Радіоактивність

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Радіоакти́вність (від лат. radio — «випромінюю» radius — «промінь» і activus — «дієвий») — явище мимовільного перетворення нестійкого ізотопа хімічного елементу в інший ізотоп (зазвичай іншого елемента) (радіоактивний розпад) шляхом випромінювання гамма-квантів, елементарних частинок або ядерних фрагментів.

Символ, що використовується для позначення радіоактивних матеріалів

Радіоактивність відкрив у 1896 р. Антуан Анрі Беккерель. Сталося це випадково. Вчений працював із солями урану і загорнув свої зразки разом із фотопластинами в непрозорий матеріал. Фотопластини виявилися засвіченими, хоча доступу світла до них не було. Беккерель зробив висновок про невидиме оку випромінювання солей урану. Він дослідив це випромінювання і встановив, що інтенсивність випромінювання визначається тільки кількістю урану в препараті і абсолютно не залежить від того, в які сполуки він входить. Тобто, ця властивість характерна не сполукам, а хімічному елементу урану.

В 1898 р. Ґергард Шмідт та П'єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі відкрили випромінювання торію. Пізніше Кюрі відкрили полоній та радій.

У 1903 році подружжю Кюрі було присуджено Нобелівську премію. На сьогодні відомо близько 40 природних елементів, яким властива радіоактивність.

Також, в даний час, крім альфа-, бета- і гама-розпадів, помічено розпади з емісією нейтрона, протона (а також двох протонів), кластерна радіоактивність, спонтанний поділ, електронний захват, позитронний розпад (або β + -распад), а також подвійний бета-розпад (і його види) зазвичай вважаються різними типами бета-розпаду.

Всі хімічні елементи з атомним номером, більшим за 83 — радіоактивні.

Природна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, що зустрічаються в природі.

Штучна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, отриманих штучним шляхом, через відповідні ядерні реакції.

Типи радіоактивності[ред.ред. код]

Альфа-частинки можна повністю зупинити за допомогою аркушу паперу, бета-частинки за допомогою алюмінієвого екрану. Гамма-промені можна зупинити лише із використанням значно істотнішої маси, такої як товстий шар свинцю.

Ернест Резерфорд експериментально встановив (1899), що солі урану випромінюють 3 типи променів, які по-різному відхиляються в магнітному полі:

  • промені першого типу відхиляються так само, як потік додатно заряджених частинок. Їх назвали альфа-променями;
  • промені другого типу відхилються в магнітному полі так само, як потік негативно заряджених частинок (в протилежну сторону), їх назвали бета-променями;
  • і промені третього типу, які не відхиляються магнітним полем, назвали гамма-променями.

Спектри α- і γ-випромінювань переривисті («дискретні»), а спектр β-випромінювання — неперервний.

β-розпад

Беккерель довів, що β-промені є потоком електронів. β-розпад — прояв слабкої взаємодії.

β-розпад — внутрішньонуклонний процес, тобто відбувається перетворення нейтрона в протон із вильотом електрона й антинейтрино з ядра:

{}^{1}_{0}\textrm{n}\rightarrow {}^{1}_{1}\textrm{p} + {}^{0}_{-1}\textrm{e} + γ.

Правило зсуву Содді для β-розпаду:

{}^{A}_{Z}\textrm{X}\rightarrow {}^{A}_{Z+1}\textrm{Y} + {}^{0}_{-1}\textrm{e} + γ.

Приклад:

{}^{3}_{1}\textrm{H}\rightarrow {}^{3}_{2}\textrm{He} + {}^{0}_{-1}\textrm{e} + γ.

Після β-розпаду атомний номер елемента міняється і він зміщується на одну клітинку в таблиці Менделєєва.

α-розпад

α-розпадом називають мимовільний розпад атомного ядра на ядро-продукт і α-частинку (ядро атома {}^{4}_{2}\textrm{He}).

