. Оскільки для нептунію період піврозпаду складає ~ середнього віку Землі, членів його ряду в природі немає, вони були одержані штучно. Для будь-якого іншого елемента його ряду, крім свинцю, для якого λ = 0. Тому через великі проміжки часу виникає стільки ядер свинцю, скільки розпадається ядер урану, тобто . Очевидно також, що . Виключаючи невідому початкову концентрацію ядер урану , одержуємо . Сучасна концентрація урану та свинцю в уранових рудах може бути виміряна експериментально, що для середнього віку Землі дає величину ~ 4,5×10⁹ років.

Вже перші дослідники природної радіоактивності (П. та М. Кюрі, Е. Резерфорд) виявили, що радіоактивна речовина є джерелом трьох видів випромінювань: a-, b- і g -променів.

8.3.2. a-промені являють собою потік ядер гелію ; a-розпад відбувається за схемою

. (8.19)

Індекси дочірнього ядра встановлюються на основі законів збереження зарядового і масового чисел: зарядове чи масове число до реакції рівне сумі відповідних чисел після реакції. Звідси випливають так звані правила зміщення; зокрема, при a-розпаді Z дочірнього ядра на 2, а А на 4 менші, ніж у материнського ядра; наприклад,

.

Енергія реакції a-розпаду визначається на основі формули (8.7), де дефект маси реакції

. (8.20)

Ця енергія виділяється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції і розподіляється між a-частинкою і дочірнім ядром у відношенні обернено пропорційному до їх мас (це можна показати на основі законів збереження енергії та імпульсу).

Певний радіоактивний елемент випромінює a-частинки декількох чітко визначених груп. Це зумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати не тільки в основному стані 1, але і в збуджених станах 2,3,… (рис.8.4). За час існування збуджених станів t ~ (10^-8 – 10^-15) с дочірнє ядро переходить у більш низький чи нормальний стан, випромінюючи g-квант. Так виникають g-промені, які, звичайно, супроводжують a-розпад, хоча дочірнє ядро може звільнитись від надлишку енергії також іншими способами: випромінюючи яку-небудь частинку або іонізуючи атом (процес внутрішньої конверсії).

Процес a-розпаду не можна пояснити на основі класичної механіки. Досліди показують, що з радіоактивних ядер випромінюються a-частинки з енергією ~6 МеВ. В той же час a-частинки з енергією ~8 МеВ не проникають в ядро. Ядро для a-частинки є потенціальним бар’єром, висота якого U₀ більша від енергії a-частинки Е (рис. 8.5). Внутрішня сторона бар’єру зумовлена ядерними силами притягання, зовнішня – силами кулонівського відштовхування. Явище стає зрозумілим на основі квантової механіки: a-частинка виникає в момент радіоактивного розпаду ядра і долає бар’єр ядра за допомогою тунельного ефекту (для мікрочастинки існує відмінна від нуля ймовірність проникнути через бар’єр з енергією меншою від висоти бар’єру; Г. Гамов, 1928 р.).

Теорія a-розпаду, що спирається на явище тунельного ефекту, підтверджує емпіричний закон Гейгера-Неттола

, (8.21)

де А і В – константи, l – стала розпаду, R – пробіг a-часинки, який, очевидно, пропорційний до її енергії E. Цей закон показує, що менш стабільні ядра дійсно випромінюють a-частинки з більшою енергією.

8.3.3.Існує три типи b-розпаду: b ^–-розпад (ядро випромінює електрон ), b ⁺-розпад (ядро випромінює позитрон ) і так зване електронне захоплення (ядро поглинає один з електронів К–, рідше L–, чи М– шару свого атома). b ^– розпад відбувається за схемою

, (8.22)

з якої випливає, що при b ^–-розпаді масове число дочірнього ядра не змінюється, а зарядове число змінюється на одиницю; наприклад, . Як і при a-розпаді, енергія реакції b-розпаду визначається за дефектом мас реакції і лежить в межах від десятків кеВ до десятків МеВ.

Пояснення b ^–-розпаду зустрілось з труднощами:

1. незрозумілим було походження електрона (електронів у ядрах немає);

2. незрозумілим був неперервний характер b ^–-спектрів ядер (мал.8.6);

3. було незрозуміло, чому при b-розпаді не змінюється спін ядра.

