B распаде массовое число ядер. Понятие радиоактивности

• экспозиционная доза
• поглощённая доза
• эквивалентная доза
• эффективная эквивалентная доза

Радиоактивность

Это способность ядер атомов различных химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных и субатомных частиц высоких энергий. При радиоактивных превращениях, в подавляющем большинстве случаев, ядра атомов (а значит, и сами атомы) одних химических элементов превращаются в ядра атомов (в атомы) других химических элементов, либо один изотоп химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.

Атомы, ядра которых подвержены радиоактивному распаду или другим радиоактивным превращениям, называются радиоактивными .

Изотопы

(от греческих слов isos – «равный, одинаковый» и topos – «место»)

Это нуклиды одного химического элемента, т.е. разновидности атомов определенного элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.

Изотопы обладают ядрами с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Различают стабильные изотопы, которые существуют в неизменном виде неопределенно долго, и нестабильные (радиоизотопы), которые со временем распадаются.

Известно около 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных элементов .

Нуклид (от латинского nucleus – «ядро») – совокупность атомов с определенными значениями заряда ядра и массового числа.

Условные обозначения нуклида: , где X – буквенное обозначение элемента, Z – число протонов (атомный номер ), A – сумма числа протонов и нейтронов (массовое число ).

Даже у самого первого в таблице Менделеева и самого лёгкого атома – водорода, в ядре которого только один протон (а вокруг него вращается один электрон), имеется три изотопа.

Радиоактивные превращения

Могут быть естественными, самопроизвольными (спонтанными) и искусственными. Спонтанные радиоактивные превращения – процесс случайный, статистический.

Все радиоактивные превращения сопровождаются, как правило, выделением из ядра атома избытка энергии в виде электромагнитного излучения .

Гамма-излучение – это поток гамма-квантов, обладающих большой энергией и проникающей способностью.

Рентгеновское излучение – это так же поток фотонов – обычно с меньшей энергией. Только «место рождения» рентгеновского излучения не ядро, а электронные оболочки. Основной поток рентгеновского излучения возникает в веществе при прохождении через него «радиоактивных частиц» («радиоактивного излучения» или «ионизирующего излучения»).

Основные разновидности радиоактивных превращений:

• радиоактивный распад;
• деление ядер атомов.

Это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов «элементарных» (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть радиоактивным (ионизирующим) излучением .

При распаде один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.

Для естественных (природных) радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад.

Названия «альфа » и «бета » были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений.

Для искусственных (техногенных) радионуклидов, кроме этого, характерны также нейтронный, протонный, позитронный (бета-плюс) и более редкие виды распада и ядерных превращений (мезонный, К-захват, изомерный переход и др.).

Альфа-распад

Это испускание из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов.

Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома гелия (4He).

В результате испускания альфа-частицы образуется новый элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки левее , так как количество протонов в ядре, а значит, и заряд ядра, и номер элемента стали на две единицы меньше. А масса образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше .

А льфа – распад – это характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д.И. Менделеева (уран, торий и продукты их распада до висмута включительно) и особенно для искусственных – трансурановых – элементов.

То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута.

Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория – радий, при распаде радия – радон, затем полоний и наконец – свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. д.

Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек.

Бета-распад

Бета-распад – наиболее распространённый вид радиоактивного распада (и вообще радиоактивных превращений), особенно среди искусственных радионуклидов.

У каждого химического элемента есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп.

Пример естественного бета-активного радионуклида – калий-40 (Т1/2=1,3×109 лет), в природной смеси изотопов калия его содержится всего 0,0119%.

Кроме К-40, значимыми естественными бета-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория, т.е. все элементы от таллия до урана.

Бета-распад включает в себя такие виды радиоактивных превращений, как:

– бета-минус распад;

– бета-плюс распад;

– К-захват (электронный захват).

Бета-минус распад – это испускание из ядра бета-минус частицы – электрона , который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон.

При этом бета-частица со скоростью до 270 тыс. км/сек (9/10 скорости света) вылетает из ядра. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа – с большим номером.

При бета-минус распаде радиоактивный калий-40 превращается в стабильный кальций-40 (стоящий в соседней клетке справа). А радиоактивный кальций-47 – в стоящий справа от него скандий-47 (тоже радиоактивный), который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47.

Бета-плюс распад – испускание из ядра бета-плюс частицы – позитрона (положительно заряженного «электрона»), который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон.

