Поток положительно заряженных частиц ядер гелия радиация. Характеристика отдельных видов излучений

Альфа излучение представляет собой поток тяжелых, положительно заряженных частиц, состоящих из протона и нейтрона – ядер гелия, имеющий небольшую начальную скорость и сравнительно высокий уровень энергии (от 3 до 9 МэВ). Пробег альфа частиц, испускаемых преимущественно естественными элементами (радий, торий, уран, полоний и др.), сравнительно невелик. Так, в воздухе он составляет 10…11см, а в биологических тканях - всего несколько десятков микрометров (30…40 Мкм). Альфа частицы, имея сравнительно большую массу и низкую начальную скоростью, при взаимодействии с веществом быстро теряют свою энергию и поглощаются им. Вследствие этого они обладают наибольшей линейной плотностью ионизации, но низкой проникающей способностью.

Бета-излучение представляет собой поток отрицательно заряженных частиц - электронов или положительно заряженных частиц - позитронов и возникает при распаде естественных и искусственных радиоактивных элементов. Обладая высокой скоростью распространения, приближающейся к скорости света, бета частицы имеют больший пробег в среде, чем альфа частицы. Так, максимальный пробег в воздухе бета частиц достигает несколько метров, а в биологических средах –1…2 см. Значительно меньшая масса и уровень энергии (0,0005…3,5 МэВ) бета частиц определяют и более низкую их ионизирующую способность.

Они обладают большей, чем у альфа частиц, проникающей способностью, которая зависит от уровня энергии бета излучателя.

Гамма-излучение, рассматриваемое как поток гамма квантов и представляющее собой электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны, возникает в процессе ядерных реакций и радиоактивного распада. Диапазон энергии гамма излучений лежит в пределах 0.01…3 МэВ. Оно обладает весьма высокой проникающей способностью и малым ионизирующим действием. Гамма-излучение глубоко проникает в биологические ткани, вызывая в них разрыв молекулярных связей.

Нейтронное излучение, представляющее собой поток элементарных частиц атомных ядер – нейтронов, обладает большой проникающей способностью, зависящей от энергии нейтронов и химической структуры облучаемого вещества. Нейтроны не имеют электрического заряда и обладают массой, близкой к массе протона. Взаимодействие нейтронов со средой сопровождается рассеянием (упругим или не упругим) нейтронов на ядрах атомов, которое является результатом упругих либо неупругих столкновений нейтронов с атомами облучаемого вещества. В результате упругих столкновений, сопровождающихся изменением траектории нейтронов и передачей атомным ядрам части кинетической энергии, происходит обычная ионизация вещества.

При неупругом рассеянии нейтронов их кинетическая энергия затрачивается, в основном, на радиоактивное возбуждение ядер среды, что может вызвать вторичное излучение, состоящее как из заряженных частиц, так из гамма квантов. Приобретение веществами, облучаемыми нейтронами, так называемой наведенной радиации, увеличивает возможность радиоактивного заражения и является важной особенностью нейтронного излучения.

Рентгеновское изучение представляет собой электромагнитное излучение, возникающее при облучении вещества потоком электронов при достаточно высоких напряжениях, достигающих сотни киловольт. По характеру действия рентгеновское излучение сходно с гамма-излучением. Оно обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения при облучении вещества. В зависимости от величины электрического напряжения в установке, энергия рентгеновского излучения может быть в пределах от 1 кэВ до 1 MэB.

Радиоактивные вещества самопроизвольно распадаются, с течением времени теряя свою активность. Скорость распада является одной из важных характеристик радиоактивных веществ.

Каждому изотопу присущ определенный период полураспада, т.е. время, за которое распадается половина ядер этого изотопа. Периоды полураспада бывают небольшими (радон-222, протактиний-234 и др.) и весьма большими (уран-238, радий, плутоний и др.).

При внедрении в организм радиоактивных элементов с коротким периодом полураспада вредное воздействие радиации и болезненные явления прекращаются довольно быстро.

Дозы радиационного облучения

Мерой количества радиоактивных веществ является их активность С, выражающаяся числом распадов атомных ядер в единицу времени. За единицу активности принимают распад в секунду (распад/с).

Эта единица в системе Си получила название Беккерель (Бк). Один Беккерель соответствует одному распаду в секунду для любого радионуклида. Внесистемной единицей активности является кюри. Кюри (Kи) – это активность радиоактивного вещества, в котором распадается 3,7*1010 ядер в секунду. 1 Ки = 3,7*1010 Бк. Обычно пользуются единицами более мелкими - милликюри (мКи) и микрокюри (мкКи).

Различают экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозу излучения.

Экспозиционная доза – кулон на килограмм, (Кл/кг) характеризует действие ионизирующего излучения

Dэксп. = Q/m,

где Q - заряд одного знака образованный при радиоактивном облучении воздуха, Кл (кулон);

m - масса воздуха, кг.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы излучения является рентген (Р).

