1. Радиоактивность есть самопроизвольное изменение состава атомного ядра, происходящее за время, существенно большее характерного ядерного времени ( $10^{-22} \mathrm{c}$ ). Несколько произвольно условились считать, что изменение состава ядра должно происходить не раньше чем через $10^{-12}$ с после его рождения. Распады ядер часто происходят значительно быстрее, но такие распады уже не принято относить к радиоактивным. Так, при бомбардировке различных мишеней на ускорителях может возникать огромное многообразие ядер, которые мгновенно распадаются и по этой причине не могут считаться сложившимися атомными ядрами. Время $10^{-12} \mathrm{c}$, ничтожное с общежитейской точки зрения, в ядерных масштабах должно считаться очень большим. За такое время совершается множество внутриядерных процессов и ядро успевает полностью сформироваться.

Ядерные силы, действующие между нуклонами, удерживают нуклоны в ядре, поскольку эти силы являются силами притяжения. Противоположное – дестабилизирующее – действие оказывают отталкивающие кулоновские силы между протонами ядра. Под действием сил обоего рода главным образом и формируются атомные ядра.

Ядра, подверженные радиоактивным превращениям, называются радиоактивными, а не подверженные – стабильными. Такое деление условно, так как, в сущности, все ядра могут самопроизвольно распадаться, но этот процесс в разных ядрах идет с различной скоростью.

Большая часть радиоактивных ядер получена искусственно путем бомбардировки мишеней различными частицами. В этом случае образующееся радиоактивное ядро можно рассматривать как долгоживущее составное ядро, подверженное дальнейшему превращению. Никакой принципиальной разницы между радиоактивным распадом и превращением составного ядра нет. Искусственная радиоактивность впервые (в 1934 г.) наблюдалась супругами Ирен (1897-1956) и Фредериком (1900-1958) Жолио-Кюри.

Различают следующие виды радиоактивного распада: 1) $\alpha$-распад; 2) $\beta$-распад; 3) спонтанное деление атомного ядра; 4) протонный расnaд; 5) двухпротонный распад и др.

При $\alpha$-распаде из ядра спонтанно вылетает $\alpha$-частица $\left({ }_{2}^{4} \mathrm{He}\right)$. При этом зарядовое число ядра уменьшается на две единицы и образуется новый элемент, сдвинутый относительно исходного влево на две клетки периодической системы.

Бета-распад может быть трех видов: 1) электронный, или $\beta^{-}$распад; 2) позитронный, или $\beta^{+}$-распад; 3) электронный захват. При $\beta^{-}$-распаде из ядра вылетают электрон и электронное антинейтрино $\bar{
u}_{e}$ (см. $\S 74$, п. 8). Массовое число ядра не меняется, а зарядовое число возрастает на единицу (сдвиг в периодической системе вправо на одну клетку). При $\beta^{+}$-распаде из ядра вылетают позитрон $\mathrm{e}^{+}$и электронное нейтрино $\bar{
u}_{e}$ (сдвиг в периодической системе влево на одну клетку без изменения массового числа). Позитронная радиоактивность была открыта в 1934 г. И. и Ф. Жолио-Кюри практически одновременно с открытием искусственной радиоактивности. При электронном захвате ядро захватывает электрон из электронной оболочки атома; зарядовое число, как и при $\beta^{+}$-распаде, уменьшается на единицу, а массовое число не меняется. Если электрон захватывается с $K$-оболочки атома, то электронный захват называют также $K$-захватом.

В 1940 г. Г.И. Флеровым и К.А. Петржаком было открыто спонтанное деление ядер урана. Примером может служить процесс
\[
{ }_{92}^{238} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{54}^{139} \mathrm{Xe}+{ }_{38}^{96} \mathrm{Sr}+3{ }_{0}^{1} \mathrm{n} .
\]

У ядер с большим избытком протонов, в принципе, возможна протонная и даже двухпротонная радиоактивности, но эти процессы очень трудно обнаружить из-за сильного фона конкурирующих $\alpha$ и $\beta^{+}$-распадов, приводящих к образованию изотопов таких же химических элементов. Протонная радиоактивность возможна лишь у небольшого числа искусственно получаемых легких ядер с относительно короткими временами жизни, которые обладают большим избытком протонов. Тем не менее, протонная и двухпротонная радиоактивности обнаружены. По мнению В.И. Гольданского (р. 1923), двухпротонная радиоактивность даже более вероятна, чем однопротонная. Дело в том, что между протонами действуют силы спаривания. В результате из ядра может вылететь не только одиночный протон, но и бипротон, т. е. два спаренных протона с противоположно направленными спинами.

