Виды радиоактивного распада

Рассмотрим основные типы радиоактивного распада.

Альфа-распад (а-распад) — вид радиоактивного распада атомных ядер, когда испускается альфа-частица, заряд ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число — на 4. а-Распад характерен для радиоактивных элементов с большим атомным номером Z.

Альфа-распад можно представить уравнением:

При а-распаде реализуется правило сдвига, сформулированное Фаянсом и Содди: элемент, образовавшийся из другого элемента при испускании а-лучей, занимает в периодической системе место на две группы левее исходного элемента.

Полная энергия а-распада:

где Е_а — энергия а-частицы, Е_0тд — энергия атома отдачи и Евозб — энергия возбуждения дочернего ядра.

Энергия а-частиц (Е_а) определяется массами исходного и конечного ядра и а-частицы. Эта энергия может уменьшаться, если конечное ядро образуется в возбуждённом состоянии и, напротив, увеличиваться, если возбуждённым было испускающее а-частицу ядро. Спектр испускаемых а-частиц всегда является не сплошным, а линейчатым.

Энергия, выделившаяся при а-распаде:

где Ма и Ма-4 — массы материнского и дочернего ядер, М" — масса а-частицы.

Рис. 2. Графическое представление некоторых типов распада.

Альфа-распад возможен, если энергия связи а-частицы относительно материнского ядра отрицательна. Для того, чтобы ядро было а-радиоактивным необходимо выполнение условия, являющегося следствием закона сохранения энергии:

где М (А,'?) и M (A-4yZ-2) — массы покоя исходного и конечного ядер соответственно, М_а — масса а-частицы. При этом в результате распада конечное ядро и а-частица приобретают суммарную кинетическую энергию Е.

Кинетические энергии а-частиц изменяются от 1,83 МэВ 0*"Nd) до 11,65 МэВ (изомер ^212," Ро). Пробег а-частицы с типичной энергией Е_а= 6 МэВ составляет -5 см в воздухе при нормальных условиях и -0,05 мм в А1.

Спектр а-частиц часто состоит из нескольких моноэнергетических линий, соответствующих квантовых переходам на различные энергетические уровни дочернего ядра.

Для а-распада характерна сильная зависимость между энергией испускаемых а-частиц и периодом полураспада а-радиоактивных ядер. При небольшом изменении энергии а-частиц периоды полураспада (Т) меняются на многие порядки. Так, у ²3²Th ?"=4.08 МэВ, 7=1.41 10^ю лет, а у ^2,8Th ?"=9.85 МэВ, Г=ю мкс.

Бета-распад (/J-pacnad) — самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Известны следующие виды бета-распада: электронный распад, позитронный распад и электронный захват. При электронном бета-распаде заряд ядра увеличивается на 1, при позитронном — уменьшается на 1; массовое число не меняется.

Электронный распад:

Позитронный распад:

где V и V — нейтрино и антинейтрино, соответственно.

При электронном захвате массовое число не изменяется, а заряд ядра уменьшается или увеличивается на единицу. Электронный (р-распад) характерен для нуклидов, имеющих избыток нейтронов. Позитронный (р⁺— распад) и электронный захваты свойственны нейтронодефицитным изотопам, более лёгким, чем устойчивые или р-стабильиые.

Известно примерно 1500 p-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы кроме самых тяжёлых (Z= 102, 103, 104), для которых пока p-радиоактивность не была отмечена.

Рис. 3. рспектр ⁴⁰К.

Энергия p-распада изотопов лежит в пределах от ?_p.=o, oi86 МэВ.

периоды полураспада варьируются от 1,3-ю*² с (^{, 2}N) до 2-ю*³ л (природный радиоактивный изотоп J80W).

Энергия p-распада, делится между тремя частицами: электроном (позитроном), антинейтрино (нейтрино) и остаточным ядром. В результате р-частицы, в отличие от а-частиц, не обладают строго определённой энергией, и спектр их является не линейчатым, а сплошным — от нуля до со средней энергией ?_ср=о, 4?_Макс. (рис. 3).

Периоды полураспада р—излучателей изменяются в широком диапазоне от Ю'³ с до ю¹⁶ лет. Для pраспада возможны простые и сложные энергетические спектры в зависимости от того, находится образующийся нуклид в основном или возбуждённом состоянии. Вероятность рперехода зависит от энергии рраспада как При позитронном Р⁺-распаде из ядра вылетают позитрон и нейтрино. Позитронный распад наблюдается преимущественно у ядер с избытком протонов (недостатком нейтронов). Позитрон отличается от электрона только положительным знаком заряда. Позитронное излучение имеет непрерывный энергетический спектр с характерной величиной максимальной энергии. При р*-распаде атомный номер вновь образованного ядра уменьшается на единицу.