Ці труднощі усунули В. Паулі та Е. Фермі (1930–1934 рр.). Вони висунули гіпотезу, що електрон при b ^–-розпаді виникає в ядрі разом з антинейтрино за рахунок процесу перетворення нейтрона в протон:

. (8.23)

Антинейтрино, практично, не має маси і електричного заряду, його спін . Процес (8.23) можливий енергетично, бо ; він пояснює походження електрона при b ^–-розпаді, а також – незмінність масового числа і зростання зарядового числа дочірнього ядра на одиницю (протон залишається в ядрі). Виліт з ядра двох партнерів (електрона і антинейтрино), спіни яких компенсуються, усуває трудність зі спіном при b-розпаді, а також пояснює неперервний характер b ^–-спектру, бо максимальна енергія b ^–-розпаду E_max розподіляється між двома партнерами випадково. Походження g-променів, що супроводжують b ^–-розпад – таке ж, як і при a-розпаді: дочірнє ядро може виникати у збуджених станах, випромінюючи g-кванти при переходах у більш низькі стани.

b ⁺-розпад відбувається за схемою

, (8.24)

наприклад, . Він супроводжується випромінюванням позитрона і нейтрино , які є античастинками, відповідно, для електрона і антинейтрино . Цей вид b-розпаду має місце для штучно-радіоактивних ядер, які мають надлишок протонів над нейтронами. Його можна пояснити за рахунок процесу перетворення протона в нейтрон:

. (8.25)

Для вільного протона цей процес неможливий, бо ; в ядрі ж протон може запозичити потрібну енергію від інших нуклонів ядра.

Реакція електронного захоплення має вигляд

, (8.26)

що можна пояснити перетворенням протона в нейтрон:

. (8.27)

Захоплення електрона ядром супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, яке зумовлене перебудовою електронної оболонки атома внаслідок виникнення електронної вакансії у ній. По цьому випромінюванню Л. Альверс і відкрив К-захоплення, у 1937 р. Прикладом цього процесу може бути перетворення калію в аргон:

Суттєва для пояснення b-розпаду гіпотеза нейтрино Паулі-Фермі стала початком вивчення так званої слабкої взаємодії, відповідальної за ряд перетворень елементарних часток. Ця гіпотеза була підтверджена експериментально у 1956 році Ф. Райнісом і К. Коуеном. При роботі на реакторі, що давав потужний потік нейтронів (і антинейтрино), їм вдалося підтвердити реакцію

, (8.28)

яка, фактично, є оберненням реакції (8.23).

У цьому ж році Р. Девіс підтвердив також існування електронного нейтрино . Пізніше було виявлено й інші типи нейтрино і антинейтрино: м’юонне ( ) і таонне ( ); вони з’являються в процесах взаємодії з м’юонами і – лептонами. Доведено, що – різні частинки, як і їх античастинки .

8.3.4. Важливим для практичних застосувань радіоактивності є поняття активності. Під активністю радіоактивного зразка розуміють число розпадів, які відбуваються в ньому за одиницю часу,

. (8.29)

З (8.13) випливає, що

, (8.30)

тобто активність змінюється з часом за законом

, (8.31)

де – активність при . Одиницею активності в СІ є 1 бекерель [Бк], що відповідає одному розпадові за секунду. Позасистемними одиницями активності є 1 кюрі [Кі] та 1 резерфорд [Рд]; 1 Кі = 3,7×10¹⁰ Бк, 1 Рд = 10⁶ Бк.

За відомою активністю може бути розрахована експозиційна, поглинута та еквівалентна доза радіації і потужність дози (доза, віднесена до часу опромінення).

Експозиційна доза Д_експ є мірою іонізації повітря рентгенівським або g-випромінюванням. Вона чисельно рівна відношенню сумарного заряду всіх іонів одного знаку DQ, створених в елементарному об’ємі повітря вторинними частинками при їх повному гальмуванні, до маси Dm повітря в цьому об’ємі . Одиницею експозиційної дози є , позасистемною одиницею – рентген [Р]; . 1 Р відповідає утворенню 2,08×10⁹ пар іонів в 1 см^-3 повітря при нормальних умовах, на це потрібно затратити енергію .

Поглинута доза Д_погл визначається відношенням енергії DE, переданої іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об’ємі, до маси речовини в цьому об’ємі . Одиницею поглинутої дози є грей [Гр]; . Позасистемною одиницею поглинутої дози є рад; .

Біологічна дія радіації суттєво залежить від природи проникаючого випромінювання. Для характеристики цього вводиться коефіцієнт якості випромінювання k .

Таблиця 1.

Еквівалентна доза Д_екв визначається як добуток поглинутої дози Д_погл на коефіцієнт якості випромінювання k, тобто Д_екв = k×Д_погл. Одиницею еквівалентної дози є зіверт [Зв], що відповідає поглинутій дозі в 1 Гр при k = 1. Позасистемною одиницею є бер, що відповідає поглинутій дозі в 1 рад при k = 1; .

Для вимірювання доз радіації в дозиметрії використовуються прилади різних типів – дозиметри. Природні джерела радіації створюють на території України потужність еквівалентної дози ~ 40 – 200 мБер/рік. Еквівалентна доза в 4 – 5 Зв, отримана людиною за короткий проміжок часу, може призвести до смерті. Така ж доза, отримана протягом усього життя людини, не викликає помітних змін.