Из ядра могут вылетать и нуклоны, объединенные в более крупные частицы, чем ядра ${ }^{4} \mathrm{He}$ ( $\alpha$-частицы), например ядра углерода. Такой процесс затруднен тем, что в исходном ядре нет готовых ядер углерода. Впрочем, и готовых $\alpha$-частиц в ядре также нет – они образуются перед самым вылетом из ядра. Только формирование $\alpha$-частиц несравненно более вероятно, чем формирование ядер углерода. Тем не менее, в 1984 г. в Оксфордском университете было зафиксировано самопроизвольное превращение нестабильных изотопов радия в свинец с испусканием ядер изотопа углерода ${ }^{14} \mathrm{C}$ :
\[
\begin{array}{l}
{ }_{88}^{222} \mathrm{Ra} \rightarrow{ }_{82}^{208} \mathrm{~Pb}+{ }_{6}^{14} \mathrm{C}, \\
{ }_{88}^{223} \mathrm{Ra} \rightarrow{ }_{82}^{209} \mathrm{~Pb}+{ }_{6}^{14} \mathrm{C}, \\
{ }_{88}^{224} \mathrm{Ra} \rightarrow{ }_{82}^{210} \mathrm{~Pb}+{ }_{6}^{14} \mathrm{C} .
\end{array}
\]

Все ядра изотопов ${ }^{222} \mathrm{Ra},{ }^{223} \mathrm{Ra}$ и ${ }^{224} \mathrm{Ra}$ радиоактивны с периодами полураспадов соответственно 39 с, 11,7 дня и 3,6 дня. Вероятность вылета ядра ${ }^{14} \mathrm{C}$ примерно в $10^{10}$ раз меньше вероятности вылета $\alpha$-частицы. Поэтому экспериментально зафиксировать распад рассматриваемых ядер радия с вылетом ядер ${ }^{4} \mathrm{C}$ необычайно трудно. То обстоятельство, что одним из продуктов распада является изотоп углерода ${ }^{14} \mathrm{C}$, а не ${ }^{12} \mathrm{C}$, можно объяснить тем, что энергетически выгодно, чтобы образовалось дважды магическое ядро ${ }_{82}^{208} \mathrm{~Pb}$ или соседние с ним ядра (см. § 78). В 1985 г. в Дубне, а также группой американских физиков были открыты распады с излучением еще более тяжелых ядер – ядер неона:
\[
\begin{array}{l}
{ }_{92}^{233} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{82}^{209} \mathrm{~Pb}+{ }_{10}^{24} \mathrm{Ne}, \quad{ }_{92}^{233} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{82}^{208} \mathrm{~Pb}+{ }_{10}^{25} \mathrm{Ne}, \\
{ }_{92}^{232} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{82}^{208} \mathrm{~Pb}+{ }_{10}^{24} \mathrm{Ne}, \quad{ }_{91}^{231} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{81}^{207} \mathrm{Tl}+{ }_{10}^{24} \mathrm{Ne} .
\end{array}
\]

Вероятность первых трех процессов примерно в $10^{12}$, а последнего в $10^{11}$ раз меньше вероятности $\alpha$-распада.

В результате радиоактивного распада ядер, образующихся при делении материнского ядра, образуются нейтроноизбыточные возбужденные ядра. При их распаде образуются так называемые запаздывающие нейтроны. Такой процесс соблазнительно назвать нейтронной $p a$ диоактивностью. Однако это не де.тается, так как снятие возбуждения путем испускания нейтронов происходит практически мгновенно.
2. В процессе радиоактивного распада, конечно, должен выполняться закон сохранения энергии. Если начальное ядро неподвижно, то этот закон можно записать в виде
\[
M_{\text {нач }} c^{2}=M_{\text {кон }} c^{2}+\sum_{i} M_{i} c^{2}+\mathscr{E},
\]

где $M_{\text {нач }}$ и $M_{\text {кон }}$ – массы начального и конечного ядер, $M_{i}$ – массы образовавшихся частиц, $\mathscr{E}$ – кинетическая энергия, выделившаяся при радиоактивном распаде. Самопроизвольно могут идти только реакции с выделением энергии, а потому энергия $\mathscr{E}$ существенно положительна. Таким образом, радиоактивный распад возможен лишь тогда, когда $M_{\text {нач }}>M_{\text {кон }}+\sum M_{i}$. Это условие необходимо, но не достаточно, так как для возможности процесса, помимо закона сохранения энергии, должны выполняться и другие законы сохранения (импульса, момента импульса, электрического, барионного и лептонного зарядов и пр.).
3. Все $\alpha$ – и $\beta$-радиоактивные элементы можно разделить на четыре радиоактивных ряда, или радиоактивных семейства. В каждом ряду массовое число $A$ выражается формулой
\[
A=4 n+C,
\]