α-розпад є властивістю важких ядер з масовим числом А≥200. Всередині таких ядер за рахунок властивості насичення ядерних сил утворюються відособлення α-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів. Утворена таким чином α-частинка сильніше відчуває кулонівське відштовхування від інших протонів ядра, ніж окремі протони. Одночасно на α-частинку менше впливає ядерне міжнуклонне притягання за рахунок сильної взаємодії, ніж на решту нуклонів.

Правило зсуву Содді для α-розпаду:

{}^{A}_{Z}\textrm{X}\rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}\textrm{Y} + {}^{4}_{2}\textrm{He}.

Приклад:

{}^{238}_{92}\textrm{U}\rightarrow {}^{234}_{90}\textrm{Th} + {}^{4}_{2}\textrm{He}.

В результаті α-розпаду елемент зміщується на 2 клітинки до початку таблиці Менделєєва. Дочірнє ядро, що утворилося в результаті α-розпаду, зазвичай також виявляється радіоактивним і через деякий час теж розпадається. Процес радіоактивного розпаду відбуватиметься доти, поки не з'явиться стабільне, тобто нерадіоактивне ядро, яким частіше за все є ядра свинцю або бісмуту.

γ-розпад

Гамма промені- це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі, меншою за розміри атома. Вони утворюються зазвичай при переході ядра атома із збудженого стану в основний стан. При цьому кількість нейтронів чи протонів у ядрі не змінюється, а отже ядро залишається тим самим елементом. Однак випромінювання гамма-променів може супроводжувати й інші ядерні реакції.

Період напіврозпаду[ред.ред. код]

При радіоактивному розпаді відбуваються перетворення ядер атомів. Енергії частинок, які при цьому утворюються, набагато більші від енергій, що виділяються в типових хімічних реакціях. Тому ці процеси практично не залежать від хімічного оточення атома й від сполук, в які цей атом входить. Радіоактивний розпад відбувається спонтанно. Це означає, що неможливо визначити момент, коли розпадеться те чи інше ядро. Однак для кожного типу розпаду є характерний час, за який розпадається половина всіх радіоактивних ядер. Цей час називається періодом напіврозпаду. Для різних радіоактивних ізотопів період напіврозпаду може лежати в дуже широких межах — від наносекунд до мільйонів років. Ізотопи з малим періодом напіврозпаду дуже радіоактивні, але швидко зникають. Ізотопи з великим періодом напіврозпаду слабко радіоактивні, але ця радіоактивність зберігається дуже довгий час.

Детектування[ред.ред. код]

Докладніше: Детектор частинок

Детектування радіактивного випромінювання основане на його дії на речовину, зокрема її іонізації. Історично вперше радіація була зареєстрована завдяки почорнінню опроміненої фотопластинки. Фотоемульсії, в яких під дією радіації відбуваються хімічні реакції, і досі залишаються одним із методів детектування. Інший принцип детектування використовується в лічильниках Гейгера — виникнення несамостійного електричного розряду в опроміненому газі. Дозиметри, які реєструють не окремі акти пролітання швидкої зарядженої частинки, часто використовують зміну властивостей, наприклад провідності, опроміненого матеріалу.

Одиниці вимірювання[ред.ред. код]

Радіоактивність залежить від кількості нестабільних ізотопів і часу їхнього життя. Система СІ визначає одиницею вимірювання активності Бекерель — така кількість радіоактивної речовини, в якій за секунду відбувається один акт розпаду. Практично ця величина не дуже зручна, тому частіше використовують позасистемні одиниці — Кюрі. Іноді вживається одиниця резерфорд.

Щодо дії радіоактивного випромінювання на опромінені речовини, то використовуються ті ж одиниці, що й для рентгенівського випромінювання. Одиницею вимірювання дози поглинутого йонізуючого випромінювання в системі Сі є Грей — така доза, при якій в кілограмі речовини виділяється один Джоуль енергії. Одиницею біологічної дії опромінення в системі СІ є Зіверт. Позасистемна одиниця виділеної при опроміненні енергії — рад.

Така одиниця, як рентген є мірою не виділеної енергії, а йонізації речовини при радіоактивному опроміненні. Для вимірювавння білогічної дії опромінювання використовується біологічний еквівалент рентгена — бер.

