Какие виды радиоактивного излучения проходящего через. Тема урока: «Радиоактивность

По радиоактивностью в физике понимают неустойчивость ядер ряда атомов, которая проявляется в их природной способности самопроизвольно распадаться. Этот процесс сопровождается испусканием ионизирующего излучения, которое называют радиацией. Энергия частиц ионизирующего излучения может быть очень велика. Посредством химических реакций радиацию вызвать нельзя.

Радиоактивные вещества и технические установки (ускорители, реакторы, оборудование для рентгеновских манипуляций) являются источниками радиации. Сама радиация существует только до момента поглощения в веществе.

Радиоактивность измеряется в беккерелях (Бк). Нередко используют другую единицу - кюри (Ки). Активность источника радиации характеризуется числом распадов в секунду.

Мерой ионизирующего воздействия излучения на вещество является экспозиционная доза, чаще всего она измеряется в рентгенах (Р). Один рентген - очень большая величина. Поэтому на практике чаще всего используют миллионные или тысячные доли рентгена. Излучение в критических дозах вполне может стать причиной лучевой болезни.

С понятием радиоактивности тесно связано понятие периода полураспада. Так называют время, за которое число радиоактивных ядер уменьшается вдвое. Каждый радионуклид (вид радиоактивного атома) имеет свой период полураспада. Он может быть равен секундам или миллиардам лет. Для целей научных исследований важен тот принцип, что период полураспада одного и того же радиоактивного вещества постоянен. Изменить его не получится.

Общие сведения о радиации. Виды радиоактивности

При синтезе вещества или его распаде идет выброс составляющих атом элементов: нейтронов, протонов, электронов, фотонов. Говорят при этом, что происходит излучение таких элементов. Подобное излучение называют ионизирующим (радиоактивным). Другое название этого явления - радиация.

Под радиацией понимают процесс, при котором веществом излучаются элементарные заряженные частицы. Вид радиации определяется теми элементами, которые излучаются.

Ионизацией именуют процесс образования заряженных ионов или электронов из нейтральных молекул или атомов.

Радиоактивное излучение делят на несколько видов, которые вызываются различными по своей природе микрочастицами. Частицы вещества, участвующие в излучении, обладают разным энергетическим воздействием, разной проникающей способностью. Разным будет и биологические действие радиации.

Когда говорят о видах радиоактивности, под ними понимают виды радиации. К ним в науке относят следующие группы:

• альфа-излучение;
• бета-излучение;
• нейтронное излучение;
• гамма-излучение;
• рентгеновское излучение.

Альфа-излучение

Этот вид радиации возникает в случае распада изотопов элементов, не отличающихся стабильностью. Так называют излучение тяжелых и положительно заряженных альфа-частиц. Ими являются ядра атомов гелия. Альфа-частицы могут получаться при распаде сложных ядер атомов:

• тория;
• урана;
• радия.

Альфа-частицы отличает большая масса. Скорость излучения этого вида относительно невысока: она в 15 раз ниже скорости света. При контакте с веществом тяжелые альфа-частицы входят в столкновение с его молекулами. Происходит взаимодействие. Однако частицы теряют энергию, поэтому их проникающая способность очень мала. Задержать альфа-частицы может простой лист бумаги.

И все же при взаимодействии с веществом альфа-частицы вызывают его ионизацию. Если речь идет о клетках живого организма, что альфа-излучение способно их повреждать, разрушая при этом ткани.

Альфа-излучение обладает наименьшей среди других видов ионизирующего излучения проникающей способностью. Однако последствия воздействия таких частиц на живую ткань считается самыми тяжелыми.

Получить дозу радиации данного вида живой организм может, если радиоактивные элементы попадут внутрь организма с пищей, воздухом, водой, через ранения или порезы. Когда радиоактивные элементы проникают внутрь организма, они посредством кровотока разносятся по всем его частям, накапливаются в тканях.

Определенные виды радиоактивных изотопов могут существовать продолжительное время. Поэтому при попадании в организм они могут вызывать в клеточных структурах очень серьезные изменения - вплоть до полного перерождения тканей.

Радиоактивные изотопы не могут выйти из организма сами. Нейтрализовать, усвоить, переработать или утилизировать такие изотопы организм не в состоянии.

Нейтронное излучение

Так называется техногенное излучение, которое возникает при атомных взрывах или в ядерных реакторах. Нейтронное излучение не обладает зарядом: Сталкиваясь с веществом, оно очень слабо взаимодействует с частями атома. Проникающая способность этого вида радиации высока. Остановить его могут материалы, в которых много водорода. Это может быть, в частности, емкость с водой. Нейтронное излучение также с трудом проникает через полиэтилен.

При прохождении сквозь биологические ткани нейтронное излучение способно причинить клеточным структурам очень серьезный ущерб. Оно обладает существенной массой, скорость его гораздо выше, чем у альфа-излучения.

Бета-излучение

Оно возникает в момент превращения одного элемента в другой. Процессы при этом идут в самом ядре атома, что приводит к изменениям в свойствах нейтронов и протонов. При данном виде излучения нейтрон превращается в протон или же протон в нейтрон. Процесс сопровождается излучением позитрона или электрона. Скорость бета-излучения близка к скорости света. Элементы, которые излучаются веществом, носят название бета-частиц.

За счет высокой скорости и малых размеров излучаемых частиц бета-излучение имеет высокую проникающую способность. Однако его способность ионизировать вещество в несколько раз меньше, чем у альфа-излучения.

Бета-излучение без всякого труда проникает сквозь одежду и в некоторой степени - через живые ткани. Но если частицы встречают на своем пути плотные структуры вещества (к примеру, металл), они начинают с ним взаимодействовать. При этом бета-частицы теряют часть своей энергии. Полностью остановить такое излучение способен металлический лист толщиной в несколько миллиметров.

Альфа-излучение опасно лишь при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом. А вот бета-излучение может нанести вред организму на расстоянии в несколько десятков метров от источника излучения. Когда радиоактивный изотоп оказывается внутри организма, он имеет тенденцию к накоплению в органах и тканях, повреждая их и вызывая существенные изменения.

Отдельные радиоактивные изотопы бета-излучения имеют продолжительный период распада: попав в организм, они вполне могут облучать его на протяжении ряда лет. Следствием этого может быть рак.

Гамма-излучение

Так называют энергетическое излучение электромагнитного типа, когда вещество испускает фотоны. Данное излучение сопровождает распад атомов вещества. Гамма-излучение проявляется в виде электромагнитной энергии (фотонов), которая высвобождается в ходе изменения состояния ядра атома. Гамма-излучение имеет скорость, равную скорости света.

Когда идет радиоактивный распад атома, из одного вещества образуется другое. Атомы получившихся веществ энергетически нестабильны, они находятся в так называемом возбужденном состоянии. Когда нейтроны и протоны воздействуют друг на друга, протоны и нейтроны приходят к состоянию, при котором силы взаимодействия становятся уравновешенными. Излишки энергии атом выбрасывает в виде гамма-излучения.

Проникающая способность его велика: гамма-излучение без труда проникает сквозь одежду и живые ткани. Но через металл ему пройти намного сложнее. Остановить такой вид радиации может толстый слой бетона или стали.

Главная опасность гамма-излучения в том, что оно способно преодолевать очень большие расстояния, оказывая при этом сильное воздействие на организм за сотни метров от источника излучения.

Рентгеновское излучение

Под ним понимают электромагнитное излучение, имеющее вид фотонов. Рентгеновское излучение возникает в случае перехода электрона с одной атомной орбиты на другую. По своим характеристикам такое излучение сходно с гамма-излучением. Но проникающая способность его не так велика, ведь длина волны в этом случае больше.

Одним из источников рентгеновского излучения является Солнце; однако атмосфера планеты дает достаточную защиту от этого воздействия.

Содержание статьи

РАДИОАКТИВНОСТЬ – превращение атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения. Отсюда и название явления: на латыни radio – излучаю, activus – действенный. Это слово ввела Мария Кюри (см . РАДИЙ). При распаде нестабильного ядра – радионуклида из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц высокой энергии. Поток этих частиц называют радиоактивным излучением или попросту радиацией.

Лучи Рентгена.

Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена . Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец 19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того «излучений». В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучению элементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик Джордж Джонстон Стони (1826–1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабре Вильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято предложение немецкого биолога Рудольфа Альберта фон Кёлликера (1817–1905) называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием. Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет – зеленую люминесценцию . Рентген обнаружил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: то в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый тетрацианоплатинатом бария Ba (раньше его называли платиносинеродистым барием). Это вещество дает яркую желто-зеленую люминесценцию под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску толщиной 3 см, через алюминиевую пластину толщиной 1,5 см... Рентген понял возможности своего открытия: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, – писал он, – то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование.