1 рентген - доза радиоактивного излучения, которая в 1 см3 сухого воздуха при нормальных атмосферных условиях производит ионы, несущие заряд каждого знака в одну электростатическую единицу.

Важное значение для эффекта облучения имеет мощность дозы облучения. За внесистемную единицу мощности дозы облучения принят рентген в секунду (Р/с).

Мощность экспозиционной дозы (ампер на килограмм) определяется по формуле:

Рэксп = Dэксп /t ,

где t - время облучения.

Поглощенная доза излучения (Дж/кг) характеризует поглощающие свойства облучаемой среды и во многом зависит от вида излучения. Эта единица получила название грей (Гр).

Dпогл = E/m,

где Е - энергия излучения, Дж;

m - масса среды, поглотившей энергию, кг.

3а внесистемную единицу поглощенной дозы излучения принят рад. 1рад.=10-2Гр.

Более мелкими единицами является миллирад (мрад) и микрорад (мкрад).

Мощность поглощенной дозы, вт/кг

Рпогл = Dпогл/t .

Для оценки неодинакового биологического эффекта, вызываемого одной и той же дозой различных видов ионизирующих излучений, введено понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза радиоактивного излучения характеризуется поглощенной дозой излучения и коэффициентом относительной биологической эффективности, называемым коэффициентом качества (Кк) различных излучений при воздействии их на человека.

Dэкв = DпоглKk .

Единица эквивалентной дозы в системе СИ – Зиверт (Зв). Один Зиверт соответствует дозе в 1 Дж/кг (для рентгеновского, γ-, и β- излучений).

Единицей эквивалентной дозы излучения является бэр (биологический эквивалент рентгена).

Бэр – доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или гамма-излучения в 1 рентген.

Коэффициент качества для гамма- и рентгеновского излучения, бета частиц, электронов и позитронов ранен единице.

 Теория: Радиоактивность - изменение состава атомного ядра.

Альфа излучение - поток ядер гелия (поток положительно заряженных частиц)
При альфа излучении массовое число уменьшается на 4, а зарядовое уменьшается на 2.
Правило смещения: при альфа излучении элемент смещается на две клетки к началу таблицы Менделеева.

бета излучение - поток электронов (поток отрицательно заряженных частиц)
При бета излучении массовое число не меняется, зарядовое увеличивается на 1.
Правило смещения: при бета излучении элемент смещается на одну клетку к концу таблицы Менделеева.

гамма излучение - электромагнитная волна высокой частоты и проникающей способностью.

При попадании α и β частиц в магнитное поле на них действует сила, отклоняющая их в сторону. Масса альфа частиц больше чем масса бета частиц, поэтому они отклоняются слабее. Направление силы находится по . γ лучи не откланяются.

Периодом полураспада называется промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных ядер. Но закон полураспада справедлив только для большого числа атомов. Так как невозможно предугадать когда распадется отдельно взятое ядро, но для большого числа частиц этот закон справедлив.


При испускании γ-кванта
1) массовое и зарядовое числа ядра не изменяются
2) массовое и зарядовое числа ядра увеличиваются
3) массовое число ядра не изменяется, зарядовое число ядра увеличивается
4) массовое число ядра увеличивается, зарядовое число ядра не изменяется
Решение: гамма излучение это электромагнитная волна, оно не влияет на состав атомного ядра, массовое и зарядовое числа ядра не изменяются.
Ответ: 1
Задание огэ по физике (фипи): Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией β-распада?

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Решение: бета распад сопровождается испусканием электронов ни в одной из реакций нет электрона.
Ответ: 4
Задание огэ по физике (фипи): Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией β-распада?
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Решение: бета распад сопровождается испусканием электронов , в обеих реакциях образуется электрон..
Ответ: 3

Задание огэ по физике (фипи): Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите, изотоп какого элемента образуется в результате альфа-распада висмута.

1) изотоп свинца
2) изотоп таллия
3) изотоп полония
4) изотоп астатина
Решение: в результате альфа-распада порядковый номер элемента уменьшится на 2, из висмута (Z=83) элемент превратиться в изотоп таллия (Z=81)
Ответ: 2

Задание огэ по физике (фипи): Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите, изотоп какого элемента образуется в результате электронного бета-распада висмута.

1) изотоп свинца
2) изотоп таллия
3) изотоп полония
4) изотоп астатина
Решение: в результате бета-распада порядковый номер элемента увеличится на 1, из висмута (Z=83) элемент превратиться в изотоп полония (Z=84)
Ответ: 3

Задание огэ по физике (фипи): Контейнер с радиоактивным веществом помещают в магнитное поле, в результате чего пучок радиоактивного излучения распадается на три компоненты (см. рисунок).