Для характеристики інтенсивності опромінення використовують одиниці, які описують швидкість набору дози, наприклад, рентген за годину.

Біологічна дія[ред.ред. код]

Радіоактивне опромінення призводить до значного пошкодження живої тканини. Йонізація хімічних речовин в біологічній тканині створює можливість хімічних реакцій, які невластиві для біологічних процесів, й до утворення шкідливих речовин. Пошкодження радіацією ДНК викликає мутації. Робота з радіоактивними речовинами вимагає ретельного дотримання правил техніки безпеки. Радіоактивні речовини позначаються спеціальним символом, наведеним вгорі сторінки.

Радіоактивні речовини зберігаються в спеціальних контейнерах, сконструйованих таким чином, щоб поглинати радіоактивне випромінювання. Великою проблемою є захоронення радіоактивних відходів атомної енергетики.

Застосування[ред.ред. код]

Радіоактивні речовини можна використовувати для отримання енергії в умовах, коли інші джерела енергії не доступні, наприклад, на космічних апаратах, призначених для польотів до віддалених планет Сонячної системи. Енергія, яка виділяється при радіоактивному розпаді в таких пристроях може бути перетворена в електричну за допомогою термоелементів.

В медицині радіоактивне опромінення використовується при лікуванні деяких форм раку, розраховуючи на те, що ракові клітини, які швидко діляться, чутливіші до опромінення, а тому вражатимуться швидше.

Метод мічених атомів дозволяє провести аналіз обміну речовин в організмі й допомагає при діагностиці захворювань.

Датування за радіоактивними ізотопами допомагає встановити вік предметів та порід й застосовується в геології, археології, палеонтології.

Радіоактивність і радіоактивні речовини також широко використовуються в різних сферах наукових досліджень.

Йонізуючі випромінювання[ред.ред. код]

Всі види радіоактивних випромінювань, що супроводжують радіоактивність, називають йонізуючими випромінюваннями. Йонізуючі випромінювання — процес збудження та йонізації атомів речовини при проходженні крізь них гамма-квантів та частинок, що утворилися внаслідок α- та β-розпаду. При проходженні, наприклад, гамма-квантів крізь речовину, кванти перетворюються на пару електрон-позитрон за умови, що енергія гамма-кванту перевищує енергію цих двох частинок (>1 МеВ). α-частинки швидко втрачають всю енергію, оскільки збуджують всі атоми, що трапляються на їх шляху (1-10 см на повітрі, 0,01-0,2 мм у рідинах). β-частинки менш ефективно взаємодіють з речовинами (2-3 м на повітрі, 1-10 мм у рідинах). γ-кванти мають найбільшу проникну здатність. Нейтрони, що не мають електричного заряду, безпосередньо не йонізують атоми. Проте в результаті взаємодії нейтронів з ядрами виникають швидкі заряджені частинки та гамма-кванти, що є йонізуючими частинками.

При тривалому перебуванню людини в зоні радіоактивного випромінювання відбувається йонізація та збудження її клітин. У результаті клітини вступають у нові хімічні реакції та утворюють нові хімічні речовини, що порушують нормальне функціонування організму. Мірою дії йонізуючих випромінювань є поглинута доза випромінювання (Грей), що дорівнює відношенню переданої йонізуючими випромінюваннями енергії до маси речовини (D=E/m). Потужність дози випромінювання вимірюється відношення поглинутої дози випромінювання до часу (Pв=D/t).

Радіоактивне випромінювання використовують при рентгенологічному обстеженні.

Математика радіоактивного розпаду[ред.ред. код]

Універсальний закон радіоактивного розпаду[ред.ред. код]

Радіоактивність є дуже частим прикладом експоненційного розпаду. Закон швидше описує статистичну поведінку великої кількості ядер ніж індивідуальний випадок. В наступних формулах, кількість ядер або сукупність ядер N, є звісно дискретною змінною (натуральне число)—але для будь-якого фізичного прикладу N настільки велике (L = 1023, стала Авогадро), що його можна трактувати як неперервну змінну. Диференціальні рівняння для моделювання ядерного розпаду потребують диференціальне числення.