Открытие Рентгена мгновенно облетело весь мир и поразило не только специалистов. В канун 1896 в книжном магазине одного немецкого города была выставлена фотография кисти руки. На ней были видны кости живого человека, а на одном из пальцев – обручальное кольцо. Это была снятая в рентгеновских лучах фотография кисти жены Рентгена. Первое сообщение Рентгена О новом роде лучей было опубликовано в «Отчетах Вюрцбургского физико-медицинского общества» 28 декабря оно было немедленно переведено и опубликовано в разных странах, выходящий в Лондоне самый известный научный журнал «Nature» («Природа») опубликовал статью Рентгена 23 января 1896.

Новые лучи стали исследовать во всем мире, только за один год на эту тему было опубликовано свыше тысячи работ. Несложные по конструкции рентгеновские аппараты появились и в госпиталях: медицинское применение новых лучей было очевидным.

Сейчас рентгеновские лучи широко используются (и не только в медицинских целях) во всем мире.

Лучи Беккереля.

Открытие Рентгена вскоре привело к не менее выдающемуся открытию. Его сделал в 1896 французский физик Антуан Анри Беккерель . Он был 20 января 1896 на заседании Академии, на котором физик и философ Анри Пуанкаре рассказал об открытии Рентгена и продемонстрировал сделанные уже во Франции рентгеновские снимки руки человека. Пуанкаре не ограничился рассказом о новых лучах. Он высказал предположение, что эти лучи связаны с люминесценцией и, возможно, всегда возникают одновременно с этим видом свечения, так что, вероятно, можно обойтись и без катодных лучей. Свечение веществ под действием ультрафиолета – флуоресценция или фосфоресценция (в 19 в. не было строгого разграничения этих понятий) было знакомо Беккерелю: ею занимались и его отец Александр Эдмонд Беккерель (1820–1891), и дед Антуан Сезар Беккерель (1788–1878) – оба физики; физиком стал и сын Антуана Анри Беккереля – Жак, который «по наследству» принял кафедру физики при парижском Музее естественной истории, эту кафедру Беккерели возглавляли 110 лет, с 1838 по 1948.

Беккерель решил проверить, связаны ли лучи Рентгена с флуоресценцией. Яркой желто-зеленой флуоресценцией обладают некоторые соли урана, например, уранилнитрат UO 2 (NO 3) 2 . Такие вещества были в лаборатории Беккереля, где работал. С препаратами урана работал еще его отец, который показал, что после прекращения действия солнечного света их свечение исчезает очень быстро – менее чем за сотую долю секунды. Однако никто не проверял, сопровождается ли это свечение испусканием каких-то других лучей, способных проходить сквозь непрозрачные материалы, как это было у Рентгена. Именно это после доклада Пуанкаре решил проверить Беккерель. 24 февраля 1896 на еженедельном заседании Академии он рассказал, что беря фотопластинку, завернутую в два слоя плотной черной бумаги, кладя на нее кристаллы двойного сульфата калия-уранила K 2 UO 2 (SO 4)2·2H2O и выставляя все это на несколько часов на солнечный свет, то после проявления фотопластинки на ней можно видеть несколько размытый контур кристаллов. Если между пластинкой и кристаллами поместить монету или вырезанную из жести фигуру, то после проявления на пластинке появляется четкое изображение этих предметов.

Все это могло свидетельствовать о связи флуоресценции и рентгеновского излучения. Недавно открытые Х-лучи можно получать намного проще – без катодных лучей и необходимых для этого вакуумной трубки и высокого напряжения, но надо было проверить, не оказывается ли, что урановая соль, нагреваясь на солнце, выделяет какой-то газ, который проникает под черную бумагу и действует на фотоэмульсию Чтобы исключить эту возможность, Беккерель проложил между урановой солью и фотопластинкой лист стекла – она все равно засветилась. «Отсюда, – заключил свое краткое сообщение Беккерель, – можно сделать вывод о том, что светящаяся соль испускает лучи, которые проникают через не прозрачную для света черную бумагу и восстанавливают серебряные соли в фотопластинке». Как будто Пуанкаре оказался прав и Х-лучи Рентгена можно получить совсем другим способом.

Беккерель начал ставить множество опытов, чтобы лучше понять условия, при которых появляются лучи, засвечивающие фотопластинку, и исследовать свойства этих лучей. Он помещал между кристаллами и фотопластинкой разные вещества – бумагу, стекло, пластинки алюминия, меди, свинца разной толщины. Результаты получались те же, что и у Рентгена, что также могло служить доводом в пользу сходства обоих излучений. Помимо прямого солнечного света Беккерель освещал соль урана светом, отраженным зеркалом или преломленным призмой. Он получил, что результаты всех прежних опытов никак не были связаны с солнцем; имело значение лишь то, как долго урановая соль находилась вблизи фотопластинки. На следующий день Беккерель доложил об этом на заседании Академии, но вывод он, как потом выяснилось, сделал неверный: он решил, что соль урана, хотя бы раз «заряженная» на свету, способна потом сама длительное время испускать невидимые проникающие лучи.

Беккерель до конца года он опубликовал на эту тему девять статей, в одной из них он писал: «Разные соли урана были помещены в толстостенный свинцовый ящик... Защищенные от действия любых известных излучений, эти вещества продолжали испускать лучи, проходящие через стекло и черную бумагу..., через восемь месяцев».

Эти лучи исходили от любых соединений урана, даже от тех, которые не светятся на солнце. Еще более сильным (примерно в 3,5 раза) оказалось излучение металлического урана. Стало очевидным, что излучение хотя и похоже по некоторым проявлениям на рентгеновское, но обладает большей проникающей способностью и как-то связано с ураном, так что Беккерель стал называть его «урановыми лучами».

Беккерель обнаружил также, что «урановые лучи» ионизируют воздух, делая его проводником электричества. Практически одновременно, в ноябре 1896, английские физики Дж. Дж.Томсон и Эрнест Резерфорд (обнаружили ионизацию воздуха и под действием рентгеновских лучей. Для измерения интенсивности излучения Беккерель использовал электроскоп, в котором легчайшие золотые листочки, подвешенные за концы и заряженные электростатически, отталкиваются и их свободные концы расходятся. Если воздух проводит ток, заряд с листочков стекает и они опадают – тем быстрее, чем выше электропроводность воздуха и, следовательно, больше интенсивность излучения.

Оставался вопрос, каким образом вещество испускает непрерывное и не ослабевающее в течение многих месяцев излучение без подвода энергии от внешнего источника Сам Беккерель писал, что не в состоянии понять, откуда уран получает энергию, которую он непрерывно излучает. По этому поводу выдвигались самые разные гипотезы, иногда довольно фантастические. Например, английский химик и физик Уильям Рамзай писал:»… физики недоумевали, откуда мог бы взяться неисчерпаемый запас энергии в солях урана. Лорд Кельвин склонялся к предположению, что уран служит своего рода западней, которая улавливает ничем другим не обнаруживаемую лучистую энергию, доходящую до нас через пространство, и превращает ее в такую форму, в виде которой она делается способной производить химические действия».

Беккерель не мог ни принять эту гипотезу, ни придумать что-то более правдоподобное, ни отказаться от принципа сохранения энергии. Кончилось тем, что он вообще на некоторое время бросил работу с ураном и занялся расщеплением спектральных линий в магнитном поле. Этот эффект был обнаружен почти одновременно с открытием Беккереля молодым голландским физиком Питером Зееманом и объяснен другим голландцем – Хендриком Антоном Лоренцем .

На этом закончился первый этап исследования радиоактивности. Альберт Эйнштейн сравнил открытие радиоактивности с открытием огня, так как считал, что и огонь и радиоактивность – одинаково крупные вехи в истории цивилизации.

Виды радиоактивных излучений.

Когда в руках исследователей появились мощные источники радиации, в миллионы раз более сильные, чем уран (это были препараты радия, полония , актиния), можно было более подробно ознакомиться со свойствами радиоактивного излучения. В первых исследованиях на эту тему самое активное участие приняли Эрнест Резерфорд супруги Мария и Пьер Кюри, А.Беккерель, многие другие. Прежде всего, была изучена проникающая способность лучей, а также действие на излучение магнитного поля. Оказалось, что излучение неоднородно, а представляет собой смесь «лучей». Пьер Кюри обнаружил, что при действии магнитного поля на излучение радия одни лучи отклоняются, а другие нет. Было известно, что магнитное поле отклоняет только заряженные летящие частицы, причем положительные и отрицательные в разные стороны. По направлению отклонения убедились в том, что отклоняемые b -лучи заряжены отрицательно. Дальнейшие опыты показали, что между катодными и b -лучами нет принципиальной разницы, откуда следовало, что они представляют собой поток электронов.

Отклоняющиеся лучи обладали более сильной способностью проникать через различные материалы, тогда как неотклоняющиеся легко поглощались даже тонкой алюминиевой фольгой – так вело себя, например, излучение нового элемента полония – его излучение не проникало даже сквозь картонные стенки коробки, в которой хранился препарат.