В результате этого (так как протонов стало меньше) данный элемент превращается в соседний слева в таблице Менделеева.

Например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23 превращается в стабильный изотоп натрия (стоящего слева) – натрий-23, а радиоактивный изотоп европия – европий-150 превращается в стабильный изотоп самария – самарий-150.

– испускание из ядра атома нейтрона. Характерен для нуклидов искусственного происхождения.

При испускании нейтрона один изотоп данного химического элемента превращается в другой, с меньшим весом. Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития – литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 – в стабильный гелий-4.

Если стабильный изотоп йода – йод-127 облучать гамма-квантами, то он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой, тоже радиоактивный изотоп – йод-126. Это пример искусственного нейтронного распада .

В результате радиоактивных превращений могут образовываться изотопы других химических элементов или того же элемента , которые сами могут быть радиоактивными элементами.

Т.е. распад некоего исходного радиоактивного изотопа может привести к некоторому количеству последовательных радио-активных превращений различных изотопов разных химических элементов, образуя т. н. «цепочки распада».

Например, торий-234, образующийся при альфа-распаде урана-238 превращается в протактиний-234, который в свою очередь снова в уран, но уже в другой изотоп – уран-234.

Заканчиваются же все эти альфа и бета-минус переходы образованием стабильного свинца-206. А уран-234 альфа-распадом – опять в торий (торий-230). Далее торий-230 путём альфа-распада – в радий-226, радий – в радон.

Деление ядер атомов

Это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра атома на 2 примерно равные части , на два «осколка».

При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона и выделяется избыток энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при радиоактивном распаде.

Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8 -10 гамма-квантов!

Кроме того, разлетающиеся осколки обладают большой кинетической энергией (скоростью), которая переходит в тепловую.

Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них.

Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии.

Цепная реакция деления

Если позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный (ядерный) взрыв.

Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию (тепло), то эту энергию («атомную энергию ») можно использовать для получения электроэнергии. Это осуществляется в атомных реакторах, на атомных электростанциях.

Характеристики радиоактивных превращений

Период полураспада (T 1/2 ) – время, в течение которого половина радиоактивных атомов распадается и их количество уменьшается в 2 раза .

Периоды полураспада у всех радионуклидов разные – от долей секунды (короткоживущие радионуклиды) до миллиардов лет (долгоживущие).

Активность – это количество актов распада (в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений) в единицу времени (как правило, в секунду). Единицами измерения активности являются беккерель и кюри.

Беккерель (Бк) – это один акт распада в секунду (1 расп./сек).

Кюри (Ки) – 3,7×1010 Бк (расп./сек).

Единица возникла исторически: такой активностью обладает 1 грамм радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Именно с радием-226 долгие годы работали лауреаты Нобелевской премии французские учёные супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.

Закон радиоактивного распада

Изменение активности нуклида в источнике с течением времени зависит от периода полураспада данного нуклида по экспоненциальному закону:

A и (t) = A и (0) × exp (-0,693 t / T 1/2 ),

где A и (0) – исходная активность нуклида;
A и (t) – активность спустя время t;

T 1/2 – период полураспада нуклида.

Зависимость между массой радионуклида (без учета массы неактивного изотопа) и его активностью выражается следующим соотношением:

где m и – масса радионуклида, г;

T 1/2 – период полураспада радионуклида, с;

A и – активность радионуклида, Бк;

А – атомная масса радионуклида.

Проникающая способность радиоактивного излучения .

Пробег альфа-частиц зависит от начальной энергии и обычно колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле – 0,04 мм).

Альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека. Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути, поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь.

Пробег бета-частиц в веществе из-за малой массы (~ в 7000 раз

Меньше массы альфа-частицы), заряда и размеров значительно больше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Проникающая способность также зависит от энергии.

Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2÷3 м , в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах – долями см.

В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1÷2 см.

Кратность ослабления n- и гамма-излучений.

Наиболее проникающими видами излучения являются нейтронное и гамма-излучение. Их пробег в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности.

В качестве защиты от n- и гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления.

По отношению к изотопу кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 Мэв) для 10-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из:

• свинца толщиной порядка 5 см;
• бетона около 33 см;
• воды – 70 см.

Для 100-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из свинца толщиной 9,5 см; бетона – 55 см; воды – 115 см.