Компонента (3) соответствует
1) гамма-излучению
2) альфа-излучению
3) бета-излучению
4) нейтронному излучению
Решение: воспользуемся правилом левой руки, поток частиц направлен вверх, четыре пальца направим вверх. Линии магнитного поля направлены в плоскость экрана (от нас), линии магнитного поля направляем в ладонь, отогнутый на 90 o большой палец показывает, что положительно заряженные частицы отклоняются влево. Компонента (3) отклонилась вправо, следовательно эти частицы отрицательно заряжены. Бета-излучение это поток отрицательно заряженных частиц.
2 способ: Компонента (3) отклоняется сильнее чем компонента (1), значит у (3) масса меньше. У электрона масса меньше чем у ядра гелия, значит компонента (3) это поток электронов (гамма-излучение)
Ответ: 3

Задание огэ по физике (фипи): Периодом полураспада называется промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных ядер. На рисунке представлен график изменения количества N радиоактивных ядер с течением времени t.

Согласно графику период полураспада равен
1) 10 с
2) 20 с
3) 30 с
4) 40 с
Решение: В момент времени t 1 = 20 секунд было N 1 = 40·10 6 радиоактивных ядер, половина радиоактивных ядер N 2 = 20·10 6 распалась к моменту времени t 2 = 40 секунд, следовательно период полураспада T = t 2 - t 1 = 40 - 20 = 20 c, из графика видно, что за каждые 20 секунд распадается половина оставшихся атомов.
Ответ: 2
Задание огэ по физике 2017: При альфа-распаде ядра его зарядовое число
1) уменьшается на 2 еденицы
2) уменьшается на 4 еденицы
3) увеличивается на 2 еденицы
4) увеличивается на 4 еденицы
Решение: При альфа-распаде ядра его зарядовое число уменьшается на 2 единицы, т.к. вылетает ядро гелия с зарядом +2е.
Ответ: 1
Задание огэ по физике (фипи): При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение (поток альфа-частиц), бета-излучение (поток бета-частиц) и гамма-излучение. Каковы знак и модуль заряда бета-частиц?
1) положительный и равный по модулю элементарному заряду
2) положительный и равный по модулю двум элементарным зарядам
3) отрицательный и равный по модулю элементарному заряду
4) бета-частицы не имеют заряда
Решение: бета-излучение это поток электронов, заряд электрона отрицателен и равен по модулю элементарному заряду.
Ответ: 3
Задание огэ по физике (фипи): Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией α-распада?

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Решение: При альфа-распаде образуются ядра гелия , из двух реакций только во второй образуется ядро гелия.
Ответ: 2
Задание огэ по физике (фипи): Радиоактивный препарат помещён в магнитное поле. В этом поле могут отклониться
А. α-лучи.
Б. β-лучи.
Правильным ответом является
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Решение: движущаяся заряженная частица попадая в магнитное поле отклоняется, α-лучи и β-лучи имеют заряд, следовательно, они будут отклонятся в магнитном поле.
Ответ: 3
Задание огэ по физике (фипи): Какие виды радиоактивного излучения, проходящего через сильное магнитное поле, не отклоняются?
1) альфа-излучение
2) бета-излучение
3) гамма-излучение
4) альфа-излучение и бета-излучение
Решение: движущаяся заряженная частица попадая в магнитное поле отклоняется, гамма-лучи не имеют заряда, поэтому в магнитном поле они не отклоняются.
Ответ: 3
Задание огэ по физике (фипи): Естественная радиоактивность элемента
1) зависит от температуры окружающей среды
2) зависит от атмосферного давления
3) зависит от химического соединения, в состав которого входит радиоактивный элемент
4) не зависит от перечисленных факторов
Ответ: 4
Задание огэ по физике (фипи): Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите состав ядра фтора с массовым числом 19.

1) 9 протонов, 10 нейтронов
2) 10 протонов, 9 нейтронов
3) 9 протонов, 19 нейтронов
4) 19 протонов, 9 нейтронов
Решение: число протонов равно порядковому номеру элемента, у фтора 9 протонов, что бы найти число нейтронов из массового числа вычтем зарядовое 19-9=10.
Ответ: 1
Задание огэ по физике (фипи): Какое из трех типов излучения – α, β или γ – обладает наименьшей проникающей способностью?
1) α
2) β
3) γ

Решение: из трех видов излучений, самые крупные это α-частицы, ядра гелия крупнее чем электроны и гамма кванты, следовательно, им труднее пройти через препятствие.
Ответ: 1
Какое из трех типов излучения – α, β или γ – обладает наибольшей проникающей способностью?
1) α
2) β
3) γ
4) проникающая способность всех типов излучения одинакова

Корпускулярные излучения - ионизирующие излучения, состоящие из частиц с массой, отличной от нуля.

