Единицей измерения активности в системе СИ является БЕККЕРЕЛЬ (Бк).

N0 0

N t

Вывод формулы (1.10.). Естественный радиоактивный распад ядер протекает самопроизвольно, без всякого воздействия из вне. Этот процесс статистический и для отдельно взятого ядра можно лишь указать вероятность распада за определенное время. Поэтому скорость радиоактивного распада можно характеризовать временем t. В практических расчетах для оценки характеристик радиационного излучения используется понятие периода полураспада Т1/2. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течении которого исходное число радиоактивных ядер уменьшится вдвое, а число распавшихся ядер за время Т1/2 остается постоянным (l = const).

2 2 2 1

29 28

64 64

11 12

24 24

Примечание. Так как массы выбрасываемых электрона, позитрона, нейтрино и антинейтрино крайне малы по сравнению с массой протонов и нейтронов, то массовое число атома можно считать неизменным.

22 22

40 40

К -------> Са + е- (электрон) + n(антинейтрино) (1.6)

19 20 (нейтрон ----> протон)

Позитронный распад:

 

Nа ------> Nе + е+(позитрон) + n(нейтрино) (1.7)

11 10(протон ----> нейтрон)

 

Энергия бета-частиц изменяется в больших пределах и может достигать 13,5 МэВ. Бета-частицы распространяются в среде со скоростью 0,29 – 0,99 скорости света.

Иногда радиоактивный распад сопровождается выбросом не только бета- или альфа-частиц, но и гамма-квантов.

Гамма-кванты – это электромагнитное излучение с частотой до1020 с-1, с энергией до 10 МэВ. Это происходит в том случае, если при распаде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, позитрону или альфа частице. Например:

Nа ------> Мg + b + 2g (1.8.)

Примечание. Заметим, что как самостоятельный вид гамма-распад не существует.

Радиоактивные превращения ядер могут происходить и при захвате ядром орбитального электрона (К-захват):

Сu + е- --------> Ni (1.9.)

Позитронный распад и К-захват являются конкурирующими процессами, т.е. если возможен позитронный распад, то и К-захват тоже. К-захват характерен для нейтронно дефицитных ядер. Поглотив орбитальный электрон, протон превращается в нейтрон. При этом на освободившееся место на орбите, электрон переходит с более высокого энергетического уровня, а атом испускает характеристическое рентгеновское излучение, по которому обычно и фиксируется К-захват.

Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад) –это самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (уран-238, калифорний-240, 248, 249, 250; кюрий-244, 248 и др.). Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа-распадом. Процесс самопроизвольного деления ядер происходит из-за того, что ядра сами по себе нестабильны. При этом происходит расщепление ядра на два осколка (ядра), близких по массе (рис.1.1.). При самопроизвольном делении имеет место неравентство mЯД > m1 + m2.

Здесь mяд - масса ядра, m1 и m2 – массы ядер-осколков, образующиеся в результате распада ядра. Кинетическая энергия ядер-осколков во много раз больше энергии альфа частиц. Кроме того, выбрасывается некоторое количество нейтронов, обычно 2 - 3 на акт деления. Другой отличительной особенностью деления является огромное энерговыделение (в миллионы раз больше, чем при сжигании органического топлива). И наконец, продукты деления являются радиоактивными. Ядра-осколки перегружены нейтронами и поэтому испускают нейтроны, бета-частицы и гамма-кванты. То есть, при делении тяжелых ядер появляются различного рода ионизирующие излучения.

 

 


Рис.1.1. Схема одного из вариантов спонтанного деления ядра урана-238

 

Протонная радиоактивность.Как известно, космическое излучение представляет собой поток протонов (90%), альфа-частиц (9%), остальные – это ядра легких элементов и другие элементарные частицы. Пояснение протонной радиоактивности рассмотрим на примере протекания термоядерных реакций на Солнце.

