Типы радиоактивного распада

Радиоактивный распад — спонтанное изменение состава или внутреннего строения нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа А) путем испускания элементарных частиц, -квантов и {или) ядерных фрагментов.

Процесс радиоактивного распада называют радиоактивностью, а соответствующие ядра — радиоактивными.

Радиоактивность — самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер и жесткого электромагнитного излучения.

Рассмотрим основные типы радиоактивного распада.

При записи уравнений радиоактивного распада, а также уравнений ядерных реакций сумма массовых чисел всех ядер и частиц в левой части уравнения должна быть равна сумме массовых чисел ядер и частиц в правой части, а алгебраическая сумма зарядов в левой части должна равняется алгебраической сумме зарядов в правой части.

Правило сдвига, или закон радиоактивного смещения Ф. Содди — К. Фаянса, — при а -распаде происходит смещение радиоэлемента в периодической системе на два места влево, а при р-распаде — на одно место вправо.

Типы радиоактивного распада удобно представлять в графической форме (рис. 1.2).

Альфа-распад (а-распад) — вид радиоактивного распада атомных ядер, когда испускается а-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:

Полная энергия а-распада:

где Е, — энергия а-частицы; Е_тл — энергия атома отдачи; Е_воз6 — энергия возбуждения дочернего ядра.

Энергия а-частиц (/:") определяется массами исходного и конечнох’о ядра и а-частицы. Эта энергия может уменьшаться, если конечное ядро образуется в возбужденном со;

Рис. 1.2. Графическое представление некоторых типов распада.

стоянии, и, напротив, увеличиваться, если возбужденным было испускающее а-частицу ядро. Спектр испускаемых а-частиц всегда является нс сплошным, а линейчатым.

Энергия, выделившаяся при а-распаде:

где М_л и М_Л__А — массы материнского и дочернего ядер; М_а — масса а-частицы.

Для того чтобы ядро было а-радиоактивным, необходимо выполнение условия, являющегося следствием закона сохранения энергии:

где М (Д, Z) и М (А — 4, Z — 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.

Пример. Материнский изотоп с А = 236 (дефект массы Ат_м = = +48,2010 МэВ) распадается путем а-распада на изотоп с А = = 232 (дефект масс Дти_:1 = +40,731). Какое количество тепла выделяется в этом акте распада? Чему равна энергия а-частиц? Чему равна энергия атомов отдачи?

Количество выделившегося тепла составит:

Энергия а-частиц

Кинетическая энергия отдачи дочернего нуклида ²³⁴ТЬ 5,045 — 4,959 = 0,086 МэВ.

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

Бета-распад (p-распад) — самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Известны следующие виды Р-распада: электронный распад, позитронный распад и электронный захват. При электронном p-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.

Энергия p-распада изотопов лежит в пределах от =.

= 0,0186 МэВ (³Н ^:iHe) до Е_р+ = 16,6 МэВ (^l2N — ¹²С); периоды полураспада варьируются от 1,3−10 ² с (¹²N) до 2−10¹³ лет (^{, 80}W).~.

Энергия p-распада Е_р делится между тремя частицами: электроном (позитроном), антинейтрино (нейтрино) и остаточным ядром. В результате р-частицы, в отличие от а-частиц, не обладают строго определенной энергией, и спектр их является не линейчатым, а сплошным от нуля до Е^_МЛКС = /:₍₎ со средней энергией Е_ср = 0,4?_макс (рис. 1.3).

Позитроны, испускаемые при р⁺-распаде, отдают свою энергию при упругих столкновениях и объединяются с электронами; при этом под углом 180° испускаются два у-кванта с энергией 0,51 МэВ каждый (энергия 0,52 МэВ эквивалент;

Рис. 1.3. Рспектр на массе покоя электрона). Появление в спектре изотопа у-излучения с энергией 0,51 МэВ является косвенным доказательством позитронного распада у этого изотопа.

Аннигиляция — реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.

Наиболее изученной является аннигиляция электрон-нозитроиной 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 путем захвата электрона из атомной оболочки (т.е. имеет место электронный захват).

Часто при аили p-распадах образующийся дочерний нуклид находится не в основном, а в возбужденном состоянии. Переход нуклида из возбужденного состояния в основное обычно происходит путем испускания у-квантов. Так как исходное и конечное состояния обладают дискретными энергиями, то у-излучение, испускаемое при переходе нуклида из возбужденного в основное состояние, является моноэнергетическим.

Электронный захват (ЭЗ) — вариант fi-pacnada, при котором захват ядром электрона происходит с одной из атомных оболочек, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват)_у реже — со следующих, Lи М-оболочек (соответственно L и Ы-захват).

