Корпускулярные излучения

Как уже отмечалось, корпускулярные ионизирующие излучения возникают при радиоактивном распаде ядер неустойчивых изотопов. Различают естественную радиоактивность (самопроизвольный распад ядер неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную радиоактивность (наблюдается у изотопов, синтезированных посредством ядерных реакций в лабораторных условиях). Принципиального различия между ними нет, поскольку способ образования изотопа не влияет на его свойства и законы радиоактивного распада. Характер радиоактивного распада не зависит от вида химического соединения, агрегатного состояния вещества, температуры, давления, напряженности электрического и магнитного полей, т.е. от всех воздействий, которые могли бы привести к изменению состояния электронной оболочки атома. Следовательно, радиоактивные свойства элементов обусловлены лишь структурой их ядер. Радиоактивный распад- это естественное радиоактивное превращение ядер элементов, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро, претерпевающее радиоактивный распад, называют материнским, возникающее ядро - дочерним. Существует несколько типов реакций распада ядер:  -распад,  -распад,  - излучение ядер, спонтанное деление тяжелых ядер, протонная радиоактивность. Соответственно, при протекании этих ядерных реакций возникают  -излучение, -излучение,  -излучение, протонное излучение, нейтронное излучение.

Альфа – излучение возникает при распаде атомных ядер и сопровождается испусканием α – частицы. Заряд α - частицы равен +2, масса равна 4 а.е.м. и со­впадает с массой ядра гелия ₂⁴Не. Соответственно, α – частица состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Таким образом, α -излучение представляет собой поток ядер атомов гелия, обладающих высокой скоростью. Начальная энергия α – частиц, возникающих при распаде различных радиоактивных элементов, составляет от 2 до 11 МэВ. Так, при распаде изотопа радия ²²⁶Ra, вылетают α – частицы со скоростью 17 000 км/час и энергией 4,5 МэВ. Для каждого радиоактивного изотопа энергия α – частиц постоянна. Поэтому спектр α – излучения является монэнергетическим (монохроматическим). Альфа- излучение отклоняется электрическим и магнитным полями (Рис 5), обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Вследствие относительно большой массы и высокой начальной энергиии, траектория движения α – частицы в веществе прямолинейна. Длина пробега этих частиц в воздухе не превышает 10 см, в воде и биологических тканях - нескольких десятков микрометров. В воздухе на 1 см пути пробега, α – частица образует 100 - 250 тысяч пар ионов. Вследствие высокой ионизирующей способности, α – излучение характеризуется высоким коэфициентом относительной биологической эффективности и оказывает, соответственно, очень сильное деструктивное действие на клетки и ткани живых организмов (более подробно см. на стр. ).

Схематично реакции α-распада можно представить в таком виде :

^AX →_Z-2^A-4 Y +⁴He, Внимание сделать

где X - материнское ядро, Y – дочернее ядро, ⁴He – ядро атома гелия (α –частица). Как видно, при α- распаде массовое число дочернего элемента уменьшается на 4, а зарядовое число — на 2 единицы. В качестве примеров α- распада можно привести реакции:

²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He

²¹⁰Po → ²⁰⁶ Pb + ⁴He

Необходимое условие для протекания α-распада: масса материнского ядра должна быть больше суммы масс дочернего ядра и α –частицы. Этот тип ядерных реакций характерен для тяжелых ядер с массовыми числами А > 200 и зарядовыми числами Z > 82, так как только для таких ядер испускание α-частиц является энергетически выгодным. При радиоактивном распаде, α -частица образуется при столкновении движущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов.

-излучение возникает при - распаде ядер радиоактивных изотопов. -частицы представляют собой электроны ( или позитроны), обладающие высокой скоростью. По своей физической природе эти электроны (позитроны) не отличаются от обычных электронов, входящих в состав атомов, т.е. имеют массу m_e = 9,11 10^-31 кг и заряд равный - 1. -излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизиру­ющая способность значительно меньше, а проникающая способ­ность гораздо больше, чем у -частиц; оно сильно рассеивается веществом. -частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различной скоростью и неодинаковой энергией. Это обьясняется тем, что при - распаде из ядра атома одновременно вылетают электроны (позитроны) и нейтрино.

Нейтрино - электрически нейтральная элементарная частица с нулевой массой покоя со спином ½. Ионизирующая его способность очень мала: в воздухе один акт ионизации приходится на 500 км пробега. Проникающая способность огромна: пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет 10¹⁸ м. Антинейтрино – античастица по отношению к нейтрино.

Энергия, освобождаемая при каждом акте радиоактивного распада, распределяется между -частицей и нейтрино. Распределение энергии между этими частицами носит случайный характер и подчиняется статистическим законам. Поэтому энергетический спектр бета-излучения является неперерывным, т.е. в потоке -излучения определенного изотопа, есть частицы с различными значениями энергии - от нуля до некоторого максимального значения.

Различные радионуклиды отличаются друг от друга по уровню энергии испускаемых -частиц. Начальная энергия этих частиц может составлять от 15 – 50 кЭв (мягкое - излучение) до 3- 12 МэВ (жесткое - излучение). Скорость движения -частиц в вакууме составляет от 110¹⁰ до 310¹⁰ см/с. Длина пути пробега -частиц в веществе зависит от начальной энергии частицы и от плотности облучаемого обьекта. Длина пути пробега этих частиц в воздухе может доходить до 25 м, в биологических тканях – до 1 см. Траектория движения их в веществе не прямолинейная, т.к. электроны и позитроны легко изменяют направление движения под действием электрических и магнитных полей атомов. Бета-излучение, по сравнению с α-лучами, обладает небольшим ионизирующим эффектом. Так, в воздухе оно образует 50-100 пар ионов в расчете на 1 см пути пробега.

Как отмечалось выше, этот тип излучения возникает при - распаде радиоактивных ядер. Бета –распад - произвольный процесс превращения ра­диоактивного ядра в другое ядро (массовое число его не изменяется, а зарядовое число изменяется на Z = ± I) с испусканием электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино).

Различают три вида  -распада:

1. ^- -распад протекает согласно схеме :

^AX →_Z+1^A- Y + ⁰e +⁰

где ,°е — символическое обозначение электрона, ⁰ — электронное антиней­трино (антинейтрино, сопутствующее ипусканию электрона). При ^- -распа­де массовое число дочернего вещества не изменяется, а зарядовое число увеличивается на единицу.

Примеры ^- - распада:

¹⁴C  ¹⁴N + ⁰e +⁰

²¹⁴Pb  ²¹⁴Bi + ⁰e +⁰

2. ⁺ - распад протекает по следующей схеме:

^AX →_Z-1^A- Y + ⁰e +⁰,

где ⁰e - позитрон (античастица по отношению к электрону), ⁰ - позитронное нейтрино (нейтрино, сопутствующее испусканию позитрона).

Примеры ⁺ - распада :

Na → Ne + ⁰e +⁰,

P→ Si + ⁰e +⁰,

3. Электронный захват ( e- захват или К – захват) протекает по следующей схеме;

^AX + ⁰e →_Z-1^A- Y +⁰,