Процес з одним розпадом[ред.ред. код]

Розглянемо випадок розпаду нукліду A в інший нуклід B через якийсь процес A → B (утворення інших частинок подібних до електронне нейтрино νe і електронів e- в бета-розпаді, не значимо для нас). Розпад нестабільних ядер цілком випадковий і неможливо передбачити коли певний атом розпадеться.[1] Однак, розпад однаково ймовірний будь-коли. Отже, для певного радіоізотопа кількість розпадів −dN, які очікуються впродовж маленького проміжку часу dt пропорційний до кількості наявних атомів N, що є[2]

-\frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}t} \propto N.

Різні радіонукліди розпадаються з різними швидкостями, отже кожний має свою сталу розпаду λ. Очікуваний розпад −dN/N є пропорційним до приросту часу, dt:

 -\frac{\mathrm{d}N}{N} = \lambda \mathrm{d}t

Мінус свідчить, що величина N зменшується з часом, бо розпади відбуваються один за іншим. Розв'язком цього диференціального рівняння першого порядку є функція:

N(t) = N_0\,e^{-{\lambda}t} = N_0\,e^{-t/ \tau}, \,\!

де N0 це значення N в час t = 0.[2]

У будь-який момент часу t ми маємо:

 N_A + N_B = N_\mathrm{total} = N_{A0},

де Ntotal це стале число частинок, воно явно дорівнює початковій кількості ядер речовини A.

Якщо кількість нерозпалих ядер A є:

N_A = N_{A0}e^{-{\lambda}t} \,\!

тоді кількість ядер B, тобто кількість розпалих ядер A така

 N_B = N_{A0} - N_A = N_{A0} - N_{A0}e^{-{\lambda}t} = N_{A0} \left ( 1 - e^{-{\lambda}t} \right ).

Кількість розпадів спостережених за певний проміжок часу підкоряється розподілу Пуассона. Якщо середня кількість розпадів є <N>, тоді ймовірність кількості розпадів N становить[2]

 P(N) = \frac{\langle N \rangle^N \exp(-\langle N\rangle)}{N!} .

Ланцюговий розпад[ред.ред. код]

Ланцюг з двох розпадів

Тепер розглянемо випадок з двох розпадів у ланцюзі: один нуклід A розпадається в інший B, тоді B розпадається ще в наступний C, тобто A → B → C. Попереднє рівняння не можна застосувати до ланцюгу розпадів, але його можна узагальнити. Оскільки A розпадається в B, тоді B розпадається в C, активність речовини A додає нукліди B, до того як ці нукліди речовини B розпадуться. Інакше кажучи, кількість ядер речовини другого покоління B збільшується у висліді розпаду речовини A і зменшується внаслідок власного розпаду в речовину третього покоління C.[3] Сума цих двох доданків і дає закон для ланцюгу розпаду для двох нуклідів:

\frac{\mathrm{d}N_B}{\mathrm{d}t} = -\lambda_B N_B + \lambda_A N_A.

Швидкість зміни NB, яка є dNB/dt, стосується змін кількості A і B, NB може зростати оскільки B утворюється з A і убувати оскільки B утворює C.

Переформулювання із використанням попередніх результатів:

 \frac{\mathrm{d}N_B}{\mathrm{d}t} = - \lambda_B N_B + \lambda_A N_{A0} e^{-\lambda_A t}

Нижні індекси просто вказують на відповідні нукліди, тобто NA це кількість нуклідів типу A, NA0 це початкова кількість нуклідів типу A, λA це стала розпаду для A — і схоже для нукліду B. Розв'язання рівняння для NB дає:

 N_B = \frac{N_{A0}\lambda_A}{\lambda_B - \lambda_A} \left ( e^{-\lambda_A t} - e^{-\lambda_B t}\right ) .

