Виды радиоактивности

В атомных ядрах возможны и действительно наблюдаются че­тыре основных типа радиоактивности: a-распад, b-распад, g-распад и спонтанное деление.

Явление a-распада состоит в том, что тяжелые ядра самопро­извольно испускают a-частицы (ядра гелия ₂Н⁴). При этом массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер – на две:

_ZХ^А _{® Z –2}Y^А-4 + ₂Н⁴.

Исходное ядро _ZХ^А часто называется материнским, а получающееся после распада ядро _Z-2Y^А-4 – дочерним. Основными характеристиками a-распада, как и всякого радиоактивного про­цесса, является область ядер, у которых наблюдается распад, а также периоды полураспада ядер и энергии вылетающих a-частиц.

Перечислим характерные эмпирические особенности a-рас­пада:

а) a-распад идет только для тяжелых ядер (т.е. при больших Z). Известно более двухсот радиоактивных ядер, причем почти все эти ядра относятся к самому концу периодической системы элемен­тов и имеют Z>83, т.е. не менее двух протонов сверх замкнутой оболочки, соответствующей магическому числу Z = 82. a - распад обусловлен тем, что сильное взаимодействие не в состоянии обеспе­чить стабильность очень тяжелых ядер. Вследствие короткодействия сильное взаимодействие связывает только соседние нуклоны, в то время как электростатическое отталкивание сильно возрастает и действует в объеме всего ядра. У очень тяжелых ядер кулоновское отталкивание сильно возрастает и действует между всеми прото­нами, тогда как сильное ядерное взаимодействие проявляется лишь между соседними нуклонами; оно не может противостоять кулонов­скому отталкиванию и удержать нуклоны в ядре.

б) периоды полураспадов a-активных ядер варьируются в широчайших пределах. С другой стороны, энергии вылетающих a-частиц заключены в довольно жестких пределах, а именно, 4 – 9 МэВ для тяжелых ядер и 2 – 4,5 МэВ для ядер в области редких зе­мель.

Пожалуй, самым ярким и удивительным свойством a-распада является очень сильная зависимость периода полураспада от энер­гии вылетающих a-частиц. Здесь мы сталкиваемся с одним из фун­даментальных отличий квантовой механики микромира от классиче­ской механики макротел. В классической теории процесс может быть выгодным энергетически, разрешенным всеми законами со­хранения и все-таки не идти. Так, например, вода из стоящего на столе стакана не выливается на пол, хотя энергетически это явно вы­годно. В квантовом микромире это не так. Если бы стакан с водой можно было уменьшить в миллион миллиардов раз, то вода быстро бы оказалась на полу. В микромире любой процесс, разрешенный законами сохранения, обязательно идет. Этот принцип проявляется в a-распаде. Таким образом, a-распад – явление квантово-механическое, а основным фактором, определяющим свойства a-распада, яв­ляется просачивание образующихся a-частиц через кулоновский барьер ядра.

Помимо a-распада, для очень тяжелых ядер возможно также открытое советскими физиками К.А. Петржаком и Г.Н. Флеровым в 1940 г. спонтанное (самопроизвольное) деление на два сравнимых по массам осколка. Именно спонтанное деление ограничивает воз­можности получения новых изотопов со все большими Z и А.

В процессе радиоактивного распада ядро может испускать не только частицы, входящие в его состав, но и новые частицы, рож­дающиеся в процессе распада. Процессами такого рода являются b- и g- распады. Понятие b-распада объединяет три вида ядерных пре­вращений: электронный (b^-) распад, позитронный (b⁺) распад и элек­тронный захват.

Явление b^--распада состоит в том, что ядро самопроизвольно испускают электрон е^- и легчайшую электрически нейтральную час­тицу антинейтрино , переходя при этом в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, но единицу большим:

_ZХ^А _{® Z +1}Y^А + е^- + .

Необходимо подчеркнуть, что испускаемый при b^--распаде электрон не имеет отношения к орбитальным электронам. Он рождается внутри самого ядра: один из нейтронов превращается в протон и при этом испускает электрон.

Другим типом b-распада является процесс, в котором ядро ис­пускает позитрон е⁺ и другую легчайшую электрически нейтраль­ную частицу – нейтрино n. При этом один из протонов превращается в нейтрон:

_ZХ^А _{® Z –1}Y^А + е⁺ +n.

Этот распад называют позитронным или b⁺-распадом.

В круг b-распадных явлений входит также электронный захват (часто называемый также К-захватом), при котором ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из К-оболочки), ис­пуская нейтрино. При этом, как и в позитронном распаде, один из протонов превращается в нейтрон:

е^- +_ZХ^А _{® Z –1}Y^А +n.

Главной особенностью b-распада является то, что он обуслов­лен не ядерными и не электромагнитными силами, а третьим из чет­вертых типов фундаментальных взаимодействий в природе – сла­быми взаимодействиями. За счет того, что интенсивность слабых взаимодействий на 24 порядка меньше ядерных, периоды полурас­падов b-активных ядер в среднем имеют порядок минут и часов.

Гамма-распад состоит в испускании ядром кванта очень жест­кого (более жесткого, чем рентгеновское) электромагнитного излу­чения. Распад ядра с испусканием g - излучения во многом напоми­нает испускание фотонов возбужденными атомами. Подобно атому, ядро может находиться в возбужденном состоянии. При переходе в состояние с более низкой энергией, или основное состояние, ядро испускает фотон. Вызывающее этот распад электромагнитное взаи­модействие сего лишь на четыре порядка слабее ядерных сил. По­этому и времена жизни ядер по отношению к g-распаду, как правило, очень малы. Так как g - излучение не несет заряда, при g - распаде не происходит превращения одного химического элемента в другой.