При использовании более сильных магнитов оказалось, что a -лучи тоже отклоняются, только значительно слабее, чем b -лучи, причем в другую сторону. Отсюда следовало, что они заряжены положительно и имеют значительно бóльшую массу (как потом выяснили, масса a -частиц в 7740 раз больше массы электрона). Впервые это явление обнаружили в 1899 А.Беккерель и Ф.Гизель. В дальнейшем выяснилось, что a -частицы представляют собой ядра атомов гелия (нуклид 4 Не) с зарядом +2 и массой 4 у.е. (см . УГЛЕРОДНАЯ ЕДИНИЦА.). Когда же в 1900 французский физик Поль Вийар (1860–1934) исследовал более подробно отклонение a - и b -лучей, он обнаружил в излучении радия и третий вид лучей, не отклоняющихся в самых сильных магнитных полях, это открытие вскоре подтвердил и Беккерель. Этот вид излучения, по аналогии с альфа- и бета-лучами, был назван гамма-лучами, обозначение разных излучений первыми буквами греческого алфавита предложил Резерфорд. Гамма-лучи оказались сходными с лучами Рентгена, т.е. они представляют собой электромагнитное излучение, но с более короткими длинами волн и соответственно с большей энергией. Все эти виды радиации описала М.Кюри (см . РАДИЙ) в своей монографии «Радий и радиоактивность» (опубликована в Париже в 1904, русский перевод – 1905). Вместо магнитного поля для «расщепления» радиации можно использовать электрическое поле, только заряженные частицы в нем будут отклоняться не перпендикулярно силовым линиям, а вдоль них – по направлению к отклоняющим пластинам.

Долгое время было неясно, откуда берутся все эти лучи. В течение нескольких десятилетий трудами многих физиков была выяснена природа радиоактивного излучения и его свойства, были открыты новые типы радиоактивности.

Альфа-лучи испускают, главным образом, ядра самых тяжелых и потому менее стабильных атомов (в периодической таблице они расположены после свинца). Эти высокоэнергетичные частицы. Обычно наблюдается несколько групп a -частиц, каждая из которых имеет строго определенную энергию. Так, почти все a -частицы, вылетающие из ядер 226 Ra, обладают энергией в 4,78 МэВ (мегаэлектрон-вольт) и небольшая доля a -частиц энергией в 4,60 МэВ. Другой изотоп радия – 221 Ra испускает четыре группы a -частиц с энергиями 6,76, 6,67, 6,61 и 6,59 МэВ. Это свидетельствует о наличии в ядрах нескольких энергетических уровней, их разность соответствует энергии излучаемых ядром g -квантов. Известны и «чистые» альфа-излучатели (например, 222 Rn).

По формуле E = mu 2 /2 можно подсчитать скорость a -частиц с определенной энергией. Например, 1 моль a -частиц с Е = 4,78 МэВ имеет энергию (в единицах СИ) Е = 4,78·10 6 эВ ґ 96500 Дж/(эВ·моль) = 4,61·10 11 Дж/моль и массу m = 0,004 кг/моль, откуда u » 15200 км/с, что в десятки тысяч раз больше скорости пистолетной пули. Альфа-частицы обладают самым сильным ионизирующим действием: сталкиваясь с любыми другими атомами в газе, жидкости или твердом теле, они «обдирают» с них электроны, создавая заряженные частицы. При этом a -частицы очень быстро теряют энергию: они задерживаются даже листом бумаги. В воздухе a -излучение радия проходит всего 3,3 см, a -излучение тория – 2,6 см и т.д. В конечном счете потерявшая кинетическую энергию a -частица захватывает два электрона и превращается в атом гелия. Первый потенциал ионизации атома гелия (He – e ® He +) составляет 24,6 эВ, второй (He + – e ® He +2) – 54,4 эВ, это намного больше, чем у любых других атомов. При захвате электронов a -частицами выделяется огромная энергия (более 7600 кДж/моль), поэтому ни один атом, кроме атомов самого гелия, не в состоянии удержать свои электроны, если по соседству окажется a -частица.

Очень большая кинетическая энергия a -частиц позволяет «увидеть» их невооруженным глазом (или с помощью обычной лупы), впервые это продемонстрировал в 1903 английский физик и химик Уильям Крукс (1832 – 1919. Он приклеил на кончик иглы еле видимую глазом крупинку радиевой соли и укрепил иглу в широкой стеклянной трубке. На одном конце этой трубки, недалеко от кончика иглы, помещалась пластинка, покрытая слоем люминофора (им служил сульфид цинка), а на другом конце было увеличительное стекло. Если в темноте рассматривать люминофор, то видно: все поле зрения усеяно вспыхивающими и сейчас же гаснущими искрами. Каждая искра – это результат удара одной a -частицы. Крукс назвал этот прибор спинтарископом (от греч. spintharis – искра и skopeo – смотрю, наблюдаю). С помощью этого простого метода подсчета a -частиц был выполнен ряд исследований, например, этим способом можно было довольно точно определить постоянную Авогадро (см . АВОГАДРО ЗАКОН).

В ядре протоны и нейтроны удерживаются вместе ядерными силами, Поэтому было непонятно, каким образом альфа-частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов, может покинуть ядро. Ответ дал в 1928 американский физик (эмигрировавший в 1933 из СССР)Джордж (Георгий Антонович) Гамов). По законам квантовой механики a -частицы, как и любые частицы малой массы, обладают волновой природой и потому у них есть некоторая небольшая вероятность оказаться вне ядра, на небольшом (примерно 6· 10 –12 см) расстоянии от него. Как только это происходит, на частицу начинает действовать с кулоновское отталкивание от очень близко находящегося положительно заряженного ядра.

Альфа-распаду подвержены, основном, тяжелые ядра – их известно более 200, a -частицы испускаются большинством изотопов элементов, следующих за висмутом. Известны ти более легкие альфа-излучатели, в основном, это атомы редкоземельных элементов. Но почему из ядра вылетают именно альфа-частицы, а не отдельные протоны? Качественно это объясняется энергетическим выигрышем при a -распаде (a -частицы – ядра гелия устойчивы). Количественная же теория a -распада была создана лишь в 1980-х, в ее разработке принимали участие и отечественные физики,в их числе Лев Давидович Ландау , Аркадий Бейнусович Мигдал (1911–1991), заведующий кафедрой ядерной физики Воронежского университета Станислав Георгиевич Кадменский с сотрудниками.

Вылет из ядра a -частицы приводит к ядру другого химического элемента, который смещен в периодической таблице на две клетки влево. В качестве примера можно привести превращения семи изотопов полония (заряд ядра 84) в разные изотопы свинца (заряд ядра 82): 218 Po ® 214 Pb, 214 Po ® 210 Pb, 210 Po ® 206 Pb, 211 Po ® 207 Pb, 215 Po ® 211 Pb, 212 Po ® 208 Pb, 216 Po ® 212 Pb. Изотопы свинца 206 Pb 207 Pb и 208 Pb стабильны, остальные радиоактивны.

Бета-распад.

Бета-распад наблюдается как у тяжелых, так и у легких ядер, например, у трития . Эти легкие частицы (быстрые электроны) обладают более высокой проникающей способностью. Так, в воздухе b -частицы могут пролететь несколько десятков сантиметров, в жидких и твердых веществах – от долей миллиметра до примерно 1 см. В отличие от a -частиц, энергетический спектр b -лучей не дискретный. Энергия вылетающих из ядра электронов может меняться почти от нуля до некоторого максимального значения, характерного для данного радионуклида. Обычно средняя энергия b -частиц намного меньше, чем у a -частиц; например, энергия b -излучения 228 Ra составляет 0,04 МэВ. Но бывают и исключения; так b -излучение короткоживущего нуклида 11 Ве несет энергию 11,5 МэВ. Долго было неясно, каким образом из одинаковых атомов одного и того же элемента вылетают частицы с разной скоростью. Когда же стало известно понятно строение атома и атомного ядра, появилась новая загадка: откуда вообще берутся вылетающие из ядра b -частицы – ведь в ядре никаких электронов нет. После того как в 1932 английский физик Джеймс Чедвиком открыл нейтрон, отечественные физики Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904–1994) и Игорь Евгеньевич Тамм и независимо немецкий физик Вернер Гейзенберг предположили, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. В таком случае b -частицы должны образоваться в результате внутриядерного процесса превращения нейтрона в протон и электрон: n ® p + e. Масса нейтрона немного превышает суммарную массу протона и электрона, избыток массы, в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc 2 , дает кинетическую энергию вылетающего из ядра электрона, поэтому b -распад наблюдается, в основном, у ядер с избыточным числом нейтронов. Например, нуклид 226 Ra – a -излучатель, а все более тяжелые изотопы радия (227 Ra, 228 Ra, 229 Ra и 230 Ra) – b -излучатели.

