Радіоактивність
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. Ці, сильно проникаючі потоки частинок іноді називають ядерним випромінюванням.
Зміст
Історія[ред. | ред. код]

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 (докладніше див. Дослід радіоактивності Антуаном Анрі Беккерелем).
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 гамма-розпадів, помічено розпади з емісією нейтрона, протона (а також двох протонів), кластерна радіоактивність, спонтанний поділ, електронний захват, позитронний розпад (або β + -розпад), 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]

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 відхиляються 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.
Спектр α- і γ-випромінювань переривисті («дискретні»), а спектр β-випромінювання — неперервний.
β-розпад (Бета 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:
- + γ.
Правило зсуву Содді для β-розпаду:
- + γ.
Приклад:
- + γ.
Після β-розпаду атомний номер елемента змінюється і він зміщується на одну клітинку в таблиці Менделєєва.
α-розпад (Альфа розпад)
α-розпадом називають мимовільний розпад атомного ядра на ядро-продукт і α-частинку (ядро атома ).
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:
- .
Приклад:
- .
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.
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]
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.
Взаємодія з матерією[ред. | ред. код]
При взаємодії з матерією ядерне випромінювання здатне суттєво змінювати його фізичні властивості. У твердих тілах ядерне випромінювання викликає різні радіаційні пошкодження (дефекти). Важкі ядерні частинки, проходячи через матерію, вибивають атоми з вузлів кристалічної ґратки, переміщаючи їх у міжвузля. Так утворюються дефекти кристалів типу вакансія + атом у міжвузлі. При досить великій дозі опромінення кристалічне тіло може перейти в аморфний стан. Потоки швидких електронів енергією більше 1 Мев також здатні створювати дефекти типу вакансія + атом у міжвузлі. При енергіях менших 1 Мев втрати електронів зумовлені збудженням та іонізацією атомів і молекул мішені. Основним процесом при поглинанні матерією гамма-випромінювання є фотоіонізація атомів і утворення швидких фотоелектронів (див. Фотоефект). Останні втрачають свою енергію на іонізацію й збудження атомів мішені, як і при опроміненні швидкими електронами, з тією, однак, різницею, що гамма — кванти проникають на значно більшу глибину, ніж швидкі електрони з тією же енергією.
Використання[ред. | ред. код]
При захопленні нейтронів ядрами виникає штучна радіоактивність опроміненого зразка (мішені); по спектрах випромінювання можна проводити радіаційний хімічний аналіз мішені.
Опромінення кремнію потоками повільних нейтронів і радіаційні перетворення 28Si→29Р використовується для однорідного легування кремнію фосфором.
Негативні наслідки[ред. | ред. код]
Взагалі всі електронні прилади зазнають погіршення (деградація) параметрів у результаті довгого впливу відносно слабкого ядерного випромінювання, або короткочасного впливу потужного ядерного випромінювання.
Ядерне випромінювання, пов'язане з природною радіоактивністю, може викликати неправильне спрацьовування в великих інтегральних схемах.
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.
У практиці фізичних досліджень джерелами потужного ядерного випромінювання є ядерні реактори, слабкого — препарати, що містять штучні радіоактивні елементи.
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]
Різні радіонукліди розпадаються з різними швидкостями, отже кожний має свою сталу розпаду . Очікуваний розпад −dN/N є пропорційним до приросту часу, dt:
Мінус свідчить, що величина N зменшується з часом, бо розпади відбуваються один за іншим. Розв'язком цього диференціального рівняння першого порядку є функція:
де N0 це значення N в час t = 0.[2]
У будь-який момент часу t ми маємо:
де Ntotal це стале число частинок, воно явно дорівнює початковій кількості ядер речовини A.
Якщо кількість нерозпалих ядер A є:
тоді кількість ядер B, тобто кількість розпалих ядер A така
Кількість розпадів спостережених за певний проміжок часу підкоряється розподілу Пуассона. Якщо середня кількість розпадів є <N>, тоді ймовірність кількості розпадів N становить[2]
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:
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:
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:
Природно, це рівняння зводиться до попереднього у випадку якщо B є стабільним нуклідом (λB = 0):
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 до
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:
Загальний розв'язок для рекурсивної задачі можна отримати через рівняння Бейтмана:[4]
Рівняння Бейтмана
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:
оскільки загальна кількість ядер залишається тією самою. Диференціюємо щодо часу:
визначення підсумкова стала розпаду λ в термінах суми часткових сталих розпаду λB і λC:
Зауважте, що
Розв'язуючи це рівняння для NA:
де NA0 це початкова кількість ядер A. Сталі розпаду λB і λC визначають імовірність розпаду в B або C так:
тому що частина ядер λB/λ розпадається в B, а частина ядерλC/λ розпадається в C.
Примітки[ред. | ред. код]
- ↑ Decay and Half Life. Процитовано 2009-12-14.
- ↑ а б в Patel, S.B. (2000). Nuclear physics : an introduction. New Delhi: New Age International. с. 62–72. ISBN 9788122401257.
- ↑ Introductory Nuclear Physics, K.S. Krane, 1988, John Wiley & Sons Inc, ISBN 978-0-471-80553-3
- ↑ Cetnar, Jerzy (May 2006). General solution of Bateman equations for nuclear transmutations. Annals of Nuclear Energy 33 (7): 640–645. doi:10.1016/j.anucene.2006.02.004.
Література[ред. | ред. код]
- Булавін Л. А., Тартаковський В. К. Ядерна фізика. — К. : Знання, 2005. — 439 с.
- Біленко І. І. Фізичний словник. — К.: Вища школа, Головне видав. 1979. — 336 с.
- Гродзинський Д. М. Природна радіоактивність рослин і ґрунтів. - Київ: Наукова думка, 1965. -216 с.
- Динс Дж., Винйард Дж., Радіаційні ефекти у твердих тілах, пер. з англ., М., 1960;
- Шпольський Е. В., Атомна фізика, 7 изд., т. 2, М., 1984;
- Сивухін Д. В., Загальний курс фізики. Атомна і ядерна фізика, ч. 1-2, М., 1986-89;
- Акерман А. Ф., Грудский М. Я., Смирнов В. В., Вторинне електронне випромінювання із твердих тіл під дією гамма-квантів, М., 1986.
Посилання[ред. | ред. код]
- Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
- В[олодимир] Кучер. Значінє радіоактивности матерії для культури будучности // Дїло, 13.01.1917.
![]() |
Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її. |