Общая формула электронного захвата:

В случае захвата ядром орбитального электрона образуются два продукта: конечное ядро и нейтрино. Распределение энергий между ними является однозначным, причем практически вся энергия уносится нейтрино. Таким образом, спектр нейтрино при электронном захвате является моноэнергетическим в отличие от р-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 ТС-захвата. Например, при /С-захвате^Си наблюдается /С_а-излучение ||Ni, которое используется для идентификации материнского нуклида.

Электронный захват сопровождается испусканием электронов Оже.

Оже-эффект — автоиопизация 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 еще более высоколежащей оболочки.

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

Ядро способно находиться в различных энергетических состояниях: в основном (нижний энергетический уровень) и в нескольких возбужденных. Изомерный переход связан с изменением энергетического состояния ядра. Переход из возбужденного в основное состояние часто происходит либо путем эмиссии отдельного у-кванта, либо путем последовательной эмиссии нескольких квантов. Энергия испускаемого у-кванта равна разности энергетических уровней ядра. Время жизни возбужденного ядра лежит между 10 ¹¹ с и 650 лет. Нуклиды, имеющие измеримое время жизни возбужденного состояния ядра, называется метастабильными.

Атомный номер и массовое число при изомерном переходе не изменяются.

Изомерные состояния достаточно хорошо описываются оболочечной моделью ядра, согласно которой нуклоны в ядре взаимодействуют не друг с другом, а с усредненным центрально-симметричным силовым полем. Нуклоны находятся на некоторых энергетических уровнях, сгруппированных в оболочки: на каждом уровне могут находиться два нуклона с антипараллельными спинами. С увеличением числа нуклонов в ядре происходит постепенное заполнение оболочек, при этом некоторые свойства ядер периодически повторяются в зависимости от Z и N. При увеличении количества нуклонов в ядре существуют магические числа, при которых энергия связи у следующего нуклона намного меньше, чем у предыдущего. Ядра, как и атомы, могут иметь возбужденные состояния. Переход в одно из таких состояний возможен под действием внешней энергии. Соответственно снятие возбуждения происходит с излучением такой же энергии. Энергии, характерные для ядерных переходов, имеют величину порядка нескольких МэВ.

Для многих ядерных изомеров наблюдается внутренняя электронная конверсия: возбужденное ядро, не излучая у-квантов, передает 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.

Внутренняя конверсия у-излучения — явление, наблюдаемое при переходе возбужденного атомного ядра в состояние с меньшей энергией, когда высвобождаемая энергия не излучается в виде у-кванта, а передается непосредственно одному из электронов того же атома.

При этом вместо у-кванта испускается конверсионный электрон. Электроны могут быть испущены с различных оболочек атома (К-, L-, М-электроны и т. д.). 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.

Конверсионные электроны (е) имеют линейчатый спектр в отличие от непрерывного спектра ядерных рчастиц. Внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Важный вид радиоактивности связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые тяжелые ядра распадаются на два осколка с отношением масс, приблизительно равным 3/2. Спонтанное (самопроизвольное) деление впервые было обнаружено для ²³⁸U. Ядра урана могут делиться различным образом, давая два осколка (например, Ва, Кг, Хе, Sr и т. п.).

Спонтанное деление — самопроизвольный распад тяжелых ядер на два (редко — три или четыре) осколка.

Спонтанное деление характерно для ядер элементов середины периодической таблицы элементов.

Спонтанное деление становится энергетически выгодным для ядер с Z > 50, но из-за наличия потенциального барьера характерно лишь для самых тяжелых элементов (Z > 90).

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 Z²/A >16. При спонтанном делении с наибольшей вероятностью реализуется несимметричное деление на тяжелый и легкий осколки, заряды и массы которых составляют ориентировочно 60 и 40% от заряда и массы делящегося ядра. Спонтанное деление сопровождается испусканием нейтронного (в среднем от 2 до 4 нейтронов для разных ядер) и у-излучения, а, кроме того, осколки деления испытывают последовательный ряд (3 -распадов.

Особенности спонтанного деления достаточно хорошо объясняет капельная модель ядра, в рамках которой ядро представляют в виде сферической равномерно заряженной капли из ядерной материи, обладающей такими свойствами, как несжимаемость, насыщение ядерных сил, а «испарением» нуклонов напоминающей жидкость. Капля обладает поверхностным натяжением, она способна к дроблению на более мелкие капли (деление ядер), слияние мелких капель в одну большую (синтез ядер). На основе этих свойств с учетом принципа В. Паули К. Вайцзеккер предложил формулу, позволяющую вычислить энергию связи ядра, а значит, и его массу, если известен нуклонный состав.