Оставалось выяснить, почему b -частицы, в отличие от a -частиц, имеют сплошной спектр энергии, это означало, что одни из них обладают очень малой энергией, а другие – очень большой (и при этом движутся со скоростью, близкую к скорости света). Более того, суммарная энергия всех этих электронов (она была измерена с помощью калориметра) оказалась меньше, чем разность энергии исходного ядра и продукта его распада. Снова физики с толкнулись с «нарушением» закона сохранения энергии: часть энергии исходного ядра непонятно куда исчезала. Незыблемый физический закон «спас» в 1931 швейцарский физик Вольфганг Паули , который предположил, что при b -распаде из ядра вылетают две частицы: электрон и гипотетическая нейтральная частица – нейтрино с почти нулевой массой, которая и уносит избыток энергии. Непрерывный спектр b -излучения объясняется распределением энергии между электронами и этой частицей. Нейтрино (как потом оказалось, при b -распаде образуется так называемое электронное антинейтрино ) очень слабо взаимодействует с веществом (например, легко пронзает по диаметру земной шар и даже огромную звезду) и потому долго не обнаруживалось – экспериментально свободные нейтрино были зарегистрированы только в 1956 г. Таким образом, уточненная схема бета-распада такова: n ® p + . Количественную теорию b -распада на основе представлений Паули о нейтрино разработал в 1933 итальянский физик Энрико Ферми , он же предложил название нейтрино (по-итальянски «нейтрончик»).

Превращение нейтрона в протон при b -распаде практически не изменяет массу нуклида, но увеличивает заряд ядра на единицу. Следовательно, образуется новый элемент, смещенный в периодической таблице на одну клетку вправо, например: ® , ® , получается стабильный нуклид (именно на этом примере Альварес открыл этот тип радиоактивности).

При К-захвате в электронной оболочке атома на место исчезнувшего электрона «спускается» электрон с более высокого энергетического уровня, излишек энергии либо выделяется в виде рентгеновского излучения, либо расходуется на вылет из атома более слабо связанных одного или нескольких электронов – так называемых оже-электронов, по имени французского физика Пьера Оже (1899–1993), открывшего этот эффект в 1923 (для выбивания внутренних электронов он использовал ионизирующее излучение).

В 1940 Георгий Николаевич Флеров (1913–1990) и Константин Антонович Петржак (1907–1998) на примере урана открыли самопроизвольное (спонтанное) деление, при котором нестабильное ядро распадается на два более легких ядра, массы которых различаются не очень сильно, например: ). Этот процесс сопровождается выделением огромной (по сравнению с химическими реакциями) энергии, что привело к созданию ядерного оружия и строительству АЭС.

В 1934 дочь Марии Кюри Ирэн Жолио-Кюри и ее муж Фредерик Жолио-Кюри открыли позитронный распад. В этом процессе один из протонов ядра превращается в нейтрон и антиэлектрон (позитрон) – частицу с той же массой, но положительно заряженную; одновременно из ядра вылетает нейтрино: p ® n + e + + 238. Масса ядра при этом не изменяется, а смещение происходит, отличие от b – -распада, влево, b +-распад характерен для ядер с избытком протонов (так называемые нейтронодефицитные ядра). Так, тяжелые изотопы кислорода 19 О, 20 О и 21 О b – -активны, а его легкие изотопы 14 О и 15 О b +-активны, например: 14 O ® 14 N + e + + 238. Как античастицы, позитроны сразу же уничтожаются (аннигилируют) при встрече с электронами с образованием двух g -квантов. Позитронный распад часто конкурирует с К-захватом.

В 1982 была открыта протонная радиоактивность: испускание ядром протона (это возможно лишь для некоторых искусственно полученных ядер, обладающих избыточной энергией). В 1960 физико-химик Виталий Иосифович Гольданский (1923–2001) теоретически предсказал двухпротонную радиоактивность: выбрасывание ядром двух протонов со спаренными спинами. Впервые она наблюдалась в 1970. Очень редко наблюдается и двухнейтронная радиоактивность (обнаружена в 1979).

В 1984 была открыта кластерная радиоактивность (от англ. cluster – гроздь, рой). При этом, в отличие от спонтанного деления, ядро распадается на осколки с сильно отличающимися массами, например, из тяжелого ядра вылетают ядра с массами от 14 до 34. Кластерный распад также наблюдается очень редко, и это в течение длительного времени затрудняло его обнаружение.

Некоторые ядра способны распадаться по разным направлениям. Например, 221 Rn на 80% распадается с испусканием b -частиц и на 20% – a -частиц, многие изотопы редкоземельных элементов (137 Pr, 141 Nd, 141 Pm, 142 Sm и др.) распадаются либо путем электронного захвата, либо с испусканием позитрона. Различные виды радиоактивных излучений часто (но не всегда) сопровождаются g -излучением. Происходит это потому, что образующееся ядро может обладать избыточной энергией, от которой оно освобождается путем испускания гамма-квантов. Энергия g -излучения лежит в широких пределах, так, при распаде 226 Ra она равна 0,186 МэВ, а при распаде 11 Ве достигает 8 МэВ.

Илья Леенсон

Литература:

Старосельская-Никитина О.А. История радиоактивности и возникновения ядерной физики . М., изд-во АН СССР, 1963
Кудрявцев Л.С. История физики , тт. 2, 3. М., Просвещение, 1956, 1971
Содди Ф. История атомной энергии . М., Атомиздат, 1979
Кадменский С.Г. Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения . «Соросовский образовательный журнал», 1999, № 11

Радиоактивное излучение (или ионизирующее) – это энергия, которая высвобождается атомами в форме частиц или волн электромагнитной природы. Человек подвергается такому воздействию как через природные, так и через антропогенные источники.

Полезные свойства излучения позволили успешно использовать его в промышленности, медицине, научных экспериментах и исследованиях, сельском хозяйстве и других областях. Однако с распространением применения этого явления возникла угроза здоровью людей. Малая доза радиоактивного облучения способна повысить риск приобретения серьёзных заболеваний.

Отличие радиации от радиоактивности

Радиация, в широком смысле, означает излучение, то есть распространение энергии в виде волн или частиц. Радиоактивные излучения делят на три вида:

• альфа-излучение – поток ядер гелия-4;
• бета-излучение – поток электронов;
• гамма-излучение – поток высокоэнергетических фотонов.

Характеристика радиоактивных излучений основана на их энергии, пропускных свойствах и виде испускаемых частиц.

Альфа-излучение, которое представляет собой поток корпускул с положительным зарядом, может быть задержано толщей воздуха или одеждой. Этот вид практически не проникает через кожный покров, но при попадании в организм, например, через порезы, очень опасен и пагубно действует на внутренние органы.

Бета-излучение обладает большей энергией – электроны движутся с высокой скоростью, а их размеры малы. Поэтому данный вид радиации проникает через тонкую одежду и кожу глубоко в ткани. Экранировать бета-излучение можно при помощи алюминиевого листа в несколько миллиметров или толстой деревянной доски.

Гамма-излучение – это высокоэнергетическое излучение электромагнитной природы, которое обладает сильной проникающей способностью. Для защиты от него нужно использовать толстый слой бетона или пластину из тяжёлых металлов таких, как платина и свинец.

Феномен радиоактивности был обнаружен в 1896 году. Открытие сделал французский физик Беккерель. Радиоактивность – способность предметов, соединений, элементов испускать ионизирующее изучение, то есть радиацию. Причина явления заключается в нестабильности атомного ядра, которое при распаде выделяет энергию. Существует три вида радиоактивности:

• естественная – характерна для тяжёлых элементов, порядковый номер которых больше 82;
• искусственная – инициируется специально с помощью ядерных реакций;
• наведённая – свойственна объектам, которые сами становятся источником радиации, если их сильно облучить.

Элементы, обладающие радиоактивностью, называют радионуклидами. Каждый из них характеризуется:

• периодом полураспада;
• видом испускаемой радиации;
• энергией радиации;
• и другими свойствами.

Источники радиации

Человеческий организм регулярно подвергается действию радиоактивного излучения. Приблизительно 80% ежегодно получаемого количества приходится на космические лучи. В воздухе, воде и почве содержатся 60 радиоактивных элементов, являющихся источниками естественной радиации. Основным природным источником излучения считается инертный газ радон, высвобождающийся из земли и горных пород. Радионуклиды также проникают в организм человека с пищей. Часть ионизирующего облучения, которому подвергаются люди, исходит от антропогенных источников, начиная от атомных генераторов электричества и ядерных реакторов до используемой для лечения и диагностики радиации. На сегодняшний день распространёнными искусственными источниками излучения являются:

• медицинское оборудование (основной антропогенный источник радиации);
• радиохимическая промышленность (добыча, обогащение ядерного топлива, переработка ядерных отходов и их восстановление);
• радионуклиды, применяющиеся в сельском хозяйстве, лёгкой промышленности;
• аварии на радиохимических предприятиях, ядерные взрывы, радиационные выбросы
• строительные материалы.