Альфа-излучение - поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия - 24Не), который движется со скоростью около 20000 км/с. Альфа-лучи образуются при радиоактивном распаде ядер элементов с большими порядковыми номерами и при ядерных реакциях, превращениях. Энергия их колеблется в пределах 4-9 (2-11) МэВ. Пробег a-частиц в веществе зависит от их энергии и от природы вещества, в котором они движутся. В среднем в воздухе пробег составляет 2-10 см, в биологической ткани - несколько микрон. Так как a-частицы массивны и обладают относительно большой энергией, путь их в веществе прямолинейный , они вызывают сильно выраженный эффект ионизации. Удельная ионизация составляет примерно 40000 пар ионов на 1 см пробега в воздухе (на всей длине пробега может создаваться до 250 тысяч пар ионов). В биологической ткани на пути в 1-2 микрона также создается до 40000 пар ионов. Вся энергия передается клеткам организма, нанося ему огромный вред.

Альфа-частицы задерживаются листом бумаги и практически не могут проникать через внешний (наружный) слой кожи, они поглощаются роговым слоем кожи. Поэтому a-излучение не представляет опасности до той поры, пока радиоактивные вещества, излучающие a-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом - тогда они становятся чрезвычайно опасными .

Бета-излучение - поток b-частиц, состоящий из электронов (отрицательно заряженных частиц) и позитронов (положительно заряженных частиц), испускаемых атомными ядрами при их b-распаде. Масса β-частиц в абсолютном выражении равна 9,1х10-28 г. Бета-частицы несут один элементарный электрический заряд и распространяются в среде со скоростью от 100 тыс. км/с до 300 тыс. км/с (т.е. до скорости света) в зависимости от энергии излучения. Энергия b-частиц колеблется в значительных пределах. Это объясняется тем, что при каждом b-распаде радиоактивных ядер образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, b-частицами и нейтрино в разных соотношениях, причем энергия b -частиц может колебаться от нуля до какого-то максимального значения. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,015-0,05 МэВ (мягкое излучение) до 3-13,5 МэВ (жесткое излучение).

Так как b-частицы имеют заряд, то под действием электрического и магнитного полей они отклоняются от прямолинейного направления. Обладая очень малой массой, b-частицы при столкновении с атомами и молекулами также легко отклоняются от своего первоначального направления (т.е. происходит сильное рассеяние их). Поэтому определить длину пути бета-частиц очень трудно - этот путь слишком извилистый. Пробег
b-частиц в связи с тем, что они обладают различным запасом энергии также подвергается колебаниям. Длина пробега в воздухе может достигать
25 см, а иногда и нескольких метров. В биологических тканях пробег частиц составляет до 1 см. На путь пробега влияет также плотность среды.

Ионизирующая способность бета-частиц значительно ниже, чем альфа-частиц. Степень ионизации зависит от скорости: меньше скорость - больше ионизация. На 1 см пути пробега в воздухе b-частица образует
50-100 пар ионов (1000-25 тыс. пар ионов на всем пути в воздухе). Бета-частицы больших энергий, пролетая мимо ядра слишком быстро, не успевают вызвать такой же сильный ионизирующий эффект, как медленные бета-частицы. При потере энергии захватывается либо положительным ионом с образованием нейтрального атома, либо атомом с образованием отрицательного иона.

Нейтронное излучение - излучение, состоящее из нейтронов, т.е. нейтральных частиц. Нейтроны образуются при ядерных реакциях (цепной реакции деления ядер тяжелых радиоактивных элементов, при реакциях синтеза более тяжелых элементов из ядер водорода). Нейтронное излучение является косвенно ионизируемым; образование ионов происходит не под действием самих нейтронов, а под действием вторичных тяжелых заряженных частиц и гамма-квантов, которым нейтроны передают свою энергию. Нейтронное излучение чрезвычайно опасно вследствие своей высокой проникающей способности (пробег в воздухе может достигать несколько тысяч метров). Кроме того нейтроны могут вызвать наведенную (в том числе и в живых организмах), превращая атомы стабильных элементов в их радиоактивные . От нейтронного облучения хорошо защищают водородсодержащие материалы (графит, парафин, вода и т.д.).

В зависимости от энергии различают следующие нейтроны:

1. Сверхбыстрые нейтроны с энергией в 10-50 МэВ. Они образуются при ядерных взрывах и работе ядерных реакторов.

2. Быстрые нейтроны, энергия их превышает 100 кэВ.

3. Промежуточные нейтроны - энергия их от 100 кэВ до 1 кэВ.

4. Медленные и тепловые нейтроны. Энергия медленных нейтронов не превышает 1 кэВ. Энергия тепловых нейтронов достигает 0,025 эВ.

