Виды радиоактивного распада
Радиоактивность — это самопроизвольное превращение нестабильных ядер атомов в более устойчивые, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения. Существуют различные типы радиоактивного распада, обусловленные внутренней структурой ядра, его энергетическим состоянием и взаимодействиями, определяемыми сильным, слабым и электромагнитным взаимодействиями.
Альфа-распад
Альфа-распад характерен для тяжелых ядер, особенно актинидов и трансурановых элементов. В процессе распада ядро испускает альфа-частицу, представляющую собой ядро атома гелия: $\ce{^4_2He}$.
Схематически:
$$ \ce{^A_ZX -> ^{A-4}_{Z-2}Y + ^4_2He} $$
Альфа-распад обусловлен туннелированием альфа-частицы сквозь потенциальный барьер, создаваемый ядерными и кулоновскими силами. Этот процесс можно рассматривать в рамках квантовомеханической модели. Вероятность туннелирования оценивается методом Вентцеля–Крамерса–Бриллюэна (WKB).
Бета-распад
Бета-распад подразделяется на несколько разновидностей:
β⁻-распад — испускание электрона и антинейтрино:
$$ \ce{^A_ZX -> ^A_{Z+1}Y + e^- + \bar{\nu}_e} $$
Происходит превращение нейтрона в протон.
β⁺-распад — испускание позитрона и нейтрино:
$$ \ce{^A_ZX -> ^A_{Z-1}Y + e^+ + \nu_e} $$
Протон превращается в нейтрон. Такой распад возможен только при избыточной энергии, достаточной для рождения пары позитрон–нейтрино.
Электронный захват (K-захват) — альтернатива β⁺-распаду. Ядро захватывает один из своих электронов:
$$ \ce{p + e^- -> n + \nu_e} $$
При этом изменяется заряд ядра, но массовое число сохраняется.
Бета-распад описывается в рамках теории слабого взаимодействия. Он сопровождается непрерывным энергетическим спектром, что было объяснено постулированием нейтрино Паули.
Гамма-излучение
Гамма-излучение — это излучение электромагнитных волн с высокой энергией, испускаемое возбужденным ядром при переходе на более низкий энергетический уровень:
$$ \ce{^A_ZX^* -> ^A_ZX + \gamma} $$
Такой переход не изменяет ни массового, ни зарядового числа, но сопровождается выделением энергии в форме кванта γ-излучения. Является аналогом атомных переходов между энергетическими уровнями, но на ядерном масштабе.
Спонтанное деление
Особый вид радиоактивности, характерный для очень тяжелых ядер (например, уран, плутоний). Ядро самопроизвольно делится на два (иногда более) меньших ядра, часто с испусканием нейтронов:
$$ \ce{^{A}_{Z}X -> ^{A_1}_{Z_1}Y + ^{A_2}_{Z_2}Z + n} $$
Этот процесс конкурирует с альфа-распадом. Вероятность деления возрастает с увеличением массы и заряда ядра.
Энергетика радиоактивных превращений
Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде, обусловлена разностью масс исходного и конечного состояний:
Q = (mисх − mкон)c2
При α- и β-распаде энергия делится между дочерним ядром и испущенными частицами. При γ-излучении — излучается в виде фотона. В случае бета-распада значительная доля энергии уходит с нейтрино.
Для описания кинематики распада применяется закон сохранения энергии и импульса. Например, в случае α-распада можно определить энергию альфа-частицы, исходя из закона сохранения импульса, поскольку дочернее ядро и α-частица разлетаются с равными по модулю и противоположными по направлению импульсами.
Период полураспада и закон радиоактивного распада
Радиоактивность подчиняется статистическим законам. Вероятность распада отдельного ядра не зависит от времени его существования, что приводит к экспоненциальному закону:
N(t) = N0e−λt
где:
Период полураспада T1/2 связан с константой:
$$ T_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda} $$
Этот параметр — один из важнейших характеристик изотопа. Он может колебаться от долей микросекунды до миллиардов лет.
Радиоактивные ряды
Радиоактивные превращения часто формируют последовательности — радиоактивные ряды. В них исходное тяжёлое ядро через цепочку альфа- и бета-распадов переходит к стабильному конечному ядру. Существуют четыре основных ряда:
Поскольку α-распад уменьшает Z на 2, а β-распад увеличивает на 1, структура ряда может быть рассмотрена как движение по осям заряда и массы в (A,Z)-диаграмме.
Изомерия и задержанный распад
В некоторых случаях ядро может находиться в долгоживущем возбуждённом состоянии — ядерный изомер. Время жизни такого состояния может достигать секунд и больше. Изомерный переход (IT) — это переход из возбуждённого состояния в основное с испусканием γ-кванта.
Кроме того, при делении ядер часть нейтронов может испускаться не мгновенно, а с задержкой — задержанные нейтроны. Они критически важны для управления цепной реакцией в ядерных реакторах.
Ядерная трансмутация и искусственная радиоактивность
Радиоактивность может быть индуцирована искусственно путём бомбардировки стабильных ядер частицами (например, протонами, нейтронами, α-частицами). Так был открыт фосфор-30, алюминий-28 и другие короткоживущие изотопы. Явление искусственной радиоактивности стало важнейшим инструментом ядерной физики, медицины, энергетики и геохронологии.
Пример:
$$ \ce{^{14}_7N + \alpha -> ^{17}_8O + p} $$
Этот процесс впервые наблюдал Резерфорд — первое наблюдение ядерной реакции.
Использование радиоактивности
Практические применения охватывают широкий спектр:
Безопасность и защита
Радиоактивность сопровождается ионизирующим излучением, опасным для биологических тканей. Основные принципы защиты:
Нормативы дозы радиации, санитарный контроль, системы детекции и аварийного реагирования являются обязательными компонентами обращения с радиоактивными веществами.
Фундаментальные аспекты радиоактивности
Изучение радиоактивности стало отправной точкой ядерной физики и квантовой теории поля. Радиоактивные распады реализуются благодаря:
Современная теория включает описание процессов в рамках Стандартной модели, включая лептонные числа, смешивание нейтрино и поиск редких распадов, выходящих за рамки существующих представлений (например, двойной бета-распад без нейтрино).