Так как капельная модель является макроскопической теорией, то она не учитывает микроскопического строения ядра, например распределения ядерных оболочек. Поэтому формула Вайцзеккера плохо применима для магических (сферических) ядер. В рамках капельной модели считается, что ядро должно делиться на два фрагмента равной массы, по это наблюдается лишь с вероятностью, ориентировочно составляющей 1%. Капельная модель непригодна для количественного описания спектров энергий возбужденных состояний ядер. Эта модель предсказывает, что периодическая таблица оканчивается 106-м элементом, что не соответствует действительности (синтезирован 118-й элемент). Особенности деления сверхтяжелых ядер лучше описываются оболочечной моделью ядра.

Важным типом распада по спонтанному делению является самопроизвольное деление ядерных изомеров: существует класс изомерных состояний ядер, для которых характерно увеличение вероятности спонтанного деления в 10³⁰ раз. Например, периоды полураспада деления при распаде ²³⁸U из основного и изомерного состояния равны 1 • 10¹⁶ лет и 3 • 10 ⁷ с соответственно.

Еще один тин деления — тройное деление. Экспериментально было обнаружено формирование легкой заряженной частицы между двумя осколками деления. Это достаточно редкий процесс (менее 1%) но сравнению с бинарным делением. Вероятность тройного деления резко убывает с ростом массы третьей частицы. Теоретически для некоторых изотопов актинидов ожидается «истинное тройное деление», т. е. одновременный распад слабовозбужденного тяжелого ядра на три фрагмента близкой массы.

В последние два десятилетия XX в. были открыты новые типы распада изотопов, которые из-за их редкости называют «экзотически м и «.

Основные типы распада:

• 1. Альфа-распад: испускание а-частиц, ионов гелия ^Не.
• 2. Бета-распад — испускание р-частиц:
  • • испускание электронов е~ + антинейтрино;
  • • испускание позитронов е⁺ + нейтрино;
  • • электронный захват, испускание рентгеновского излучения.
• 3. Изомерный переход, испускание гамма-кванта (у).

«Экзотические» типы распада:

• 1. Испускание протонов из основного или изомерного состояния.
• 2. Запаздывающий распад:
  • • запаздывающие а-частицы;
  • • запаздывающие протоны;
  • • запаздывающие нейтроны;
  • • запаздывающее деление;
  • • запаздывающее испускание двух нейтронов;
  • • запаздывающее испускание трех нейтронов;
  • • запаздывающее испускание двух протонов;
  • • запаздывающее испускание тритонов.
• 3. Деление из изомерного ядерного состояния.
• 4. Кластерная радиоактивность с испусканием ^I4C, ²³F, ²⁴Ne, ²⁶Ne, ²⁸Mg, ³⁰Mg, ³²Si, ³⁴Si.
• 5. Распад полностью ионизированных атомов.
• 6. Двойной безнейтринный р-распад.

Было обнаружено, что в тех случаях, когда энергия р-распада превышает энергию связи нейтрона, протона или а-частицы в дочернем ядре (продукт p-распада), возникает сложное радиоактивное превращение: образуется ядро в возбужденном состоянии, которое немедленно испускает «запаздывающий» нейтрон, протон или а-частицу.

К настоящему времени открыты четыре типа протонной радиоактивности:

• 1) эмиссия запаздывающих протонов возбужденными дочерними ядрами, образовавшимися в результате р-распада ядер (Р⁺) или электронного захвата;
• 2) протонный распад изомеров, происходящий, если энергия возбуждения изомера превышает энергию связи протона;
• 3) протонный распад ядра из основного состояния, аналогичный а-распаду;
• 4) пересыщенные протонами ядра, четные, но Z, за счет спаривания протонов могут оказаться нестабильными, испуская два протона одновременно.

Известно более 100 излучателей запаздывающих протонов, самый легкий из которых ⁹С (Г_½ = 0,13 с), самый тяжелый — ¹⁸³Hg (Г, ₂ = 8,8 с). Величина Т_{/2 лежит в пределах от 8,9−10 ³ с (¹³0) до 70 с (⁹⁴Rh). Протонно-активный изомер ^53шСо (пока единственный), полученный в реакции ⁵⁴Fе (р, 2п)⁵³Со с Т_{/2 = 247 мс, испускает протон с Е = 1,59 МэВ. Испускание протонов здесь происходит из изомерного состояния ядра ^53wCo с энергией 3,19 МэВ с образованием конечного ядра ⁵²Fe в основном состоянии.