Нейтронное излучение используют для нейтронной терапии в медицине, определения содержания отдельных элементов и их изотопов в биологических средах и т.д. В медицинской радиологии используются главным образом быстрые и тепловые нейтроны, в основном используют калифорний-252, распадающийся с выбросом нейтронов со средней энергией в 2,3 МэВ.

Электромагнитные излучения различаются по своему происхождению, энергии, а также по длине волны. К электромагнитным излучениям относятся рентгеновское излучение, гамма-излучение радиоактивных элементов и тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц. Видимый свет и радиоволны - тоже электромагнитные излучения, но они не ионизируют вещество, ибо характеризуются большой длинной волны (меньшей жесткостью). Энергия электромагнитного поля излучается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (фотонами). Поэтому электромагнитные излучения - это поток квантов или фотонов.

Рентгеновские излучения. Рентгеновские лучи были открыты Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 г. Рентгеновское излучение - это квантовое электромагнитное излучение с длинной волны 0,001-10 нм. Излучение с длинной волны, превышающей 0,2 нм условно называют «мягким» рентгеновским излучением, а до 0,2 нм - «жестким». Длина волны - расстояние, на которое излучение распространяется за один период колебания. Рентгеновское излучение, как и всякое электромагнитное излучение, распространяется со скоростью света - 300000 км/с. Энергия рентгеновского излучения обычно не превышает 500 кэВ.

Различают тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Тормозное излучение возникает при торможении быстрых электронов в электростатическом поле ядра атомов (т.е. при взаимодействие электронов с ядрами атомов). При прохождении электрона больших энергий вблизи ядра наблюдается рассеяние (торможение) электрона. Скорость электрона снижается, и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного рентгеновского излучения.

Характеристические рентгеновские излучения возникают, когда быстрые электроны проникают вглубь атома и выбивают из внутренних уровней (К, L и даже М). Атом возбуждается, а затем возвращается в основное состояние. При этом электроны из внешних уровней заполняют освободившиеся места во внутренних уровнях и при этом излучаются фотоны характеристического излучения с энергией, равной разности энергии атома в возбужденном и основном состоянии (не превышающем 250 кэВ). Т.е. характеристическое излучение возникает при перестроении электронных оболочек атомов. При различных переходах атомов из возбужденного состояния в невозбужденное, избыток энергии может также испускаться в виде видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Так как рентгеновские лучи обладают малой длиной волн и меньше поглощаются в веществе, то они обладают большей проникающей способностью.

Гамма-излучение - это излучение ядерного происхождения. Оно испускается ядрами атомов при альфа и бета распаде природных искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- и бета-частицей). Этот избыток энергии мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов. Т.е. гамма-излучения - это поток электромагнитных волн (квантов), который излучается в процессе радиоактивного распада при изменении энергетического состояния ядер. Кроме того, гамма-кванты образуются при антигиляции позитрона и электрона. По свойствам гамма-излучение близко к рентгеновскому излучению, но обладает большей скоростью и энергией. Скорость распространения в вакууме равняется скорости света - 300000 км/с. Так как гамма-лучи не имеют заряда, то в электрическом и магнитном полях не отклоняются, распространяясь прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Энергия гамма-излучения колеблется от десятков тысяч до миллионов электрон-вольт (2-3 МэВ), редко достигает 5-6 МэВ (так средняя энергия гамма-лучей, образующихся при распаде кобальта-60 равна 1,25 МэВ). В состав потока гамма-излучений входят кванты различных энергий. При распаде 131

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элемен­тарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся: 1) α – распад, 2) β – распад (в том числе электронный захват), 3) γ – излуче­ние ядер, 4) спонтанное деление тяжелых ядер, 5) протонная радио­активность.

Процесс радиоактивного превращения ядер, существующих в природе и ядер, полученных посредством ядерных реакций, подчиняется одинаковым законам.

Закон радиоактивного превращения . Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Поэтому можно считать, что количество ядерdN, распадающихся за малый промежуток времениdt, пропорционально как числу имеющихся ядер N, так и промежутку времениdt:

Здесь λ– характерная для каждого радиоактивного вещества константа, называемаяпостоянной распада . Знак минус взят для того, чтобыdN можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер N.

Интегрирование выражения приводит к соотношению

N = N 0 e -λt ,

где N 0 – количество ядер в начальный момент,N– количество нераспавшихся ядер в момент времениt. Формула выра­жает закон радиоактивного превращения. Этот закон весьма прост:число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.

Количество ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

N 0 - N = N 0 (1 - e -λt).

Время, за которое распадается половина первоначального ко­личества ядер, называется периодом полураспада T. Это время определяется условием

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах от 3 ·10 -7 с до 5·10 15 лет.

