Радиоактивные превращения

 

К наиболее важным типам радиоактивных превращений (таблица 2 ) относятся a-распад, b-превращения, g-излучение и спонтанное деление, причем в природе в земных условиях встречаются практически только первые три типа радиоактивных превращений. Отметим, что b-распады и g-излучение характерно для нуклидов из любой части периодической системы элементов, а a-распады свойственны достаточно тяжелым ядрам.

 

Таблица 2

Основные радиоактивные превращения (Наумов, 1984)

 

Тип превращения Z A   Процесс Первооткрыватели
-распад -2 -4 Э. Резерфорд, 1899
-превращения 1 - -
- -превращения +1 Э. Резерфорд, 1899
+ превращения -1 И. Жолио-Кюри, Ф. Жолио-Кюри, 1934
К-захват -1 Л. Альварес, 1937
-излучение   П. Виллард, 1900
спонтанное деление К.А. Петржак, Г.Н. Флеров, 1940
протонная радиоактивность -1 -1 Дж. Черни и др., 1970
двухпротонная радиоактивность -2 -2 Дж. Черни и др., 1983

a - распад - это радиоактивное превращение ядер с испусканием a-частиц (ядер гелия):. В настоящее время известно более 200 a- радиоактивных ядер. Все они являются тяжелыми, Z>83. Считается, что любое ядро из этой области обладает a-радиоактивностью (даже если она пока не обнаружена). a-распаду подвержены также некоторые изотопы редкоземельных элементов, у которых число нейтронов N>83. Эта область a-активных ядер расположена от (Т1/2 = 5∙1015 лет) до (Т1/2 = 0,23 с). Энергии распадных a-частиц заключены довольно жесткие пределы: 4¸9 МэВ для тяжелых ядер и 2¸4,5 МэВ для ядер редкоземельных элементов, однако у изотопови вылетают a-частицы с энергиями до 10,5 МэВ. Все a-частицы, вылетающие из ядер заданного типа, имеют примерно равные энергии. a-частицы уносят практически всю энергию, выделяющуюся при a-распаде. Периоды полураспада a-излучателей лежат в широком диапазоне: от 1,4∙1017 лет для до 3∙10-7 с для .

b-превращения. Долгое время был известен только электронный распад, который назывался b-распадом: . В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри при бомбардировке некоторых ядер был открыт позитронный, или b+-распад: . К b-превращениям также относят электронный захват: . В этих процессах ядро поглощает электрон из атомной оболочки, причем обычно из К-оболочки, поэтому процесс называют еще К-захватом. Наконец, к b-превращениям относят процессы захвата нейтрино и антинейтрино:и . Если a-распад является внутриядерным процессом, то элементарные акты b-превращений представляют внутринуклонные процессы: 1); 2); 3); 4); 5).

g-излучения ядер. Суть явления g-излучения в том, что ядро, находящееся в возбужденном состоянии, переходит в более низкие энергетические состояния без изменения Z и А, но с испусканием фотонов, и в конечном итоге оказывается в основном состоянии. Поскольку значения энергий ядра дискретны, то спектр g-излучения также дискретен. Он простирается от 10 кэВ до 3 МэВ, т.е. длины волн лежат в области 0,1¸ 4∙10-4 нм. Для сравнения: для красной линии видимого спектра l»600 нм, а Еg= 2 эВ. В цепочке радиоактивных превращений ядра оказываются в возбужденном состоянии в результате предшествующих b-распадов.

Правила сдвига для Z и A, приведенные в таблице , позволяют сгруппировать все естественные радиоактивные элементы в четыре больших семейства или радиоактивных ряда (табл. 3).

 

Таблица 3

Основные радиоактивные ряды (Наумов, 1984)

 

Ряд А Начальный нуклид , лет Число превращений Конечный нуклид
Тория 4n 1.4*1010
Нептуния 4n+1 2.2*106
Урана 4n+2 4.5*109
Актиния 4n+3 7*108

 

Ряд актиния получил свое название потому, что предшествующие три члена были открыты позднее его. Родоначальник ряда нептуния относительно мало стабилен и в земной коре не сохранился. Поэтому ряд нептуния сначала предсказали теоретически, а затем его структуру реконструировали в лаборатории (Г. Сиборг и А. Гиорсо, 1950г).

Каждый радиоактивный ряд содержит члены и с более высокими значениями заряда и массового числа, но они имеют сравнительно малые времена жизни и в природе практически не встречаются. Все элементы с Z>92 называют трансурановыми, а элементы с Z>100 - трансфермиевыми.

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Скорость распада определяется строение ядра, вследствие чего на этот процесс невозможно повлиять никакими физическими или химическими способами, не изменив состояние атомного ядра.