Для сильно нейтронно-дефицитных ядер протонный распад из основного состояния более вероятен, чем эмиссия запаздывающих протонов. При еще более значительном нейтронном дефиците для четных по Z ядер за счет спаривания протонов теоретически возможен вылет протонной пары.

Примеры испускания запаздывающих протонов:

Возбужденное состояние ядра ¹⁴0 (7,77 МэВ), образовавшегося в реакции ^{, 3}N(р_у у), приводит к двупротонному распаду.

Бета-распад может приводить к образованию ядер в возбужденных состояниях с энергией больше энергии отделения нейтрона. Распад этих состояний происходит с эмиссией нейтронов. Распад из основного состояния с испусканием нейтронов до сих пор не наблюдался, но есть многочисленные случаи испускания запаздывающих нейтронов.

Пример испускания запаздывающих нейтронов:

В настоящее время известно свыше 150 ядер излучателей запаздывающих нейтронов. Примерами являются ⁿLi (Г_½ = = 0,009 с), ^{, 3}В (Г_½ = 0,0174 с), ¹⁷N (Г_½ = 4,16 с), ³⁰Na (Г_½ = = 0,055 с), ¹⁴¹Cs (Г_½ = 24,9 с) и др.

У ядер, сильно обогащенных нейтронами, таких как ¹¹ Li, ¹⁷В, наблюдается распад с вылетом двух, трех и даже четырех нейтронов. Например, испускание одного, двух и трех запаздывающих нейтронов наблюдается при [3-распаде ядра ¹¹ Li.

Довольно экзотический канал распада имеет место у ⁷Не:

Испускание запаздывающих а-частиц наблюдается среди природных радиоактивных изотопов ^2,2шРо и ^214тРо, например:

Поскольку у этих изотопов не только возбужденное, но и основное состояние ядер оказывается a-активным, то а-распад здесь всегда следует за p-раснадом и образование возбужденных продуктов p-распада проявляется в увеличении энергии а-частиц и, следовательно, их пробста. Поэтому такие запаздывающие а-частицы получили название длинпопробежных (например: Е_а = 11,7 МэВ для ^212/иРо).

Примеров двойного p-раснада всего несколько. В некоторых случаях, когда для четно-четных ядер невозможен р-распад на нечетно-нечетное ядро, оказывается энергетически возможным переход с изменением Z на две единицы — двойной p-распад. Радионуклиды, распадающиеся по двойному p-распаду, имеют очень большие периоды полураспада. Так, у изотопов ¹²⁸Те и ¹³⁰Те (их содержание в естественной смеси этого элемента 31,7 и 33,8% соответственно) вероятность двойного p-распада очень мала, периоды полураспада Г, ₂(¹²⁸Тс) — 7,7 • 10²⁸ л, Г_½(¹³⁰Те) = 2,7 • 10²¹ л.

К сравнительно недавно обнаруженным типам распада относится кластерная радиоактивность.

Кластерная радиоактивность — способность некоторых тяжелых ядер самопроизвольно испускать кластеры — ядра с атомным весом от 14 до 34.

Радиоактивный распад ²²³Ra с вылетом ядер ¹⁴С протекает, но схеме:

Вероятность испускания ядер ¹⁴С почти на 10 порядков меньше вероятности испускания а-частиц. Спонтанный вылег ядер ^|4С имеет место у ядер ²²¹Fr, ^22lRa, ²²²Ra. Распад некоторых радионуклидов сопровождается испусканием ядер ²⁴Nc, ²⁸Mg, ³²Si.

Отношение вероятности испускания тяжелого кластера к вероятности испускания а-частицы варьируется в интервале 1 • 10 ¹⁰—1 -10 ^{, 3}. Однако в отдельных случаях, например в случае испускания изотопов ²⁸-³⁰Mg, оно может доходить до 110 ¹⁷. В настоящее время известно свыше 20 изотопов, для которых обнаружена кластерная радиоактивность. Примерами являются: ²²¹Fr (¹⁴С, > 2−10⁸), ²²¹Ra (¹⁴С, > 7,4−10⁶), ²²⁴Ra (^{, 4}С, 2,3−10⁸), ²³¹ Ра (²⁴Ne, 8,6−10¹⁵), ²³²U (²⁴Ne, 3,4−10¹³), ²³⁶Pu (²⁸Mg, -1,5−10¹⁴), ²³⁸Pu (^2SMg, ³⁰Mg, -1,5• 10¹⁸; ³²Si, -6,5−10¹⁷), ²⁴⁰Pu (³⁴Si, > 5−10¹⁶),²⁴¹ Am (³⁴Si, > 9−10¹⁶). В скобках указаны испускаемый кластер и период полураспада, лет.