Радиационное облучение по способу проникновения в организм делится на два типа: внутреннее и внешнее. Последнее характерно для распылённых в воздухе радионуклидов (аэрозоль, пыль). Они попадают на кожу или одежду. В таком случае источники радиации можно удалить, смыв их. Внешнее же облучение вызывает ожоги слизистых оболочек и кожных покровов. При внутреннем типе радионуклид попадает в кровоток, например, введением в вену или через раны, и удаляется путём экскреции или с помощью терапии. Такое облучение провоцирует злокачественные опухоли.

Радиоактивный фон существенно зависит от географического положения – в некоторых регионах уровень радиации может превышать средний в сотни раз.

Влияние радиации на здоровье человека

Радиоактивное излучение из-за ионизирующего действия приводит к образованию в организме человека свободных радикалов – химически активных агрессивных молекул, которые вызывают повреждение клеток и их гибель.

Особенно чувствительны к ним клетки ЖКТ, половой и кроветворной систем. Радиоактивное облучение нарушает их работу и вызывает тошноту, рвоту, нарушение стула, температуру. Воздействуя на ткани глаза, оно может привести к лучевой катаракте. К последствиям ионизирующего излучения также относят такие повреждения, как склероз сосудов, ухудшение иммунитета, нарушение генетического аппарата.

Система передачи наследственных данных имеет тонкую организацию. Свободные радикалы и их производные способны нарушать структуру ДНК – носителя генетической информации. Это приводит к возникновению мутаций, которые сказываются на здоровье последующих поколений.

Характер воздействия радиоактивного излучения на организм определяется рядом факторов:

• вид излучения;
• интенсивность радиации;
• индивидуальные особенности организма.

Результаты радиоактивного излучения могут проявиться не сразу. Иногда его последствия становятся заметны через значительный промежуток времени. При этом большая однократная доза радиации более опасна, чем долговременное облучение малыми дозами.

Поглощённое количество радиации характеризуется величиной, называемой Зиверт (Зв).

• Нормальный радиационный фон не превышает 0,2 мЗв/ч, что соответствует 20 микрорентгенам в час. При рентгенографии зуба человек получает 0,1 мЗв.

• Смертельная разовая доза составляет 6-7 Зв.

Применение ионизирующих излучений

Радиоактивное излучение широко применяется в технике, медицине, науке, военной и атомной промышленности и других сферах человеческой деятельности. Явление лежит в основе таких устройств, как датчики задымления, генераторы электроэнергии, сигнализаторы обледенения, ионизаторы воздуха.

В медицине радиоактивное излучение используется в лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний. Ионизирующая радиация позволила создать радиофармацевтические препараты. С их помощью проводят диагностические обследования. На базе ионизирующего излучения устроены приборы для анализа состава соединений, стерилизации.

Открытие радиоактивного излучения было без преувеличения революционным – применение этого явления вывело человечество на новый уровень развития. Однако это также стало причиной возникновения угрозы экологии и здоровью людей. В связи с этим поддержание радиационной безопасности является важной задачей современности.

Радиоактивность - это способность атомов некоторых изотопов самопроизвольно распадаться, испуская излучение. Впервые такое излучение, испускаемое ураном, обнаружил Беккерель, поэтому вначале радиоактивные излучения называли лучами Беккереля. Основной вид радиоактивного распада - выбрасывание из ядра атома альфа-частицы - альфа-распад (см. Альфа-излучение) или бета-частицы - бета-распад (см. Бета-излучение).

При радиоактивном распаде исходный превращается в атом другого элемента. В результате выбрасывания из ядра атома альфа-частицы, представляющей собой совокупность двух протонов и двух нейтронов, массовое число образующегося атома (см.) уменьшается на четыре единицы, и он оказывается сдвинутым в таблице Д. И. Менделеева на две клетки влево, так как порядковый номер элемента в таблице равен числу протонов в ядре атома. При выбрасывании бета-частицы (электрон) происходит превращение в ядре одного нейтрона в протон, вследствие чего образующийся атом оказывается сдвинутым в таблице Д. И. Менделеева на одну клетку вправо. Масса его при этом почти не изменяется. Выбрасывание бета-частицы сопряжено обычно с (см.).

Распад любого радиоактивного изотопа происходит по следующему закону: число распадающихся в единицу времени атомов (n) пропорционально числу атомов (N), имеющихся в наличии в данный момент времени, т. е. n=λN; коэффициент λ, называется постоянной радиоактивного распада и связан с периодом полураспада изотопа (Т) соотношением λ= 0,693/T. Указанный закон распада приводит к тому, что за каждый отрезок времени, равный периоду полураспада Т, количество изотопа уменьшается вдвое. Если образующиеся в результате радиоактивного распада атомы оказываются тоже радиоактивными, то происходит их постепенное накопление, пока не установится радиоактивное равновесие между материнским и дочерним изотопами; при этом число атомов дочернего изотопа, образующихся в единицу времени, равно числу атомов, распадающихся за то же время.

Известно свыше 40 естественных радиоактивных изотопов. Большая часть их расположена в трех радиоактивных рядах (семействах): урана-радия, и актиния. Все указанные радиоактивные изотопы широко распространены в природе. Присутствие их в горных породах, водах, атмосфере, растительных и живых организмах обусловливает естественную или природную радиоактивность.

Кроме естественных радиоактивных изотопов, сейчас известно около тысячи искусственно радиоактивных. Получают их путем ядерных реакций, в основном в ядерных реакторах (см. ). Многие естественные и искусственно радиоактивные изотопы широко используются в медицине для лечения (см. Лучевая терапия) и особенно для диагностики заболеваний (см. ). См. также Излучения ионизирующие.

Радиоактивность (от лат. radius - луч и activus - действенный) - способность неустойчивых ядер атомов самопроизвольно превращаться в другие, более устойчивые или стабильные ядра. Такие превращения ядер называются радиоактивными, а сами ядра или соответствующие атомы - радиоактивными ядрами (атомами). При радиоактивных превращениях ядра испускают энергию либо в виде заряженных частиц, либо в виде гамма-квантов электромагнитного излучения или гамма-излучения.

Превращения, при которых ядро одного химического элемента превращается в ядро другого элемента с другим значением атомного номера, называют радиоактивным распадом. Радиоактивные изотопы (см.), образовавшиеся и существующие в природных условиях, называют естественно радиоактивными; такие же изотопы, полученные искусственным путем посредством ядерных реакций,- искусственно радиоактивными. Между естественно и искусственно радиоактивными изотопами нет принципиальной разницы, так как свойства ядер атомов и самих атомов определяются только составом и структурой ядра и не зависят от способа их образования.

Радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем (А. Н. Becquerel), который обнаружил излучение урана (см.), способное вызывать почернение фотоэмульсии и ионизировать воздух. Кюри-Склодовская (М. Curie-Sklodowska) первая измерила интенсивность излучения урана и одновременно с немецким ученым Шмидтом (G. С. Schmidt) обнаружила радиоактивность у тория (см.). Свойство изотопов самопроизвольно испускать невидимое излучение супруги Кюри назвали радиоактивностью. В июле 1898 г. они сообщили об открытии ими в урановой смоляной руде нового радиоактивного элемента полония (см.). В декабре 1898 г. совместно с Бемоном (G. Bemont) они открыли радий (см.).

После открытия радиоактивных элементов ряд авторов (Беккерель, супруги Кюри, Резерфорд и др.) установил, что эти элементы могут испускать три вида лучей, которые по-разному ведут себя в магнитном поле. По предложению Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) эти лучи были названы альфа- (см. Альфа-излучение), бета- (см. Бета-излучение) и гамма-лучами (см. Гамма-излучение). Альфа-лучи состоят из положительно заряженных альфа-частиц (дважды ионизированных атомов гелия Не4); бета-лучи- из отрицательно заряженных частиц малой массы - электронов; гамма-лучи по природе аналогичны рентгеновым лучам и представляют собой кванты электромагнитного излучения.

В 1902 г. Резерфорд и Содди (F. Soddy) объяснили явление радиоактивности самопроизвольным превращением атомов одного элемента в атомы другого элемента, происходящим по законам случайности и сопровождающимся выделением энергии в виде альфа-, бета-и гамма-лучей.

В 1910 г. М. Кюри-Склодовская вместе с Дебьерном (A. Debierne) получила чистый металлический радий и исследовала его радиоактивные свойства, в частности измерила постоянную распада радия. Вскоре был открыт ряд других радиоактивных элементов. Дебьерн и Гизель (F. Giesel) открыли актиний. Ган (О. Halm) открыл радиоторий и мезоторий, Болтвуд (В. В. Boltwood) открыл ионий, Ган и Майтнер (L. Meitner) открыли протактиний. Все изотопы этих элементов радиоактивны. В 1903 г. Пьер Кюри и Лаборд (С. A. Laborde) показали, что препарат радия имеет всегда повышенную температуру и что 1 г радия с продуктами его распада за 1 час выделяет около 140 ккал. В этом же году Рамзай (W. Ramsay) и Содди установили, что в запаянной ампуле с радием содержится газообразный гелий. Работами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Дебьерна и Гизеля было показано, что среди продуктов распада урана и тория имеются быстрораспадающиеся радиоактивные газы, названные эманациями радия, тория и актиния (радон, торон, актинон). Таким образом, было доказано, что при распаде атомы радия превращаются в атомы гелия и радона. Законы радиоактивных превращений одних элементов в другие при альфа- и бета-распадах (законы смещения) были впервые сформулированы Содди, Фаянсом (К. Fajans) и Расселлом (W. J. Russell).