Позитроны, испускаемые при р⁺-распаде, отдают свою энергию при упругих столкновениях и объединяются с электронами; при этом под углом 180⁰ испускаются два у-кванта с энергией 0,51 МэВ каждый (энергия 0,52 МэВ, эквивалентна массе покоя электрона). Появление в спектре изотопа у-излучения с энергией 0,51 МэВ является косвенным доказательством позитронного распада у этого изотопа. В отличие от ядерного у-излучения, аннигиляционное у-излучение возникает вне ядра.

Аннигиляция — реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изученной является аннигиляция электрон-позитронной пары. При низких энергиях сталкивающихся электрона и позитрона, а также при аннигиляции их связанного состояния — позитрония — образуются два или три фотона, в зависимости от ориентации спинов электрона и позитрона.

Если значение энергии превращения меньше 1,02 МэВ, то излучение позитронов невозможно. В этом случае материнский нуклид переходит в дочерний путём захвата электрона из атомной оболочки (т.е. имеет место электронный захват).

Часто при аили (3-распадах образующийся дочерний нуклид находится не в основном, а в возбужденном состоянии. Переход нуклида из возбуждённого состояния в основное обычно происходит путём испускания у-квантов. Так как исходное и конечное состояния обладают дискретными энергиями, то у-излучение, испускаемое при переходе нуклида из возбуждённого в основное состояние, является моноэнергетическим. Для у-излучения известны энергии 54−7 МэВ, причём нижний предел попадает в области энергии характеристического рентгеновского излучения.

Электронный захват — вариант /3-распада, при котором захват ядром электрона с одной из атомных оболочек, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват), реже — со следующих, Lи М-оболочек (соответственно, L и Мзахват).

Общая формула электронного захвата.

Электронный захват так же, как и р⁺-распад, наблюдается при избыточном числе протонов в ядре. Если энергия ядра недостаточна для излучения позитрона, то ядро может захватить периферический электрон атома, обычно с внутренней К-оболочки. Для таких электронов вероятность нахождения внутри ядра наибольшая. Процесс захвата электрона называют электронным захватом и обозначают аббревиатурой «ЭЗ». Так как вероятность нахождения электронов /С-оболочки в атомном ядре является наибольшей, чаще всего наблюдается К-захват (КЗ). L-Захват или М- захват наблюдается гораздо реже. При электронном захвате атомный номер нового радиоактивного ядра, как и при позитронном распаде, уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется.

В случае захвата ядром орбитального электрона образуются два продукта: конечное ядро и нейтрино. Распределение энергий между ними является однозначным, причём практически вся энергия уносится нейтрино. Таким образом, спектр нейтрино при электронном захвате является моноэнергетическим в отличие от бета-распада.

В результате электронного захвата в К-оболочке атома образуется вакантное место, которое занимает один из внешних орбитальных электронов. Этот переход сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения образующегося дочернего атома, что и позволяет установить наличие К-захвата. Например, при Я*-захвате 29С11 наблюдается /Си-излучение |JJVt, которое используется для идентификации материнского нуклида.

Электронный захват сопровождается испусканием электронов Оже. Оже-электроны — электроны, возникающие в результате возбуждения (ионизации) атомов с безызлучательной передачей энергии другому электрону (Ожеэлектрону), который может выйти за пределы атома.

Оже-эффект — автоионизация атома, проходящая в два этапа: 1) образование вакансии в одной из внутренних оболочек атома при его облучении (например, быстрыми электронами);2) заполнение этой вакансии электроном одной из вышележащих оболочек этого же атома и одновременный вылет другого электрона (оже-электрона) с этой или с ещё более высоколежащей оболочки.

Переход Костера-Кронига — особый случай Оже-эффекта, в котором вакансия заполняется электроном внешнего подуровня той же оболочки.

Оже-эффект — явление, в котором возбуждённый атом возвращается в исходное невозбуждённое состояние путём испускания электрона с энергией, характерной для данного элемента. В ходе электронного захвата электрон удаляется с внутренней оболочки атома. В результате этого атом ионизируется. Ионизированное состояние атома неустойчиво, атом находится в нём до тех пор, пока электрон с более высокой орбиты не упадёт па вакансию, созданную электроном, покинувшим атом. Выделяющаяся при этом энергия может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения, но может быть передана третьему атомному электрону, который в результате вылетает из атома, т. е. наблюдается ожеэффект.

