Радиоактивность. Характеристики радиоактивных излучений

и потоков частиц

Единственным реально используемым в информационных методах свойством, проявляющимся без какого-либо воздействия извне, является радиоактивность.

Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер атомов, протекающий с определѐнной вероятностью, характерной для данного радионуклида.

Ядро становится неустойчивым и самопроизвольно распадается при отклонении от соотношения, связывающего атомный номер элемента Z с его массовым числом A: Z=A/(1,98+A^2/3), что, как правило, характерно для тяжѐлых элементов. Этот процесс называется радиоактивным распадом, а элементы с неустойчивыми ядрами – радиоактивными. Различают естественные, встречающиеся в природе, и искусственные (продукты ядерных реакций) радиоактивные элементы.

Известны следующие основные типы радиоактивных превращений: альфа-распад, бета-распад (электронный и позитронный распады, электронный захват), спонтанное деление ядер (имеет подчинѐнное значение и возможно лишь у тяжѐлых ядер). Для естественных радиоактивных элементов в равной мере характерен α-распад и электронный β-распад, для искусственных характерны β-превращения, включая и электронный захват.

И альфа- и бета-распады сопровождаются гамма-излучением.

В табл. 6.1 приведена характеристика различных радиоактивных превращений. Радиоактивный распад протекает с изменением состава и энергетического состояния ядра.

Альфа-распад – это вылет α-частицы (⁴₂ He), сопровождающийся уменьшением заряда ядра Z на две единицы по сравнению с материнским нуклидом. При таком распаде ядра испускают коротковолновое (от десятков до первых сотен кэВ) электромагнитное γ-излучение сравнительно небольшой интенсивности. Начальная кинетическая энергия α-частицы, образовавшейся при распаде ядра при движении еѐ в веществе, вызывает сильную ионизацию атома. Поэтому еѐ проникающая способность весьма низка (десятки микрон).

Электронный бета-распад возникает в результате внутриядерного превращения нейтрона в протон, при этом испускается быстрый электрон и антинейтрино.

Если распад позитронный, протон превращается в нейтрон с испусканием положительно заряженного позитрона и нейтрино, порядковый номер элемента уменьшается на единицу.

Энергетический спектр β-частиц непрерывный, максимум кривой распределения энергий β-частиц приходится в среднем на энергию, равную 28 % от максимального уровня энергии β-частиц. При переходе дочерних ядер

бета-распада с промежуточных энергетических уровней на основной испускаются γ-кванты с энергией от десятков до тысяч кэВ. Среди естественных радионуклидов основными излучателями γ-квантов являются именно β-излучатели.

При недостатке нейтронов в ядре протон может превратиться в нейтрон в результате захвата электрона обычно с ближайшего к ядру K-уровня. Этот тип распада называют E-захватом. При восполнении образовавшейся вакансии на K-уровень переходит электрон с более высокого уровня, что сопровождается испусканием γ-кванта. Поскольку захват орбитального электрона происходит раньше, чем заполнение образовавшейся вакансии, то испускание γ-кванта относят к конечному ядру.

Длины волн γ-излучения естественных радионуклидов находятся в диапазоне 3,1·10^-11–4,7·10^-13 м, энергия квантов меняется в пределах

0,04-2,6 МэВ (1 МэВ=1,602·10^-13 Дж).

Спонтанное деление ядер возможно у естественно неустойчивых ядер, если Z²/A=50. При этом ядро самопроизвольно раскалывается на два разлетающихся осколка.

Продукты распада радиоактивных элементов также могут распадаться, образуя цепочки радиоактивных элементов, называемых семействами или рядами (урановый, ториевый, актиноурановый ряды).

Излучения и потоки элементарных частиц, испускаемые при самопроизвольном распаде ядер радиоактивных элементов и продуктов их распада, отличаются энергетическими спектрами и интенсивностью.

Естественной радиоактивностью обладают урановые, ториевые руды, а также руды, содержащие природные радиоактивные элементы, такие как

₁₉⁴⁰ K, ⁸⁷₃₇Rb, ¹⁴⁷₆₂Sm и др.

В табл. 6.2 приведены характеристики радиоактивных элементов земной коры.

Наибольший интерес для радиометрического обогащения представляют урановые и ториевые руды.

На рис. 6.1 и 6.2 приведены радионуклиды и спектры их излучения для уранового и ториевого рядов.

Рис. 6.1. Радионуклиды уранового ряда и их спектры излучения (²³⁸U – 99,28 % в природном U)

Рис. 6.2. Радионуклиды ториевого ряда и их спектры излучения

Таблица 6.2