Эти законы заключаются в следующем. При альфа-распаде всегда из исходного элемента получается другой, который расположен в периодической системе Д. И. Менделеева на две клетки левее исходного элемента (порядковый или атомный номер на 2 меньше исходного); при бета-распаде всегда из исходного элемента получается другой элемент, который расположен в периодической системе на одну клетку правее исходного элемента (атомный номер на единицу больше, чем у исходного элемента).

Изучение превращений радиоактивных элементов привело к открытию изотопов, т. е. атомов, которые обладают одинаковыми химическими свойствами и атомными номерами, но отличаются друг от друга по массе и по физическим свойствам, в частности по радиоактивным свойствам (типу излучения, скорости распада). Из большого количества открытых радиоактивных веществ новыми элементами оказались только радий (Ra), радон (Rn), полоний (Ро) и протактиний (Ра), а остальные - изотопами ранее известных урана (U), тория (Th), свинца (Pb), таллия (Tl) и висмута (Bi).

После открытия Резерфордом ядерной структуры атомов и доказательства, что именно ядро определяет все свойства атома, в частности структуру его электронных оболочек и его химические свойства (см. Атом, Ядро атомное), стало ясно, что радиоактивные превращения связаны с превращением атомных ядер. Дальнейшее изучение строения атомных ядер позволило полностью расшифровать механизм радиоактивных превращений.

Первое искусственное превращение ядер - ядерная реакция (см.) - было осуществлено Резерфордом в 1919 г. путем бомбардировки ядер атомов азота альфа-частицами полония. При этом ядра азота испускали протоны (см.) и превращались в ядра кислорода О17. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора бомбардируя альфа-частицами атомы Al. Ядра P30 в отличие от ядер естественно радиоактивных изотопов, при распаде испускали не электроны, а позитроны (см. Космическое излучение) и превращались в стабильные ядра кремния Si30. Таким образом, в 1934 г. были одновременно открыты искусственная радиоактивность и новый вид радиоактивного распада - позитронный распад, или β + -распад.

Супруги Жолио-Кюри высказали мысль о том, что все быстрые частицы (протоны, дейтоны, нейтроны) вызывают ядерные реакции и могут быть использованы для получения естественно радиоактивных изотопов. Ферми (Е. Fermi) с сотр., бомбардируя нейтронами различные элементы, получил радиоактивные изотопы почти всех химических элементов. В настоящее время при помощи ускоренных заряженных частиц (см. Ускорители заряженных частиц) и нейтронов осуществлено большое разнообразие ядерных реакций, в результате которых стало возможным получать любые радиоактивные изотопы.

В 1937 г. Альварес (L. Alvarez) открыл новый вид радиоактивного превращения - электронный захват. При электронном захвате ядро атома захватывает электрон с оболочки атома и превращается в ядро другого элемента. В 1939 г. Ган и Штрассманн (F. Strassmann) открыли деление ядра урана на более легкие ядра (осколки деления) при бомбардировке его нейтронами. В том же году Флеров и Петржак показали, что процесс деления ядер урана осуществляется и без внешнего воздействия, самопроизвольно. Тем самым они открыли новый вид радиоактивного превращения - самопроизвольное деление тяжелых ядер.

В настоящее время известны следующие виды радиоактивных превращений, совершающихся без внешних воздействий, самопроизвольно, в силу только внутренних причин, обусловленных структурой атомных ядер.

1. Альфа-распад . Ядро с атомным номером Z и массовым числом А испускает альфа-частицу - ядро гелия Не4- и превращается в другое ядро с Z меньшим на 2 единицы и А меньшим на 4 единицы, чем у исходного ядра. В общем виде альфа-распад записывается следующим образом:

Где X - исходное ядро, Y-ядро продукта распада.

2. Бета-распад бывает двух типов: электронный и позитронный, или β - - и β + -распад (см. Бета-излучение). При электронном распаде из ядра вылетают электрон и нейтрино и образуется новое ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z на единицу большим, нем у исходного ядра:

При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино и образуется новое ядро с тем же массовым числом, но с Z на единицу меньшим, чем у исходного ядра:

При бета-распаде в среднем 2/3 энергии ядра уносится частицами нейтрино (нейтральными частицами очень малой массы, очень слабо взаимодействующими с веществом).

3. Электронный захват (прежнее название К-захват). Ядро захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с К-оболочки, испускает нейтрино и превращается в новое ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z меньше на 1, чем у исходного ядра.

Превращение ядер при электронном захвате и позитронном распаде одинаковое, поэтому эти два вида распада наблюдаются одновременно для одних и тех же ядер, т. е. являются конкурирующими. Так как после захвата электрона с внутренней оболочки атома на его место переходит электрон с одной из более удаленных от ядра орбит, то электронный захват сопровождается всегда испусканием рентгеновского характеристического излучения.

4. Изомерный переход . После испускания альфа- или бета-частицы некоторые типы ядер находятся в возбужденном состоянии (состоянии с избыточной энергией) и испускают энергию возбуждения в виде гамма-квантов (см.Гамма-излучение). В этом случае при радиоактивном распаде ядро, кроме альфа- или бета-частиц, испускает также гамма-кванты. Так, ядра изотопа Sr90 испускают только β-частицы, ядра Na24 испускают, кроме β-частиц, также гамма-кванты. Большинство ядер находится в возбужденном состоянии очень малые промежутки времени, не поддающиеся измерению (менее 10 -9 сек.). Однако лишь относительно небольшое число ядер может находиться в возбужденном состоянии сравнительно большие промежутки времени - до нескольких месяцев. Такие ядра называются изомерами, а соответствующие переходы их из возбужденного состояния в нормальное, сопровождающиеся испусканием только гамма-квантов,- изомерными. При изомерных переходах А и Z ядра не изменяются. Радиоактивные ядра, испускающие только альфа- или бета-частицы, называются чистыми альфа- или бета-излучателями. Ядра, у которых альфа- или бета-распад сопровождается испусканием гамма-квантов, называются гамма-излучателями. Чистыми гамма-излучателями являются только ядра, находящиеся длительное время в возбужденном состоянии, т. е. претерпевающие изомерные переходы.

5. Самопроизвольное деление ядер . В результате деления из одного ядра образуется два более легких ядра - осколки деления. Так как одинаковые ядра могут делиться различным образом на два ядра, то в процессе деления образуется много различных пар более легких ядер с различными Z и А. При делении освобождаются нейтроны, в среднем 2-3 нейтрона на один акт деления ядра, и гамма-кванты. Все образующиеся при делении осколки являются неустойчивыми и претерпевают β - -распад. Вероятность деления является очень малой для урана, но возрастает с увеличением Z. Этим объясняется отсутствие на Земле более тяжелых, чем уран, ядер. В стабильных ядрах существует определенное соотношение между числом протонов и нейтронов, при котором ядро обладает наибольшей устойчивостью, т.е. наибольшей энергией связи частиц в ядре. Для легких и средних ядер наибольшей их устойчивости соответствует примерно равное содержание протонов и нейтронов. Для более тяжелых ядер наблюдается относительное увеличение числа нейтронов в устойчивых ядрах. При избытке в ядре протонов или нейтронов ядра со средним значением А являются неустойчивыми и претерпевают β - - или β + -распады, при которых происходит взаимное превращение нейтрона и протона. При избытке нейтронов (тяжелые изотопы) происходит превращение одного из нейтронов в протон с испусканием электрона и нейтрино:

При избытке протонов (легкие изотопы) происходит превращение одного из протонов в нейтрон с испусканием либо позитрона и нейтрино (β + -распад), либо только нейтрино (электронный захват):

Все тяжелые ядра с атомным номером больше, чему Pb82, являются неустойчивыми вследствие значительного количества протонов, отталкивающих друг друга. Цепочки последовательных альфа- и бета-распадов в этих ядрах происходят до тех пор, пока не образуются устойчивые ядра изотопов свинца. С улучшением экспериментальной техники у все большего количества ядер, считавшихся ранее стабильными, обнаруживают очень медленный радиоактивный распад. В настоящее время известно 20 радиоактивных изотопов с Z меньше 82.