Найдем среднее время жизни радиоактивного ядра. Количество ядер dN(t), испытывающих превращение за промежуток времени отtдо (t + dt), определяется модулем выражения: dN(t) = λN(t)dt. Время жизни каждого из этих ядер равно t. Следовательно, сумма времен жизни всехN 0 имевшихся первона­чально ядер получается путем интегрирования выраженияtdN(t). Разделив эту сумму на число ядер N 0 получим среднее время жиз­ни τ радиоак-тивного ядра:

Подставим сюда выражение для N(t):

(надо перейти к переменной x = λtи осуществить интегрирование по частям). Таким образом, среднее время жизни есть величина, обратная постоянной распадаλ:

.

Сравнение с показывает, что период полураспада T отлича­ется от τчисловым множителем, равным ln2.

Часто бывает, что возникающие в результате радиоактивного превращения ядра в свою очередь оказываются радиоактивными и рас­падаются с иной скоростью, характеризуемой иной постоянной распада. Новые продукты распада могут также оказаться радиоактивными, и т.д. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений. В природе существуют три радиоактивных ряда (или семейства), ро­доначальниками которых являются
(ряд урана),
(ряд тория) и
(ряд актиноурана). Конечными продуктами во всех трех случаях служат изотопы свинца – в первом случае
, во втором
, и наконец, в третьем
.

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. француз­ским ученым А. Беккерелем. Большой вклад в изучение радиоактивных веществ внесли Пьер Кюри и Мария Склодовская – Кюри. Было обнаруже­но, что имеется три вида радиоактивных излучений. Одно из них, получившее название α – лучей, отклоняется под действием магнит­ного поля в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положи­тельно заряженных частиц. Второе, названное β – лучами, отклоня­ется магнитным полем в противоположную сторону, т.е. так, как отклонялся бы поток отрицательно заряженных частиц. Наконец, третье излучение, никак не реагирующее на действие магнитного поля было названо γ – лучами. Впоследствии выяснилось, что γ – лучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны (от 10 -3 до 1Å).

Альфа-распад . Альфа – лучи представляют собой поток ядер гелия
. Распад протекает по следующей схеме:

Буквой Xобозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквойY – химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа –распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром γ – лучей. Из схемы распада видно, что атомный номер дочернего вещества на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного вещества. Примером может служить распад изотопа урана
, протекающий с образованием тория:

.

Скорости, с которыми α – частицы (т.е. ядра
) вылетают из

распавшегося ядра, очень велики (~ 10 9 см/с; кинетическая энер­гия порядка нескольких МэВ). Пролетая через вещество, α – частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию моле­кул вещества, и, в конце концов, останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эВ. Таким обра­зом, α – частица образует на своем пути примерно 10 5 пар ионов. Естественно, что чем больше плотность вещества, тем меньше пробег α – частиц до остановки. Так, в воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров, в твердом веществе про­бег имеет величину порядка 10 -3 см (α – частицы полностью задержи­ваются обычным листом бумаги).

Кинетическая энергия α – частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя до­чернего ядра и α – частицы. Эта избыточная энергия распределяется между α – частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорцио­нальном их массам. Энергии (скорости) α – частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, оказываются строго определенными. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп α – частиц близкой, но различной энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях.

На рис. 4 приведена схема, поясняю­щая возникновение различных групп α – частиц (возникновение тонкой структуры α – спектра), испускаемых при распаде ядер
(висмут-212).

Слева на схеме изображены энергетические уровни дочернего ядра
(таллий-208). Энергия основного состояния принята за нуль. Избыток энергии покоя мате­ринского ядра над энергией покоя α – частицы и дочернего ядра в нормальном состоянии составляет 6,203 МэВ. Если дочернее ядро возникает в невозбужденном состоя­нии, вся эта энергия выделяется в виде кинетической энергии, причем на долю α – частицы приходится

(эта группа частиц обозначена на схеме через α 0). Если же дочернее ядро возникает в пятом возбужденном состоянии, энергия которого на 0,617 МэВ превышает энергию нормального состояния, то выделившаяся энергия составит 6,203-0,617 = 5,586 МэВ, и на долю α – частицы достанется 5,481 МэВ (группа частиц α 5). Относитель­ное количество частиц равно ~ 27% для α 0 , ~ 70% для α 1 и всего лишь ~ 0,01% для α 5 . Относительные количества α 2 , α 3 и α 4 также очень малы (порядка 0,1-1%).

Среднее время жизни τ возбужденных состояний для большин­ства ядер лежит в пределах от 10 -8 до 10 -15 с. За время, равное в среднем τ, дочернее ядро переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние, испуская γ – фотон. На рис. 4 показано возникновение γ – фотонов шести различных энергий.

Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и дру­гими способами. Возбужденное ядро может испустить какую-либо час­тицу: протон, нейтрон, электрон или α – частицу. Наконец, обра­зовавшееся в результате α – распада возбужденное ядро может отдать избыток энергии непосредственно (без предварительного испускания γ – кванта) одному из электронов K-, L- или даже M– оболочки атома, в результате чего электрон вылетает из атома. Этот процесс носит названиевнутренней конверсии . Возникшее в результате вылета

электрона вакантное место будет заполняться электронами с вышеле­жащих энергетических уровней. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей.

Подобно тому как фотон не существует в готовом виде в недрах атома и возникает лишь в момент излучения, α – частица также воз­никает в момент радиоактивного распада ядра. Покидая ядро, α – час­тице приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого превосходит полную энергию α – частицы, равную в среднем 6 МэВ (рис.5). Внешняя, спадающая асимптотически к нулю сторона барьера обусловлена кулоновским отталкиванием α – частицы и дочернего ядра. Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными силами. Опыты по рассеянию α – частиц тяжелыми α – радиоактивными ядрами показали, что высота барьера заметно превышает энергию вылетаю­щих при распаде α – частиц. По классическим представлениям пре­одоление частицей потенциального барьера при указанных условиях невозможно. Однако согласно квантовой механике имеется отличная от нуля вероятность того, что части­ца просочится через барьер, как бы пройдя по туннелю, имеющемуся в барьере. Это явление, называемое туннельным эффектом, было нами рассмотрено раньше. Теория α – распада, основывающаяся на пред­ставлении о туннельном эффекте, приводит к результатам, хорошо согласующимся с данными опыта.

Бета-распад . Существуют три разновидности β – распада. В од­ном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом – позитрон, в третьем случае, называемомэлектронным за­хватом (e –захватом), ядро поглощает один из электроновK – обо­лочки, значительно реже илиL – илиM – оболочки (соответственно вмес­тоe – захвата говорят оK – захвате,L – захвате илиM – зах­вате).

Первый вид распада (β - – распад илиэлектронный распад ) про­текает по схеме:

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе β – распада, мы приписали β – электрону зарядовое числоZ = -1 и массовое число A = 0.

Из схемы видно, что дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино .Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов яд­ра
превратился в протон, претерпев превращение по схеме. Вообще процесс представляет собой частный случай процесса. Поэтому говорят, что свободный нейтрон β – радиоактивен.

Бета-распад может сопровождаться испусканием γ – лучей. Механизм их возникновения тот же, что и в случае α – распада, – дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает γ – фотон.

Примером β – распада может служить превращение тория
в протактиний
с испусканием электрона и антинейтрино:

В отличие от α – частиц, обладаю­щих в пределах каждой группы строго определенной энергией, β – электроны обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до E max .На рис. 6 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β – распаде. Площадь, охватываемая кривой, даст общее число электронов, испускаемых в единицу времени,dN – число электронов, энергия которых заключена в интервалеdE. ЭнергияE max соответствует разности между массой материнского ядра и массами электрона и дочернего яд­ра. Следовательно, распады, при которых энергия электронаEмень­шеE max , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Чтобы объяснить исчезновение энергии (E max - E), Паули высказал в 1932 г. предположение, что при β – распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая уносит с собой энергию(E max - E). Так как эта частица никак себя не обнаружи­вает, следовало признать, что она нейтральна и обладает весьма малой массой (в настоящее время установлено, что масса покоя этой частицы равна нулю). По предложению Э. Ферми эту гипотетическую час­тицу назвали нейтрино (что означает "маленький нейтрон").

Имеется еще одно основание для предположения о нейтрино (или антинейтрино). Спин нейтрона, протона и электрона одинаков и равен 1/2. Если написать схему без антинейтрино, то суммарный спин возникающих частиц (который для двух частиц с s = 1/2может быть либо нулем, либо единицей) будет отличаться от спина исходной частицы. Таким образом, участие в β – распаде еще одной частицы диктуется законом сохранения момента импульса, причем этой частице необходимо приписать спин, равный1/2 (или3/2). Установлено, что спин нейтрино (и антинейтрино) равен1/2.

Непосредственное экспериментальное доказательство существова­ния нейтрино было получено только в 1956 г.

Итак, энергия, выделяющаяся при β – распаде, распределяется между электроном и антинейтрино (либо между позитроном и нейтрино, см. ниже) в самых разнообразных пропорциях.

Второй вид распада (β + – распад илипозитронный распад ) проте­кает по схеме

В качестве примера можно привести превращение азота
в угле­род
:

Из схемы видно, что атомный номер дочернего ядра на еди­ницу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона e + (в формуле он обозначен символом) и нейтрино ν, возможно также возникновение γ – лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде, представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при распаде

Процесс β + – распада протекает так, как если бы один из про­тонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других ну­клонов, входящих в состав ядра.