Единицы измерения в дозиметрии

Доза (от греческого – «доля, порция») облучения.

Экспозиционная доза (для рентгеновского и гамма-излучения) – определяется по ионизации воздуха.

Единица измерения в системе СИ – «кулон на кг» (Кл/кг) – это такая экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при создании которой в 1 кг сухого воздуха образуется заряд ионов одного знака, равный 1 Кл .

Внесистемной единицей измерения является «рентген» .

1 Р = 2,58 × 10 -4 Кл/кг.

По определению 1 рентген (1Р) – это такая экспозиционная доза при поглощении которой в 1 см 3 сухого воздуха образуется 2,08 × 10 9 пар ионов.

Связь между двумя этими единицами следующая:

1 Кл/кг = 3,68 ·10 3 Р.

Экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза в воздухе 0,88 рад.

Доза

Поглощённая доза – энергия ионизирующего излучения, поглощенная единичной массой вещества.

Под энергией излучения, переданной веществу, понимается разность между суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, попавших в рассматриваемый объем вещества, и суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, покидающих этот объем. Следовательно, поглощенная доза учитывает всю энергию ионизирующего излучения, оставленную в пределах этого объема, независимо от того, на что эта энергия потрачена.

Единицы измерения поглощенной дозы:

Грэй (Гр) – единица поглощённой дозы в системе единиц СИ. Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества.

Рад – внесистемная единица поглощённой дозы. Соответствует энергии излучения 100 эрг, поглощённой веществом массой 1 грамм.

1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.

Биологический эффект при одинаковой поглощенной дозе оказывается различным для разных видов излучения.

Например, при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение оказывается гораздо опаснее, чем фотонное или бета-излучение . Это связано с тем, что альфа-частицы создают на пути своего пробега в биологической ткани более плотную ионизацию, концентрируя таким образом вредное воздействие на организм в определенном органе. При этом весь организм испытывает на себе значительно большее угнетающее действие излучения.

Следовательно, для создания одинакового биологического эффекта при облучении тяжелыми заряженными частицами необходима меньшая поглощенная доза, чем при легкими частицами или фотонами.

Эквивалентная доза – произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения.

Единицы измерения эквивалентной дозы:

Зиверт (Зв) – это единица измерения эквивалентной дозы, любого вида излучения, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр

Следовательно, 1 Зв = 1 Дж/кг.

Бэр (внесистемная единица) – это такое количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное 1 кг биологической ткани, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе 1 рад рентгеновского или гамма-излучения.

1 бэр = 0,01 Зв = 100 эрг/г.

Наименование «бэр» образовано по первым буквам словосочетания «биологический эквивалент рентгена».

До недавнего времени при расчёте эквивалентной дозы использовались «коэффициенты качества излучения » (К) – поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты (различную способность повреждать ткани организма) разных излучений при одной и той же поглощённой дозе.

Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности (НРБ-99) назвали – «взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы (WR)».

Их значения составляют соответственно:

• рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны – 1 ;
• протоны с Е более 2 Мэв – 5 ;
• нейтроны с Е менее 10 кэв) – 5 ;
• нейтроны с Е от 10 кэв до 100 кэв – 10 ;
• альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра – 20 и т. д.

Эффективная эквивалентная доза – эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе , полученной конкретным органом, тканью (с учётом их веса), умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска ».

Эти коэффициенты используются в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновению стохастических эффектов от воздействия излучения.

В НРБ-99 их называют «взвешивающими коэффициентами для тканей и органов при расчёте эффективной дозы» .

Для организма в целом этот коэффициент принят равным 1 , а для некоторых органов имеет следующие значения:

• костный мозг (красный) – 0,12; Ÿ гонады (яичники, семенники) – 0,20;
• щитовидная железа – 0,05; Ÿ кожа – 0,01 и т. д.
• лёгкие, желудок, толстый кишечник – 0,12.

Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов.

Для измерения эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ используется та же единица – Зиверт (Зв).

1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение вели-чины поглощённой дозы в Гр эях (в биологической ткани) на взвешивающие коэффициенты будет равно 1 Дж/кг .

Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж .

Внесистемная единица – Бэр.

Взаимосвязь между единицами измерения:

1 Зв = 1 Гр * К = 1 Дж/кг * К = 100 рад * К = 100 бэр

При К=1 (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов) 1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр :

1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бэр.

Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает приблизительно столько же энергии, что и биологическая ткань.

Поэтому оказывается, что при оценке доз можно считать (с минимальной погрешностью), что экспозиционная доза в 1 рентген для биологической ткани соответствует (эквивалентна) поглощённой дозе в 1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при К=1), то есть, грубо говоря, что 1 Р, 1 рад и 1 бэр – это одно и то же.

При экспозиционной дозе 12 мкР/час за год получаем дозу 1 мЗв.

Кроме того, для оценки воздействия ИИ используют понятия:

Мощность дозы – доза, полученная за единицу времени (сек., час).

Фон – мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте.

Естественный фон – мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ.

Источники поступления радионуклидов в окружающую среду

1. Естественные радионуклиды , которые сохранились до нашего времени с момента их образования (возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной), так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни.

2. Радионуклиды осколочного происхождения , которые обра-зуются в результате деления ядер атомов. Образуются в ядерных реакторах, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция).

3. Радионуклиды активационного происхождения образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома субатомной частицы (чаще – нейтрона), в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. Получают активацией стабильных изотопов, помещая их в активную зону реактора, либо бомбардировкой стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т.п.

Области применения радионуклидных источников

Источники ИИ находят применение в промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях и медицине. Только в медицине используются приблизительно сто изотопов для различных медицинских исследований, постановки диагноза, стерилизации и радиотерапии.

Во всем мире во многих лабораториях используются радиоактивные материалы для научных исследований. Термоэлектрические генераторы на радиоизотопах применяются для производства электроэнергии для автономного энергопитания различной аппаратуры в удаленных и труднодоступных районах (радио-и световые маяки, метеостанции).

Повсеместно в промышленности используются приборы, содержащие радиоактивные источники для контроля технологических процессов (плотно-, уровне- и толщиномеры), приборы неразру-шающего контроля (гамма-дефектоскопы), приборы для анализа состава вещества. Излучение используется для повышения размера и качества урожая.

Влияние излучения на организм человека. Эффекты радиации

Радиоактивные частицы , обладая огромной энергией и скоростью, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к их разрушению, ионизации , к образованию «горячих» ионов и свободных радикалов.

Так как биологические ткани человека на 70% состоят из воды , то в большой степени ионизации подвергается именно вода . Из ионов и свободных радикалов образуются вредные для организма соединения, которые запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран (стенок клеток и других структур).

Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п., но особенно сильно – на младенцев, детей и подростков. При воздействии радиации скрытый (инкубационный, латентный) период , то есть время задержки до наступления видимого эффекта, может продолжаться годами и даже десятилетиями.

Воздействие радиации на организм человека и биологические объекты вызывает три различных отрицательных эффекта:

• генетический эффект для наследственных (половых) клеток организма. Он может проявиться и проявляется только в потомстве;
• генетико-стохастический эффект , проявляющийся для наследственного аппарата соматических клеток – клеток тела. Он проявляется при жизни конкретного человека в виде различных мутаций и заболеваний (в том числе раковых);
• соматический эффект , а точнее – иммунный. Это ослабление защитных сил, иммунной системы организма за счёт разрушения клеточных мембран и других структур.

Материалы по теме

Накопители тяжелых ионов открывают принципиально новые возможности в исследовании свойств экзотических ядер. В частности, они позволяют накапливать и в течение длительного времени использовать полностью ионизованные атомы – «голые» ядра. В результате становится возможным исследовать свойства атомных ядер, у которых нет электронного окружения и в которых отсутствует кулоновское воздействие внешней электронной оболочкис атомным ядром.

Рис. 3.2 Схема e-захвата в изотопе (слева) и полностью ионизованных атомах и (справа)

Распад на связанное состояние атома был впервые обнаружен в 1992 г. Наблюдался β - -распад полностью ионизованного атома на связанные атомные состояния . Ядро 163 Dy на N-Z диаграмме атомных ядер помечено черным цветом. Это означает, что оно является стабильным ядром. Действительно, входя в состав нейтрального атома, ядро 163 Dy стабильно. Его основное состояние (5/2 +) может заселятся в результате e-захвата из основного состояния (7/2 +) ядра 163 Ho. Ядро 163 Ho, окруженное электронной оболочкой,β - -радиоактивно и его период полураспада составляет ~10 4 лет. Однако это справедливо только если рассматривать ядро в окружении электронной оболочки. Для полностью ионизированных атомов картина принципиально другая. Теперь основное состояние ядра 163 Dy оказывается по энергии выше основного состояния ядра 163 Ho и открывается возможность для распада 163 Dy (рис. 3.2)