В результате любых радиоактивных превращений количество атомов данного изотопа непрерывно уменьшается. Закон убывания с течением времени количества активных атомов (закон радиоактивного распада) является общим для всех видов превращений и всех изотопов. Он носит статистический характер (применим только для большого количества радиоактивных атомов) и заключается в следующем. Количество активных атомов данного изотопа, распадающихся за единицу времени ΔN/Δt, пропорционально количеству активных атомов N, т. е. за единицу времени распадается всегда одна и та же доля к активных атомов данного изотопа независимо от их количества. Величина к называется постоянной радиоактивного распада и представляет собой долю активных атомов, распадающихся за единицу времени, или относительную скорость распада. к измеряется в единицах, обратных единицам измерения времени, т. е. в сек.-1 (1/сек.), сутки-1, год-1 и т. п., для каждого радиоактивного изотопа имеет свое определенное значение, которое изменяется в очень широких пределах для различных изотопов. Величина, характеризующая абсолютную скорость распада, называется активностью данного изотопа или препарата. Активность 1 г вещества называется удельной активностью вещества.

Из закона радиоактивного распада следует, что убывание количества активных атомов N сначала происходит быстро, а затем все медленнее. Время, в течение которого количество активных атомов или активность данного изотопа уменьшается в два раза, называется периодом полураспада (Т) данного изотопа. Закон убывания N от времени t является экспоненциальным и имеет следующее аналитическое выражение: N=N0e-λt, где N0 - число активных атомов в момент начала отсчета времени (г=0), N - количество активных атомов спустя время t, е - основание натуральных логарифмов (число, равное 2,718...). Между постоянной распада к и периодом полураспада λ существует следующее соотношение: λТ-0,693. Отсюда

Периоды полураспада измеряются в сек., мин. и т. п. и для различных изотопов изменяются в очень широких пределах от малых долей секунды до 10+21 лет. Изотопы, обладающие большими λ и малыми Т, называются короткоживущими, изотопы с малыми λ и большими Т называются долгоживущими. Если активное вещество состоит из нескольких радиоактивных изотопов с различными периодами полураспада, генетически не связанных между собой, то с течением времени активность вещества также будет непрерывно уменьшаться и изотопный состав препарата будет все время изменяться: будет уменьшаться доля короткоживущих изотопов и возрастать доля долгоживущих изотопов. Через достаточно большой промежуток времени практически в препарате останется только самый долгоживущий изотоп. По кривым распада радиоактивных веществ, состоящих из одного или смеси изотопов, можно определить периоды полураспада отдельных изотопов и их относительные активности для любого момента времени.

Законы изменения активности генетически связанных изотопов качественно другие; они зависят от соотношения периодов их полураспада. Для двух генетически связанных изотопов с периодом Т1 для исходного изотопа и Т2 - продукта распада эти законы имеют наиболее простую форму. При T1>T2 активность исходного изотопа Q1 все время убывает по экспоненциальному закону с периодом полураспада Т1. Благодаря распаду ядер исходного изотопа будут образовываться ядра конечного изотопа и его активность Q2 будет возрастать. Спустя определенное время скорость распада ядер второго изотопа (станет близкой к скорости образования ядер этого изотопа из исходного (скорость распада исходного изотопа Q1) и эти скорости будут находиться в определенном и постоянном соотношении все дальнейшее время - наступает радиоактивное равновесие.

Активность исходного изотопа непрерывно убывает с периодом Т1, поэтому после достижения радиоактивного равновесия активность конечного изотопа Q2 и суммарная активность двух изотопов Q1+Q2 будут также убывать с периодом полураспада исходного изотопа Т1. При Т1>Т2 Q2=Q1. Если из исходного долгоживущего изотопа образуется последовательно несколько короткоживущих изотопов, как это имеет место в радиоактивном ряду урана и радия, то после достижения равновесия активности каждого короткоживущего изотопа становятся практически равными активности исходного изотопа. При этом общая активность равна сумме активностей всех короткоживущих продуктов распада и убывает с периодом: полураспада исходного долгоживущего изотопа, как и активность всех изотопов, находящихся в равновесии.

Радиоактивное равновесие достигается практически за время, равное 5-10 периодам полураспада того изотопа из продуктов распада, который имеет наибольший период полураспада. Если T1

К числу естественно радиоактивных изотопов относится около 40 изотопов периодической системы элементов с Z больше 82, которые образуют три последовательных ряда радиоактивных превращений: ряд урана (рис. 1), ряд тория (рис. 2) и ряд актиния (рис. 3). Путем последовательных альфа- и бета-распадов из исходных изотопов ряда получаются конечные устойчивые изотопы свинца.

Рис. 1. Ряд урана.


Рис. 2. Ряд тория.


Рис. 3. Ряд актиния.

Стрелками на рисунках указаны последовательные радиоактивные превращения с указанием типа распада и процента атомов, претерпевающих распад данного типа. Горизонтальными стрелками обозначены превращения, совершающиеся почти в 100% случаев, а наклонными - в незначительной части случаев. При обозначении изотопов указаны периоды их полураспада. В скобках даны прежние названия членов ряда, указывающие генетическую связь, без скобок - принятые в настоящее время обозначения изотопов, соответствующие их химической и физической природе. В рамки заключены долгоживущие изотопы, а в двойные рамки - конечные стабильные изотопы. Альфа-распад обычно сопровождается очень малоинтенсивным гамма-излучением, часть бета-излучателей испускает интенсивное гамма-излучение. Естественный фон обусловлен природной радиоактивностью-излучением и воздействием естественно радиоактивных изотопов, содержащихся на поверхности Земли, в биосфере и воздухе, и космическим излучением (см.). Кроме указанных изотопов, в различных веществах содержатся также изотоп К40 и около 20 других радиоактивных изотопов с очень большими периодами полураспада (от 109 до 1021 лет), вследствие чего их относительная активность очень мала по сравнению с активностью других изотопов.

Радиоактивные изотопы, содержащиеся в оболочке Земли, играли и играют исключительную роль в развитии нашей планеты, в частности в развитии и сохранении жизни, так как они компенсировали потери тепла, происходящие на Земле, и обеспечивали практическое постоянство температуры на планете в течение многих миллионов лет. Радиоактивные изотопы, подобно всем другим изотопам, содержатся в природе в основном в рассеянном состоянии и присутствуют во всех веществах, растительных и животных организмах.

Вследствие различия физико-химических свойств изотопов относительное содержание их в почвах и водах оказывается неодинаковым. Газообразные продукты распада урана, тория и актиния - торон, радон и актинон - из почвенных вод непрерывно поступают в воздух. Кроме этих газообразных продуктов, в воздухе содержатся также альфа- и бета-активные продукты распада радия, тория и актиния (в виде аэрозолей). Из почвы радиоактивные элементы, как и стабильные, вместе с почвенными водами поступают в растения, поэтому стебли и листья растений всегда содержат уран, радий, торий с продуктами их распада, калий и ряд других изотопов, хотя и в относительно малых концентрациях. В растениях и животных также присутствуют изотопы С14, Н3, Be7 и другие, которые образуются в воздухе под воздействием нейтронов космического излучения. Вследствие того что совершается непрерывный обмен между человеческим организмом и окружающей средой, все радиоактивные изотопы, содержащиеся в пищевых продуктах, воде и воздухе, содержатся и в организме. Изотопы находятся в организме в следующих дозах: в мягких тканях-31 мбэр/год, в костях-44мбэр/год. Доза от космического излучения составляет 80-90 мбэр/год, доза от внешнего гамма-излучения - 60-80 мбэр/год. Суммарная доза равна 140-200 мбэр/год. Доза, падающая на легкие, - 600-800 мбэр/год.

Искусственно радиоактивные изотопы получаются путем бомбардировки стабильных изотопов нейтронами или заряженными частицами в результате различных ядерных реакций, в качестве источников заряженных частиц используются различные типы ускорителей.

Об измерениях потоков и доз различных видов ионизирующих излучений - см. Дозиметрия, Дозы ионизирующих излучений, Нейтрон.

Вследствие того что большие дозы радиации вредно отражаются на здоровье людей, при работе с источниками излучений и радиоактивными изотопами применяются специальные меры защиты (см. ).

В медицине и биологии изотопы используют для изучения обмена веществ, в диагностических и терапевтических целях (см. ). Содержание радиоактивных изотопов в организме и динамику их обмена определяют при помощи счетчиков внешнего излучения от человека.

В $1896$ году Антуан Беккерель обнаружил неизвестное ранее излучение солей урана. Двумя годами позже Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, исследуя урановую руду, открыли новые элементы, которые назвали полонием и радием. Эти элементы давали более интенсивное излучение чем уран. При одинаковой массе интенсивность излучения была больше в ${10}^{10}$, а радия в $2\cdot {10}^7$ раз.

В это же время Э. Резерфорд, пропуская излучение через однородное магнитное поле, установил, что оно состоит с двух компонентов, частицы которых имеют разноименные заряды (на рис. Приведена схема опыта Резерфорда : 1 -- фотопластинка, 2 -- направление индукции магнитного поля, 3 -- свинцовый контейнер, 4 -- радиоактивное вещество, 5 -- отвод для вакуумного насоса). Компоненту с положительно заряженными частицами назвали $\alpha $ -- лучами, компоненту с отрицательными частицами назвали $\beta $ -- лучами. Позже было установлено, что $\beta $ -- лучи являют собой поток электронов, а $\alpha $ -- лучи -- поток ядер атома гелия. В $1900$ году П. Виллард обнаружил третью компоненту, на которую магнитное поле не действовало. Её назвали $\gamma $ -- лучами, которые являют собой поток фотонов с самой короткой длиной волны во всем спектре электро-магнитного излучения. Явление излучения изотопами указанных выше лучей назвали радиоактивностью (от лат. «radius» - луч).