где $C$ – постоянная для рассматриваемого ряда величина, а $n-$ переменное целое число. Каждый элемент ряда получается из предыдущего путем $\alpha$ – или $\beta$-превращения. Поэтому в каждом ряду два соседних элемента имеют либо одинаковые массовые числа, либо эти числа отличаются на четыре. Значению $C=0(n \leqslant 59)$ соответствует ряд тория, $C=1(n \leqslant 60)$ – ряд нептуния, $C=2(n \leqslant 60)$ – ряд урана, $C=3$ ( $n \leqslant 59)-$ ряд актиноурана. Ряд с $C=1$ (нептуния) состоит из изотопов, не встречающихся в природе, но получающихся искусственно.
4. Все четыре радиоактивных ряда представлены в табл. 9. Рассмотрим в качестве примера ряд урана. Он начинается с $\alpha$-радиоактивного изотопа урана $\left.{ }^{238} \mathrm{U}^{1}\right)$. Испытав $\alpha$-распад с периодом полураспада $4,56 \cdot 10^{9}$ лет, этот изотоп переходит в $\beta^{-}$-активный изотоп тория ${ }_{90}^{234} \mathrm{Th}$. После последовательных двух $\beta^{-}$-распадов последнего с периодами полураспада 24 дня и 6,74 часа получается другой радиоактивный изотоп урана ${ }_{92}^{234} \mathrm{U}$ с периодом полураспада $2,48 \cdot 10^{5}$ лет. Он последовательно претерпевает пять $\alpha$-превращений. Среди радиоактивных изотопов, получающихся в результате этих превращений, содержится и $\alpha$-радиоактивный изотоп радия ${ }_{88}^{226} \mathrm{Ra}$ с периодом полураспада 1617 лет, за которым следует радиоактивный газ радон ${ }_{86}^{222} \mathrm{Rn}$, и т. д. Заметим, что радиоактивные изотопы ${ }_{83}^{214} \mathrm{Bi}$ и ${ }_{83}^{210} \mathrm{Bi}$ могут переходить соответственно в ${ }_{82}^{210} \mathrm{~Pb}$ и в ${ }_{82}^{206} \mathrm{~Pb}$ двумя различными путями, указанными в табл. 9. Ряд урана заканчивается стабильным изотопом свинца ${ }_{82}^{206} \mathrm{~Pb}$. Аналогичное строение имеют и остальные радиоактивные ряды. В естественных рядах тория и актиноурана содержатся другие изотопы радия и радона. Все естественные радиоактивные ряды заканчиваются различными стабильными изотопами свинца ${ }_{82}^{208} \mathrm{~Pb},{ }_{82}^{206} \mathrm{~Pb},{ }_{82}^{207} \mathrm{~Pb}$. Существование трех различных стабильных изотопов свинца указывает на особую устойчивость ядер свинца, содержащих магическое число протонов -82 .

На самом тяжелом элементе, встречающемся на Земле в естественных условиях, уране ${ }_{92} \mathrm{U}$ периодическая система элементов, не кончается, как об этом уже указывалось в § 47. Однако все трансурановые, т. е. заурановые, элементы радиоактивны. Период полураспада наиболее долгоживущего изотопа плутония ${ }_{94}^{239} \mathrm{Pu}$, например, составляет 24000 лет. Если такие элементы и существовали когда-то на Земле в естественных условиях, то за время существования Земли они полностью исчезли из-за радиоактивных превращений. Все трансурановые элементы получаются искусственным путем. С учетом этих элементов радиоактивные ряды, представленные в табл. 9 , могут быть продолжены в сторону больших $Z$. И все элементы тяжелее свинца и висмута, в конце концов, правда в отдаленном будущем, должны исчезнуть на Земле, если только к этому времени сама Земля еще будет существовать. Наличие в настоящее время таких элементов является одним из подтверждений ограниченного возраста Земли, который по различным оценкам составляет приблизительно $4-4,5$ млрд лет.

О способах получения трансурановых элементов будет сказано в $\S 94$.
${ }^{1}$ ) В табл. 9 в скобках указаны обозначения изотопов, использующиеся в радиохимии.