Как уже отмечалось ранее, протон стабильная частица и является ядром самого распространенного изотопа водорода-протия. Протон участвует во всех процессах взаимодействия элементарных частиц. Солнце содержит много водорода (примерно 50% массы Солнца, остальную часть составляют углерод, азот, кислород). Температура центральной части Солнца находится в пределах 1,2×107К – 1,5×107К. При такой температуре все легкие элементы полностью ионизированы, так что вещество представляет собой плазму – смесь протонов (ядер водорода), электронов, легких ядер (альфа-частицы) и незначительное количество средних и тяжелых ядер. В этих условиях основной источник энергии связан с превращением водорода в гелий. При “низких” температурах около 107К доминируют реакции, при которых происходит непосредственный захват протонов протонами. При температуре около 2×107К основную роль играет реакция, при которой синтез гелия реализуется с помощью ядер углерода и азота. В отличие от первой реакции вторая реакция протекает очень быстро, так как количество ядер тяжелого водорода (21Н) в звездах неизмеримо мало. Далее, из всех возможных наиболее вероятна следующая реакция:

 

 

3 3 4 1

Не + Не ----------> Не (альфа-частица) + 2 Н(р)

Энергия альфа-частицы = 12,8 МэВ. Известно, что при температурах 2×107К превращение протона в альфа частицу (гелий) идет с помощью ядер-катализаторов – углерода и азота. Термоядерные реакции возможны и в земных условиях и реализованы в термоядерных боеприпасах, которые рассматриваются в отдельной теме.

 

 

1.1.3. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА РАДИОНУКЛИДА

В результате всех видов радиоактивных превращений количество ядер данного изотопа постепенно уменьшается. Убывание количества распадающихся ядер происходит по экспоненте и записывается в следующем виде:

N=N0е-lt (1.10)

где N0– количество ядер радионуклида в момент начала отсчета времени

(t =0); l - постоянная распада, которая для различных радионуклидов разная; N– количество ядер радионуклида спустя время t; е – основание натурального логарифма (е = 2,713….). Это и есть основной закон радиоактивного распада.

 

Пусть имеется число N атомов радионуклида. Тогда, число распадающихся атомов dN за время dt пропорционально числу атомов N и промежутку времени dt:

 

dN = - lNdt (1.11)

 

где l- коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада. Знак минус показывает, что число N исходных атомов уменьшается во времени. Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются, от сюда следует, что l есть величена постоянная. Она носит название постоянная распада. Из (1.11) следует, что

l = - = const,

Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются, от сюда следует, что l есть величена постоянная. Она носит название постоянная распада. Из (1.11) следует, что

l = - = const,

В уравнении (1.11.) поделим правую и левую части на N и проинтегрируем:

 

dN/N = - ldt (1.12)

∫dN/N = – λ∫ dt (1.13)

ln N/N0 = – λtи N = N0 е– λt , (1.14.)

где N0 есть начальное число распадающихся атомов (N при t =0).

В практических расчетах для временной оценки характеристик радиационного излучения используется понятие периода полураспада Т1/2. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течении которого исходное число радиоактивных ядер уменьшится вдвое, а число распавшихся ядер за время Т1/2 остается постоянным (l = const).

Найдем связь постоянной радиоативного распада с периодом полураспада для чего в уравнении (1.10.) правую и левую часть поделим на N,и приведем к виду:

N0/N = е-lt (1.16.)

Полагая, что N0/N = 2, а t = T, получим ln2 = lТ, откуда

 

ln2 = 0,693 l = 0,693/T (1.17.)

Подставив выражение (1.17.) в (1.10.) получим

N = N0е-0.693t/T (1.18.)

 


t
0,125
.

 
 

 

 


Рис. 1.2. Изменение числа распавшихся ядер исходного элемента со временем.

На графике (рис.1.2.) показана зависимость числа распадающихся атомов от времени. Из графика следует, что в несколько первых полупериодов распад происходит быстро, а затем медленно. Теоретически кривая экспонента никогда не может слиться с осью абсцисс, но на практике можно считать, что примерно через 10 – 20 периодов полураспада радиоактивное вещество распадается полностью.

 

Основной характеристикой источника радиационного излучения является его активность.

АКТИВНОСТЬ - это физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени.

или

АКТИВНОСТЬ - это отношение числа спонтанных (вероятных) ядерных переходов из определенного ядерно-энергетического состояния радионуклида за интервал времени.

 

А = . (1.19)

 

Исходя из определения активности, следует, что активность характеризует скорость ядерных переходов в единицу времени. С другой стороны, количество ядерных переходов зависит от постоянной радиоактивного распада.