Образующийся в результате распада электрон может быть захвачен на вакантную К или L-оболочку иона . В результате распад (3.8) имеет вид

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Энергии β-распадов на K и L-оболочки равны соответственно (50.3±1) кэВ и (1.7±1) кэВ. Для наблюдения распада на связанные состояния K- и L-оболочки в накопительном кольце ESR в GSI было накоплено 10 8 полностью ионизированных ядер . В течение времени накопления в результате β + -распада образовывались ядра (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Динамика накопления ионов: а - ток накопленных в накопительном кольце ESR ионов Dy 66+ во время разных стадий эксперимента, β- интенсивности ионов Dy 66+ и Ho 67+ , измеренные внешним и внутренним позиционно-чувствительными детекторами соответственно

Так как ионы Ho 66+ имеют практически то же отношение M/q, что и ионы первичного пучка Dy 66+ , они накапливаются на одной и той же орбите. Время накопления составляло ~ 30 мин. Для того, чтобы измерить период полураспада ядра Dy 66+ , накопленный на орбите пучок было необходимо очистить от примеси ионов Ho 66+ . Для очистки пучка от ионов в камеру инжектировалась аргоновая газовая струя плотностью 6·10 12 атом/см 2 , диаметром 3 мм, которая пересекала накопленный пучок ионов в вертикальном направлении. За счет того, что ионыHo 66+ захватывали электроны, они выбывали с равновесной орбиты. Очистка пучка проходила в течение приблизительно 500 с. После чего газовая струя перекрывалась и в кольце продолжали циркулировать ионы Dy 66+ и вновь образовавшиеся (после выключения газовой струи) в результате распада ионы Ho 66+ . Продолжительность этого этапа менялась от 10 до 85 мин. Детектирование и идентификация Ho 66+ базировались на том, что Ho 66+ можно еще сильнее ионизировать. Для этого на последнем этапе в накопительное кольцо снова инжектировалась газовая струя. Происходило обдирание последнего электрона с иона 163 Ho 66+ и в результате получался ион 163 Ho 67+ . Рядом с газовой струей располагался позиционно-чувствительный детектор, которым регистрировались выбывающие из пучка ионы 163 Ho 67+ . На рис. 3.4 показана зависимость числа образующихся в результате β-распада ядер 163 Ho от времени накопления. На вставке показано пространственное разрешение позиционно-чувствительного детектора.
Таким образом, накопление в пучке 163 Dy ядер 163 Ho явилось доказательством возможности распада

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Рис. 3.4. Отношение дочерних ионов 163 Ho 66+ к первичным 163 Dy 66+ в зависимости от времени накопления. На врезке пик 163 Ho 67+ , зарегистрированный внутренним детектором

Варьируя интервал времени между очисткой пучка от примеси Ho 66+ и временем регистрации вновь образующихся в пучке примеси ионов Ho 66+ , можно измерить период полураспада полностью ионизированного изотопа Dy 66+ . Оно оказалось равным ~0.1 года.
Аналогичный распад был обнаружен и для 187 Re 75+ . Полученный результат крайне важен для астрофизики. Дело в том, что нейтральные атомы 187 Re имеют период полураспада 4·10 10 лет и используются как радиоактивные часы. Период полураспада 187 Re 75+ составляет всего 33±2 года. Поэтому в астрофизические измерения необходимо вносить соответствующие поправки, т.к. в звездах 187 Re чаще всего находится в ионизированном состоянии.
Изучение свойств полностью ионизованных атомов открывает новое направление исследований экзотических свойств ядер, лишенных кулоновского воздействия внешней электронной оболочки.

Бета-распад становится возможным тогда, когда замена в атомном ядре нейтрона на протон (или, наоборот, протона на нейтрон) энергетически выгодна и получающееся новое ядро имеет меньшую массу покоя, т. е. большую энергию связи. Избыток энергии распределяется между продуктами реакции.

Бета-распад бывает трех видов:

1. Один из нейтронов (n) в ядре превращается в протон (р). При этом излучается электрон (е-) и антинейтрино (ṽ e) (см. Нейтрино, Антивещество). Это - β - -распад.

