Радіоактивність

Перевірена версія цієї сторінки, затверджена 26 січня 2022, заснована на цій версії.

Радіоакти́вність (від лат. radio — «випромінюю» radius — «промінь» і activus — «дієвий») — явище перетворення нестійкого ізотопу 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.

Історія

Символ, що використовується для позначення радіоактивних матеріалів

Радіоактивність відкрив у 1896 році 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).

У 1898 році Гергард 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, електронне захоплення, 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

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:

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

+ γ

Правило зсуву Содді для β-розпаду:

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

+ γ

Приклад:

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

+ 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 ${}_{2}^{4}{\textrm {He}}$ ).

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:

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

.

Приклад:

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

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

Докладніше: Детектор частинок

Детектування радіоактивного 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

Радіоактивність залежить від кількості нестабільних ізотопів і часу їхнього життя. Міжнародна система одиниць (SI) 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 SI є Грей — така доза, при якій в кілограмі речовини виділяється один Джоуль енергії. Одиницею біологічної дії опромінення в системі SI 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 вимірювання біологічної 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

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.

Альфа, бета та гама промені по-різному поводять себе у магнітному або електричному полях.

Використання

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

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

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

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.

Іонізуючі випромінювання

Всі види радіоактивних випромінювань, що супроводжують радіоактивність, називають йонізуючими випромінюваннями. Іонізуючі 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 іонізують атоми. Проте в результаті взаємодії нейтронів з ядрами виникають швидкі заряджені частинки та гамма-кванти, що є іонізуючими частинками.

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

Радіоактивне випромінювання використовують при рентгенологічному обстеженні.

Математика радіоактивного розпаду

Математичні подробиці експоненційного розпаду в загальному випадку дивись у експоненційний розпад.

Пов'язані виведення дивись у період напіврозпаду.

Універсальний закон радіоактивного розпаду

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 = 10^23, стала Авогадро), що його можна трактувати як неперервну змінну. Диференціальні рівняння для моделювання ядерного розпаду потребують диференціальне числення.

Процес з одним розпадом

Розглянемо випадок розпаду нукліду $A$ в інший нуклід $B$ через якийсь процес $A \to B$ (утворення інших частинок подібних до електронне нейтрино ν
_e 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 $-d N$ , які очікуються впродовж маленького проміжку часу $d t$ 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 $\lambda$ . Очікуваний розпад $-d N / N$ є пропорційним до приросту часу, $d t$ :

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

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 $N 0$ 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 $N total$ 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

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 $A \to B \to C$ . Попереднє рівняння не можна застосувати до ланцюга 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 ланцюга розпаду для двох нуклідів:

{\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A}.

Швидкість зміни $N B$ , яка є $d N B /d t$ , стосується змін кількості $A$ і $B$ , $N B$ 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 $N A$ це кількість нуклідів типу $A$ , $N A 0$ це початкова кількість нуклідів типу $A$ , $λ A$ це стала розпаду для $A$ — і схоже для нукліда $B$ . Розв'язання рівняння для $N B$ 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 ( $λ B$ = 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 $e λ B t$ і потім взяти визначений інтеграл від $0$ до $t.$

Ланцюг кількох розпадів

Для загального випадку будь-якої кількості послідовних розпадів у ланцюзі розпадів, тобто $A 1 \to A 2 \cdot\cdot\cdot \to A i \cdot\cdot\cdot \to A D$ , 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 $N 2 = 0$ , $N 3 = 0$ ,…, $N D = 0$ . 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

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 $A \to B$ і $A \to C$ 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{aligned}{\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{aligned}}

визначення підсумкова стала розпаду $λ$ в термінах суми часткових сталих розпаду $λ B$ і $λ C$ :

\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 $N A$ :

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

де $N A 0$ це початкова кількість ядер A. Сталі розпаду $λ B$ і $λ C$ 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 $λ B / λ$ розпадається в $B$ , а частина ядер $λ C / λ$ розпадається в $C$ .

Примітки

↑ Decay and Half Life. Процитовано 14 грудня 2009.
↑ ^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

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

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.
Кучер В. Значінє радіоактивности матерії для культури будучности // Дїло, 13.01.1917.

[not-predict-1] Decay and Half Life. Процитовано 14 грудня 2009.

[Patel-2] а ^б ^в Patel, S.B. (2000). Nuclear physics : an introduction. New Delhi: New Age International. с. 62—72. ISBN 9788122401257.

[Introductory_Nuclear_Physics_1988-3] Introductory Nuclear Physics, K.S. Krane, 1988, John Wiley & Sons Inc, ISBN 978-0-471-80553-3

[general_solution_of_Bateman-4] 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.

[1]

[2]

[3]

[4]