Природно, це рівняння зводиться до попереднього у випадку якщо B є стабільним нуклідом (λB = 0):

 \lim_{\lambda_B\rightarrow 0} \left [ \frac{N_{A0}\lambda_A}{\lambda_B - \lambda_A} \left ( e^{-\lambda_A t} - e^{-\lambda_B t}\right ) \right ] = \frac{N_{A0}\lambda_A}{0 - \lambda_A} \left ( e^{-\lambda_A t} - 1 \right ) = N_{A0} \left ( 1- e^{-\lambda_A t} \right ),

як показано вище для одиночного розпаду. Розв'язок можна знайти через використання інтегрувального множника, де інтегрувальний множник є eλBt і потім взяти визначений інтеграл від 0 до t.

Ланцюг кількох розпадів

Для загального випадку будь-якої кількості послідовних розпадів у ланцюзі розпадів, тобто A1 → A2 ··· → Ai ··· → AD, де D це кількість розпадів і i це індекс (i = 1, 2, 3, ...D), кожну сукупність нуклідів можна знайти у виразах попередніх сукупностей. У випадку N2 = 0, N3 = 0,…, ND = 0. Використовуючи попередній результат в рекурсивній формі:

 \frac{\mathrm{d}N_j}{\mathrm{d}t} = - \lambda_j N_j + \lambda_{j-1} N_{(j-1)0} e^{-\lambda_{j-1} t}.

Загальний розв'язок для рекурсивної задачі можна отримати через рівняння Бейтмана:[4]

Рівняння Бейтмана

 N_D = \frac{N_1(0)}{\lambda_D} \sum_{i=1}^D \lambda_i c_i e^{-\lambda_i t}

 c_i = \prod_{j=1, i\neq j}^D \frac{\lambda_j}{\lambda_j - \lambda_i}

Альтернативні шляхи розпаду[ред.ред. код]

В усіх попередніх прикладах, початковий нуклід розпадався лише в один продукт. Розглянемо випадок коли один початковий нуклід може розпадатись в один з двох продуктів, тобто або двома процесами A → B і A → C одночасно. Для будь-якого часу t маємо:

 N = N_A + N_B + N_C

оскільки загальна кількість ядер залишається тією самою. Диференціюємо щодо часу:

 \begin{align}
\frac{\mathrm{d}N_A}{\mathrm{d}t} & = - \left(\frac{\mathrm{d}N_B}{\mathrm{d}t} + \frac{\mathrm{d}N_C}{\mathrm{d}t} \right) \\
- \lambda N_A & = - N_A \left ( \lambda_B + \lambda_C \right ) \\
\end{align}

визначення підсумкова стала розпаду λ в термінах суми часткових сталих розпаду λB і λC:

 \lambda = \lambda_B + \lambda_C .

Зауважте, що

 \frac{\mathrm{d}N_A}{\mathrm{d}t} < 0,\frac{\mathrm{d}N_B}{\mathrm{d}t} > 0, 
\frac{\mathrm{d}N_C}{\mathrm{d}t} > 0.

Розв'язуючи це рівняння для NA:

 N_A = N_{A0} e^{-\lambda t} .

де NA0 це початкова кількість ядер A. Сталі розпаду λB і λC визначають імовірність розпаду в B або C так:

 N_B = \frac{\lambda_B}{\lambda} N_{A0} \left ( 1 - e^{-\lambda t} \right ),
 N_C = \frac{\lambda_C}{\lambda} N_{A0} \left ( 1 - e^{-\lambda t} \right ).

тому що частина ядер λB/λ розпадається в B, а частина ядерλC/λ розпадається в C.

Примітки[ред.ред. код]

  1. «Decay and Half Life». Процитовано 2009-12-14. 
  2. а б в Patel, S.B. (2000). Nuclear physics : an introduction. New Delhi: New Age International. с. 62–72. ISBN 9788122401257. 
  3. Introductory Nuclear Physics, K.S. Krane, 1988, John Wiley & Sons Inc, ISBN 978-0-471-80553-3
  4. Cetnar Jerzy General solution of Bateman equations for nuclear transmutations // Annals of Nuclear Energy, 33 (May 2006) (7) С. 640–645. — DOI:10.1016/j.anucene.2006.02.004.

Література[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.