Третий вид β – распада (электронный захват ) заключается в том, что ядро поглощает один изK – электронов (реже один изL – или М – электронов) своего атома, в результате чего один из про­тонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает γ – фотоны. Схема процесса выглядит следующим образом:

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электро­ном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи. Электронный захват легко обна­руживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению. Именно этим путем и был открыт К – захват Альварецом в 1937 г.

Примером электронного захвата может служить превращение калия

в аргон
:

Спонтанное деление тяжелых ядер . В 1940 г. советскими физи­ками Н.Г. Флеровым и К.А. Петржаком был обнаружен процесс самопро­извольного деления ядер урана на две примерно равные части. Впоследствии это явление было наблюдено и для многих других тяже­лых ядер. По своим характерным чертам спонтанное деление близко к вынужденному делению, которое рассматривается в следующем параграфе.

Протонная радиоактивность . Как следует из названия, при про­тонной радиоактивности ядро претерпевает превращение, испуская один или два протона (в последнем случае говорят о двупротонной радиоактивности). Этот вид радиоактивности наблюдался впервые в 1963 г. группой советских физиков, руководимой Г.Н. Флеровым.

Активность радиоактивного вещества . Активностью радиоактив­ного препарата называется число распадов, происходящих в препара­те за единицу времени. Если за времяdt распадаетсяdN расп ядер, то активность равнаdN расп /dt. Согласно

dN расп = |dN| = λNdt.

Отсюда следует, что активность радиоактивного препарата равна λN, т.е. произведению постоянной распада на количество имеющихся в препарате нераспавшихся ядер.

В международной системе единиц (СИ) единицей активности явля­ется расп/с. Допускается применение внесистемных единиц расп/мин и кюри (Ки). Единица активности, называемая кюри, определяется как активность такого препарата, в котором происходит 3,700·10 10 ак­тов распада в секунду. Применяются дробные единицы (милликюри, микрокюри и т.д.), а также кратные единицы (килокюри, мегакюри).

Альфа-излучение (альфа-лучи) - это один из видов ионизирующих излучений; представляет собой поток быстро движущихся, обладающих значительной энергией, положительно заряженных частиц (альфа-частиц).

Основным источником альфа-излучения служат альфа-излучатели - , испускающие альфа-частицы в процессе распада. Особенностью альфа-излучений является его малая проникающая способность. Пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким (сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5-8 см в воздухе).

Однако вдоль короткого пути альфа-частицы создают большое число ионов, то есть обусловливают большую линейную плотность ионизации. Это обеспечивает выраженную относительную биологическую эффективность, в 10 раз большую, чем при воздействии рентгеновского и . При внешнем облучении тела альфачастицы могут (при достаточно большой поглощенной дозе излучения) вызывать сильные, хотя и поверхностные (короткий пробег) ожоги; при попадании через долгоживущие альфа-излучатели разносятся по телу током крови и депонируются в органах и др., вызывая внутреннее облучение организма. Альфа-излучение применяют для лечения некоторых заболеваний. См. также , Излучения ионизирующие.

Альфа-излучение - поток положительно заряженных α-частиц (ядер атомов гелия).

Основным источником альфа-излучения являются естественные радиоактивные изотопы, многие из которых испускают при распаде альфа-частицы с энергией от 3,98 до 8,78 Мэв. Благодаря большой энергии, двукратному (по сравнению с электроном) заряду и относительно небольшой (по сравнению с другими видами ионизирующих излучений) скорости движения (от 1,4·10 9 до 2,0·10 9 см/сек) альфа-частицы создают очень большое число ионов, густо расположенных по их пути (до 254 тыс. пар ионов). При этом они быстро расходуют свою энергию, превращаясь в обычные атомы гелия. Пробеги альфа-частиц в воздухе при нормальных условиях - от 2,50 до 8,17 см; в биологических средах - сотые доли миллиметра.

Линейная плотность ионизации, создаваемой альфа-частицами, достигает нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях.

Ионизация, производимая альфа-излучением, обусловливает ряд особенностей в тех химических реакциях, которые протекают в веществе, в частности в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.). Эти радиохимические реакции, протекающие в биологических тканях под воздействием альфа-излучения, в свою очередь вызывают особую, большую, чем у других видов ионизирующих излучений, биологическую эффективность альфа-излучения. По сравнению с рентгеновским, бета- и гамма-излучением относительная биологическая эффективность альфа-излучения (ОБЭ) принимается равной 10, хотя в различных случаях она может меняться в широких пределах. Как и другие виды ионизирующих излучений, альфа-излучение применяется для лечения больных с различными заболеваниями. Этот раздел лучевой терапии называется альфа-терапией (см.).

См. также Излучения ионизирующие, Радиоактивность.