A(Z,N) → A(Z+1,N-1) + е - + ṽ e

(n → р + е - + ṽ e),

где A(Z,N) - обозначение ядра с числом протонов Z и нейтронов N. Заряд ядра увеличивается на 1. Простейший вид из всех видов β - -распада - распад свободного нейтрона, который тяжелее протона и поэтому нестабилен.

2. Протон, входящий в состав ядра, распадается на нейтрон (N), позитрон (е+) и нейтрино (v e). Это - β + -распад.

A(Z,N) → A(Z-1,N+1) + e + + v e

(p → рn + е + + v e).

Заряд ядра уменьшается на 1. Процесс может происходить только в ядре; свободный протон не распадается таким образом.

3. Наконец, ядро может захватить ближайший из атомных электронов (электронный захват) и превратиться в другое ядро с зарядом на 1 меньше:

A(Z,N) + е - → A(Z-1,N+1) + v e

(р + е - → n + v e).

β-частица при этом не излучается.

Когда физики начали изучать β-распад, о существовании нейтрино (v e или ṽ e)> обладающего огромной проникающей способностью, ничего не было известно.

Загадка, с которой столкнулись экспериментаторы,- сплошной энергетический спектр электронов, излучаемых при р-распаде. В этом процессе на долю дочернего ядра приходится ничтожная часть освобождающейся энергии. Вся она идет на электрон, и поэтому все β-частицы должны были бы иметь одинаковую энергию E 0 . А на опыте наблюдалась такая картина: испускались электроны любой энергии, вплоть до максимально возможной - E 0 .

Физики предположили, что виноват источник: р-частицы теряют свою энергию, когда проходят сквозь его материал. Для проверки этой гипотезы несколько групп экспериментаторов поставили калориметрические опыты. Делались они так: радиоактивный источник помещали в калориметр с такими толстыми стенками, чтобы β-частицы в них полностью поглощались. Это позволило измерить всю энергию, выделяющуюся за определенное время.

Потом рассчитали энергию, приходящуюся на одну β-частицу. Экспериментаторы ожидали, что она окажется близкой к E 0 , но всякий раз получали величину, приблизительно в 2 раза меньшую.

Выход из положения нашел швейцарский физик-теоретик В. Паули. Он высказал предположение, что при β-распаде испускается частица, обладающая несравненно большей проникающей способностью, чем электроны. Ее не могут задержать стенки калориметра, и она уносит с собой часть энергии. Так родилось представление о нейтрино.

Теория β-распада была создана в 1934 г. итальянским физиком Э. Ферми. В ней ученый предположил, что электрон и нейтрино рождаются в момент распада нуклона в ядре. Он ввел в теорию константу G, которая играла для β-распада такую же роль, что и заряд е для электромагнитных процессов, и вычислил ее величину на основании экспериментальных данных. Теория Ферми позволила рассчитать форму p-спектров и связать граничную энергию распада E 0 со временем жизни радиоактивного ядра. Нейтрино в этой теории имело заряд, равный нулю, и нулевую массу (во всяком случае, m v ~< m e).

В течение следующих лет теорию стремились видоизменить, дополнить и усложнить, поскольку казалось, что она слишком проста и не описывает всех опытных данных. Прошло несколько десятилетий, прежде чем физики убедились, что все эти дополнения основаны на ошибочных экспериментах, а путь, выбранный Ферми, правильный. Созданная сейчас теория объединенного слабого и электромагнитного взаимодействия включает его как первое приближение (см. Четность, Нейтрино, Слабые взаимодействия) .

Приведем некоторые данные о бета-распаде ядер.

Граничная энергия β-частиц (E 0) - от нескольких КэВ до - 17 МэВ.

Время жизни ядер по отношению к β-распа-ду -от 1,3x10 -2 с до ~2x10 13 лет.

Пробег β-частиц в легких веществах - несколько сантиметров. Они теряют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов.

· Цепная ядерная реакция

В β + -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино :

Таким образом, в отличие от β − -распада , β + -распад не может происходить в отсутствие внешней энергии, поскольку масса самого нейтрона больше массы протона. β + -распад может случаться только внутри ядер, где абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц.

Во всех случаях, когда β + -распад энергетически возможен (и протон является частью ядра с электронными оболочками), он сопровождается процессом электронного захвата , при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:

Но если разность масс начального и конечного атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ), то электронный захват происходит, не сопровождаясь конкурирующим процессом позитронного распада; последний в этом случае запрещён законом сохранения энергии .

Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра , эти процессы распада превращают один химический элемент в другой. Например:

Бета-распад не меняет число нуклонов в ядре A , но меняет только его заряд Z . Таким образом может быть введён набор всех нуклидов с одинаковым A ; эти изобарные нуклиды могут превращаться друг в друга при бета-распаде. Среди них некоторые нуклиды (по крайней мере, один) бета-стабильны, поскольку они представляют собой локальные минимумы излишка массы: если такое ядро имеет (A , Z ) числа, соседние ядра (A , Z −1) и (A , Z +1) имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада в (A , Z ), но не наоборот. Необходимо заметить, что бета-стабильное ядро может подвергаться другим типам радиоактивного распада (альфа-распаду , например). Большинство изотопов, существующих в природных условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с такими большими периодами полураспада , что они не успели исчезнуть за примерно 4,5 млрд лет, прошедшие с момента нуклеосинтеза . Например, 40 K , который испытывает все три типа бета-распада (бета-минус, бета-плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1.277×10 9 лет.

Бета-распад можно рассматривать как переход между двумя квантовомеханическими состояниями, обусловленный возмущением, поэтому он подчиняется золотому правилу Ферми .

График Кюри

График Кюри (известен также как график Ферми) - диаграмма, используемая для изучения бета-распада. Это энергетическая зависимость квадратного корня из количества излучённых бета-частиц с данной энергией, делённая на функцию Ферми. Для разрешённых (и некоторых запрещённых) бета-распадов график Кюри линеен (прямая линия, наклонённая в сторону роста энергии). Если нейтрино имеют конечную массу, то график Кюри вблизи точки пересечения с осью энергии отклоняется от линейного, благодаря чему появляется возможность измерить массу нейтрино.

Двойной бета-распад

Некоторые ядра могут испытывать двойной бета-распад (ββ-распад), при котором заряд ядра меняется на две единицы. В самых практически интересных случаях такие ядра бета-стабильны (простой бета-распад энергетически запрещён), поскольку когда β- и ββ-распады оба разрешены, вероятность β-распада (обычно) намного больше, мешая исследованиям очень редких ββ-распадов. Таким образом, ββ-распад обычно изучается только для бета-стабильных ядер. Как и простой бета-распад, двойной бета-распад не меняет A ; следовательно, как минимум один из нуклидов с данным A должен быть стабильным по отношению как к простому, так и к двойному бета-распаду.

История

Исторически исследование бета-распада привело к первому физическому свидетельству существования нейтрино . В году Лиза Мейтнер и Отто Ган провели эксперимент, который показал, что энергии электронов, испускаемых при бета-распаде, имеют непрерывный, а не дискретный спектр. Это находилось в очевидном противоречии с законом сохранения энергии, поскольку получалось, что часть энергии терялась в процессах бета-распада. Вторая проблема заключалась в том, что спин атома азота -14 был равен 1, что противоречило предсказанию Резерфорда - ½. В известном письме, написанном в году, Вольфганг Паули предположил, что помимо электронов и протонов атомы содержат очень легкую нейтральную частицу, которую он назвал нейтроном. Он предположил, что этот «нейтрон» испускается при бета-распаде и раньше просто не наблюдался. В году

Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования.

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро

Альфа-распад – это внутриядерный процесс . В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон (β-частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно,
образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример β-распада:

Гамма-распад

Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях либо при радиоактивных

Существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма распад.

Таблица распадов

β-излучение состоит из электронов и γ-излучение является потоком высокочастотных электромагнитных квантов , испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния.

молодыми физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком, связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые достаточно тяжелые ядра распадаются на два осколка с примерно равными массами.
Но и деление не исчерпало всех видов радиоактивных превращений атомных ядер. Начиная с 50-х годов физики методично приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того чтобы ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была положительной. Но таких ядер в земных условиях не существует, и их необходимо было создать искусственно. К получению таких ядер были очень близки российские физики в Дубне, но протонную радиоактивность открыли в 1982 году немецкие физики в Дармштадте, использовавшие самый мощный в мире ускоритель многозарядных ионов.

Наконец, в 1984 году независимые группы ученых в Англии и России открыли кластерную радиоактивность некоторых тяжелых ядер, самопроизвольно испускающих кластеры - атомные ядра с атомным весом от 14 до 34.