Изомерный переход (галииа-распад) — радиоактивный распад атомного ядра, происходящий из возбуждённого метастабильного состояния с излучением одного или нескольких у-квантов.

Переход из возбуждённого в основное состояние часто происходит либо путём эмиссии отдельного у-кванта, либо путём последовательной эмиссии нескольких квантов. Время жизни возбужденного ядра лежит между Ю'^и с и 650 лет. Нуклиды, имеющие измеримое время жизни возбуждённого состояния ядра, называется метастабильными, например, ^8ошВг (7=4,4 час).

Изомерный переход сопровождается у-излучением. Атомный номер и массовое число при изомерном переходе не изменяются.

Для многих ядерных изомеров наблюдается внутренняя электронная конверсия: возбуждённое ядро, не излучая у-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие чего один из электронов вылетает из атома. После внутренней конверсии возникает вторичное излучение в рентгеновской и оптической областях вследствие заполнения одним из электронов освободившегося места и последующих переходов. Участие электронных оболочек в конверсионных переходах приводит к тому% что время жизни соответствующих изомеров зависит (хотя и очень слабо) от химического состояния превращающихся атомов. Внутренняя конверсия у-излучения — явление, наблюдаемое при переходе возбуждённого атомного ядра в состояние с меньшей энергией, когда высвобождаемая энергия не излучается в виде у-кванта, а передаётся непосредственно одному из электронов того же атома. При этом вместо у-кванта испускается конверсионный электрон. Электроны могут быть испущены с различных оболочек атома, и соответственно различают К-, L-, Ми т.д. электроны. Энергия электрона равна разности энергии конвертированного ядерного перехода и энергии связи оболочки, с которой он испускается. Вероятность внутренней конверсии по отношению к вероятности перехода с испусканием у-кванта характеризуется коэффициентом внутренней конверсии, определяемым, как отношение интенсивности потока конверсионных электронов к интенсивности у-излучения для данного ядерного перехода.

Электроны внутренней конверсии — электроны, возникающие в тех случаях, когда энергия, излучаемая в обычных условиях в виде у-лучей, передаётся одному из окружающих ядро электронов. Этот процесс можно представить как столкновение у-кванта с одним из внешних элеюпронов, npunext энергия кванта передаётся электрону, который вылетает со своей орбиты. Энергия испускаемого электрона равна энергии у-кванта за вычетом энергии связи электрона с ядром.

Внутренняя конверсия может быть легко обнаружена, так как конверсионные электроны (е) имеют линейчатый спектр в отличие от непрерывного спектра ядерных (3 -частиц. Внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Важный вид радиоактивности связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые достаточно тяжёлые ядра распадаются на два или три осколка. Спонтанное (самопроизвольное) деление впервые было обнаружено для природного урана. Ядра урана могут делиться различным образом, давая два осколка (например, ₅₆Ba, ₃₆Kr, ₅₄Хе, ₃sSr и т. п.).

Спонтанное деление — самопроизвольный распад тяжёлых ядер на два (редко — три или четыре) осколка — ядра элементов середины периодической таблицы.

Спонтанное деление становится энергетически выгодным для ядер с Z>50, но из-за наличия потенциального барьера характерно лишь для самых тяжёлых элементов (Z>90). В большинстве случаев делящиеся ядра являются аили (З-активными, а спонтанное деление оказывается маловероятным каналом распада. Известны, однако, изотопы, для которых спонтанное деление — это главный, а иногда и единственный канал распада. Таковы, например,^Fm (7=i6o мин) и ²54Cf (Г=6о, 5 суток).

Способность ядер к делению пропорциональна параметру деления Z²/A. Периоды полураспада спонтанного деления уменьшаются с ростом отношения Z²/A. Энергетической выгодности спонтанного деления отвечает условие Z~jA> 16, мгновенному делению — условие Z~jA>45. Для нечётных ядер значение периода полураспада спонтанного деления в среднем на 34−4 порядка больше, чем среднее значение периодов полураспада соседних чётно-чётных нуклидов. При спонтанном делении с наибольшей вероятностью реализуется несимметричное деление на тяжёлый и лёгкий осколки, заряды и массы которых составляют ~6о% и 40% от заряда и массы делящегося ядра. Спонтанное деление сопровождается испусканием нейтронного (в среднем от 2 до 4 для разных ядер) и у-излучения, а, кроме того, осколки деления оказываются перегруженными нейтронами и испытывают последовательный ряд (3-распадов.