§ 216. Радиоактивность

Радиоактивный распад является простейшей ядерной реакцией. Он заключается в выбрасывании из атомного ядра -частицы.

Так как -частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, то ее символ изображается и схема -распада может быть записана следующим образом:

где символ какого-либо химического элемента. Эта реакция распада, как и другие ядерные реакции, которые мы рассмотрим на стр. 530, подчиняется закону сохранения заряда (сумма нижних индексов в правой части равенства должна равняться и закону сохранения массового числа (сумма верхних индексов).

И начальное, и конечное ядра могут находиться в возбужденном состоянии. Поэтому -распад может сопровождаться энергетическими переходами как с излучением фотонов, так и с образованием лептонных пар.

По историческим причинам -распад рассматривается на тех же правах, что и другие ядерные реакции. Если забыть про нейтрино (существование которого для химика роли не играет), то можно сказать, что -распад заключается в выбрасывании из ядра обычного отрицательного электрона или положительного (позитрона). Напомним, что массы, а также величины их зарядов, одинаковы. Выбрасывание из ядра легкой электрически заряженной частицы приводит к превращению внутри ядра протона в нейтрон или нейтрона в протон. Это превращение обеспечивает сохранение электрического заряда при распаде.

Схемы p-распада записываются в следующем виде:

Таким образом, при -распаде нейтрон ядра превращается в протон (число протонов возросло); обратное превращение имеет место при -распаде.

При -распаде могут также испускаться -лучи. -радиоактивность наблюдается лишь у тяжелых элементов (начиная с висмута), -радиоактивность встречается значительно более часто, чем -радиоактивность.

Если радиоактивное вещество может быть найдено в природе, то оно называется естественно радиоактивным, если оно получено при помощи ядерных реакций, то оно называется искусственно радиоактивным.

Если при распаде ядер радиоактивного элемента из него образуется другой элемент, а из второго — третий и т. д., то последовательность таких элементов называется радиоактивным рядом. Известны четыре радиоактивных ряда, начинающихся с

Радиоактивный распад происходит по закону

здесь — количество ядер в начальный момент времени количество оставшихся (не распавшихся) ядер в момент называется радиоактивной постоянной и является константой для данного элемента.

Нетрудно видеть, что время в течение которого распадается половина наличного количества атомов, равно

Время называется периодом полураспада, или просто периодом, радиоактивного элемента.

У родоначальников естественных радиоактивных рядов периоды лежат в пределах 108 — 1010 лет. С другой стороны, промежуточные продукты распада, а также искусственные радиоактивные элементы могут иметь периоды, составляющие ничтожные доли секунды.

Количество радиоактивного вещества можно было бы, разумеется, выразить в граммах. Однако проще и удобнее характеризовать массу радиоактивного вещества его активностью — числом актов распада в одну секунду. Исторически возникшая единица измерения 1 кюри соответствует распадам в секунду. Для лабораторной практики эта единица велика и часто пользуются ее тысячной долей, 1 милликюри. Имеет распространение и другая единица, 1 резерфорд, равный 106 распадов в секунду. Следовательно, резерфорд.

Если период известен, то нетрудно подсчитать начальную радиоактивность вещества. Доля вещества, распадающегося за 1 с, равна

или, так как малое число,

Если речь идет об граммах вещества с атомным весом то его активность найдется по формуле

Принято считать, что за сто дней работы ядерного реактора (см. ниже) в нем образуются радиоактивные продукты в количестве 1 кюри на Количество продуктов распада равно примерно на т. е. на Средний атомный вес продуктов деления примем за 100; тогда по написанной выше формуле найдем средний период распада радиоактивных продуктов равным с, т. е. около суток.

Указания периода и активности еще недостаточно для описания свойств радиоактивного вещества. Необходимо указать, является ли вещество а- или -излучателем, сопровождается ли распад у-излучением. Для еще более точной характеристики нужны данные об энергии выбрасываемых из ядра частиц и выделяющегося излучения. Свойства -частиц, излучаемых различными радиоактивными материалами, колеблются в незначительной степени. Их начальные скорости лежат в пределах число пар ионов, образуемых -частицей в воздухе, лежит в пределах Энергии -частиц, выбрасываемых при распаде, непрерывно распределены в пределах от нуля до сотен или тысяч килоэлектрон-вольт. Энергия у-лучей также различна у разных радиоактивных веществ, однако порядок величины этой энергии одинаков для всех элементов.

Альфа-распад представляет собой просачивание -частицы через потенциальный барьер с последующим электростатическим отталкиванием. Вид потенциальной кривой ядра изображен на рис. 243. Имеется потенциальная яма, барьер, а за барьером спад электростатической потенциальной энергии по гиперболическому закону. Для одного из радиоактивных элементов было доказано опытами по рассеянию -частиц ядрами этого элемента, что высота потенциального барьера во всяком случае выше В то же время частицы, имеющие энергию всего лишь вылетают из ядра путем туннельного перехода.

Указанная картина делает понятной огромные вариации во времени полураспада различных радиоактивных элементов. Достаточно незначительного изменения разницы между энергией -частицы в ядре и высотой потенциального барьера, чтобы вероятность просачивания -частицы резко возросла (ср. формулу на стр. 452).

Рис. 243.

Картины а- и -распада без труда согласуются с формулой распада во времени: Действительно, распад каждого ядра является самостоятельным событием, никак не отражающимся на поведении других ядер. Все ядра обладают одинаковыми вероятностями распада. Положим, что через время половина ядер распалась. Но оставшаяся половина находится в тех же условиях, что и первоначальное собрание атомов, и, следовательно, половина от оставшейся половины распадается за то же самое время. Независимость распада каждого отдельного ядра от поведения его соседей приводит к утверждению: в данный промежуток времени будет всегда распадаться одинаковая доля от наличного количества атомов

Это утверждение записывается в виде

что после интегрирования и дает экспоненциальный закон распада.

Полезно запомнить, что столь частые встречи в курсе физики с экспоненциальным законом и происходят по той причине, что он представляет собой математическое выражение убывания по распространенному правилу: при одинаковых изменениях аргумента функция убывает на одинаковые доли своей величины.