Рисунок 1.

Виды радиоактивности

Под радиоактивностью необходимо понимать спонтанное преобразование изотопов химических элементов, обусловленное распадом ядер. На основании этого определения различают такие виды радиоактивности:

• $\alpha $ -- распад (А. Беккерель, $1896$ год);

$\beta $ -- распад:

• ${\beta }^-$ - распад (А. Беккерель, $1896$ год);
• ${\beta }^+$ - распад (И. та Ф. Жолио-Кюри, $1934$ год);
• $K$ -- захват (Л. Альварес);

• Спонтанное деление ядер (Г. М. Фльоров, К. А. Петржак, $1939$ год);

• $p$ -- распад:

  • однопротонный (Г. М. Фльоров, $1963$ год);
  • двухпротонный.

К видам радиоактивного распада по этому определению не входит $\gamma $ -- излучение, поскольку оно не меняет состав ядра, а только меняет его энергию. $\gamma $ -- излучение возникает тогда, когда ядро не появляется в результате распада другого ядра, а находится в возбужденном состоянии. Переход его с состояний с вышей энергией в состояние с низшей энергией сопровождается $\gamma $ -- излучением. Многочисленные опыты показали, что связаны с ней процессы происходят в ядре. На скорость радиоактивного распада не влияют никакие внешние факторы (давление, температура, магнитные и электрические поля). Радиоактивный распад не зависит от химического соединения, до которого входит изотоп и его агрегатного состояния.

Радиоактивность, которая характерна нестабильным ядрам, называется природной. Кроме нее, ядра стабильных изотопов могут стать радиоактивными в результате их облучения, такая радиоактивность называется искусственной. Законы природной и искусственной радиоактивности не зависят от способа получения изотопа.

Законы радиоактивного распада

Поскольку радиоактивный распад имеет произвольный характер, то к большей совокупности ядер применяют статистические законы.

Для каждого радиоактивного ядра существует некоторая вероятность $\lambda $ того, что оно претерпевает распад за единицу времени. Если на момент времени $t$ существует $N$ радиоактивных ядер, то среднее количество ядер $dN$, которое распадается за время $dt$, пропорционально некоторому количеству ядер $N$ и величине $\lambda $, т.е.

Величину $\lambda $ называют постоянной распада. Она является характерной постоянной радиоактивного изотопа. Знак «$-$» показывает то, что количество радиоактивных ядер уменьшается. Проинтегрировав эту формулу получим

Эта формула выражает закон радиоактивного распада. С нее видно, что количество ядер радиоактивного изотопа со временем уменьшается по экспоненциальному закону. Этот закон является статистическим и справедливый для достаточно большого количества ядер радиоактивного изотопа. Закон полностью согласуется с опытами. Отметим, что величина $N$ показывает не количество ядер которые распались, а количество радиоактивных ядер на момент времени $t$. Время $T$ за которое распадается половина начального количества ядер, называется периодом полураспада. С соотношения

Часто изотоп, который возникает в результате радиоактивного распада так же радиоактивный, тогда возникает цепочка радиоактивных преобразований. Так, при распаде ядер радиоактивного изотопа (ядра материнского изотопа) возникают ядра другого изотопа, которые так же являются радиоактивными (дочерние ядра изотопа). При этом выполняется условие:

Состояние, соответствующее этому равенству называют состоянием насыщения. Так же равенство называют условием радиоактивного равновесия. Физический смысл которого заключается в том, что распад дочерних атомов в любой момент времени компенсируется увеличением их количества из-за распада материнских ядер.

Оценка радиоактивного излучения

Радиоактивные препараты характеризируются активностью, которая равняется количеству $N$ распадов радиоактивных ядер препарата за единицу времени: $A=N/t$. Мгновенная радиоактивность равна $\left|dN/dt\right|$ .

За единицу активности препарата берут один распад за секунду -- беккерель (Бк). Часто используют внесистемную единицу распада -- Кюри (Kи): $1\ Ки=3,7\cdot {10}^{10}\ Бк$.

Количественной оценкой действия радиоактивного та рентгеновского излучения на вещество является доза облучения. Различают дозу экспозиционную, дозу поглощения и эквивалентную дозу.

Экспозиционная доза $D_{эксп}$ является мерой ионизации действия рентгеновского и $\gamma $ -- излучения в воздухе и численно равна отношению суммарного заряда ионов одного знака $\triangle Q$, созданных у воздухе вторичными частицами (электронами и позитронами, которые образуются в элементарном объеме при их полном торможении) до массы $\triangle m$ воздуха в этом объеме ($D_{эксп}=\triangle Q/\triangle m$) и измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). Часто на практике используется внесистемная единица -- рентген (Р). $1Р=2,58\cdot {10}^{-4}\ Кл/кг$.

Доза поглощения (поглощенная доза) $D_{погл}$ определяется соотношением энергии $\triangle E$, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе $\triangle m$ вещества в этом объеме ($D_{погл}=\triangle E/\triangle m$). Единицей измерения является грей (Гр). $1\ Гр=1\ Дж/кг$). Внесистемной единицей измерения является рад. $1\ рад=0,01\ Гр$.

Эквивалентная доза $D_{экв}$ определяется как произведение поглощенной дозы $D_{погл}$ на коэффициент качества ионизующего излучения $K$, т.е. $D_{экв}={KD}_{погл}$. Эквивалентная доза измеряется в тех же единицах что и доза поглощения. В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв), которая соответствует поглощенной дозе в 1 грей при $K=1$. Существует специальная единица эквивалентной дозы, которая соответствует биологическому эквиваленту рентгена (бер), т.е. соответствует поглощенной дозе в 1 рад при $K=1$ ($1\ бер=0,01\ Зв$).

Искусственная радиоактивность

В $1934$ году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что после облучения $\alpha $ -- частицами алюминия он становится радиоактивным При искусственной радиоактивности ядерные преобразования происходят в два этапы. Сначала под действием частиц происходит преобразование ядра в радиоактивное. На втором этапе созданное радиоактивное ядро претерпевает спонтанного радиоактивного распада. Этот распад, как и в случае природной радиоактивности, происходит по экспоненциальному закону.

Было установлено, что при бомбардировке атомных ядер разных элементов $\alpha $ -- частицами, протонами, нейтронами, дейтронами и $\gamma $ -- квантами возникают ядра новых радиоактивных изотопов, распад которых происходит за тем же законом.

В последние годы получено большое количество радиоактивных изотопов. При бомбардировке частицами высоких энергий ядер изотопов с конца периодической таблицы удалось создать искусственные ядра, которые стали родоначальниками радиоактивных семей с малым временем жизни. При бомбардировке ${}^{232}_{90}{Th}$ дейтронами с энергией 680 МэВ, образуются радиоактивные ядра ${}^{227}_{91}{Pa}$ в результате реакции:

Распад ядер ${}^{227}_{91}{Pa}\ $происходит следующим образом:

Искусственные радиоактивные элементы преимущественно $\beta $ -- активные, при том ${\beta }^-\ или\ {\beta }^+$ - активные можно узнать с помощью диаграммы зависимости количества нейтронов от количества протонов у ядре для стабильных и радиоактивных ядер (см. рис.). На диаграмме стабильные атомные ядра находятся в узкой зоне, которая ограничена кривыми $1$ и $2$. Изотопы, для которых соотношение $N/Z>N_{ст}/Z_{ст}$. превышает значение, что отвечает кривой $1$, которая принадлежит области протонодефицытных ядер $І$. Радиоактивный распад может происходить таким образом, чтоб величина $N/Z$ уменьшалась, т.е. в ядре уменьшается количество нейтронов $N$. При этом в ядре происходят преобразования $n\to p+e^-+{\widetilde{\nu }}_e$. Следовательно, протонодефицитные ядра при радиоактивном распаде излучают ${\beta }^-$ -- частицы. И наоборот, ядра которые лежат в области $ІІ$ нейтронодефицитных ядер, $N/Z

Искусственные радиоактивные ядра создаются так же в процессе деления тяжелых ядер. При делении ядер ${}^{235}_{92}U$ создаются два новых ядра, которые относятся к протонодефицытных, по этой причине все такие ядра излучат ${\beta }^-$ -- частицы.

Некоторые радиоактивные изотопы, которые получили искусственно после излучения электронов, еще излучают $\gamma $ -- кванты. Теперь стало возможным получать радиоактивные изотопы, которые имеют достаточно высокую активность. Это дает возможность создавать компактные источники радиоактивности, которые широко используются в науке и технике.