Радиоактивность

Радиоакти́вность

(от лат. radio — излучаю, radius — луч и activus — действенный)

самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно — изотоп другого элемента). Сущность явления Р. состоит в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем (метастабильном) состоянии. Такие превращения сопровождаются испусканием ядрами элементарных частиц либо других ядер, например ядер ²He (α-частиц). Все известные типы радиоактивных превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий микромира: сильных взаимодействий (См. Сильные взаимодействия) (ядерные силы) или слабых взаимодействий (См. Слабые взаимодействия). Первые ответственны за превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц, например α-частиц, протонов или осколков деления ядер: вторые проявляются в β-распаде ядер. Электромагнитные взаимодействия ответственны за квантовые переходы между различными состояниями одного и того же ядра, которые сопровождаются испусканием гамма-излучения (См. Гамма-излучение). Эти переходы не связаны с изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной классификации, не принадлежат к числу радиоактивных превращений. Понятие «Р.» распространяют также на β-распад Нейтронов.

Р. следует отличать от превращений составных ядер, образующихся в процессе ядерных реакций (См. Ядерные реакции) в результате поглощения ядром-мишенью падающей на него ядерной частицы. Время жизни такого ядра значительно превышает время пролёта падающей частицей расстояния порядка ядерных размеров (10^-21—10^-22 сек) и может достигать 10^-13—10^-14 сек. Поэтому условно нижней границей продолжительности жизни радиоактивных ядер считается время порядка 10^-12 сек.

Типы радиоактивных превращений. Все известные виды Р. можно разделить на две группы: элементарные (одноступенчатые) превращения и сложные (двухступенчатые). К первым относятся: 1) Альфа-распад, 2) все варианты Бета-распада (с испусканием электрона, позитрона или с захватом орбитального электрона), 3) спонтанное деление ядер, 4) протонная Р., 5) двупротонная Р. 116) двунейтронная Р. В случае β-распада достаточно большое время жизни ядер обеспечивается природой слабых взаимодействий. Все остальные виды элементарных радиоактивных процессов обусловлены ядерными силами. Замедление таких процессов до промежутков времени ≥ 10^-12 сек вызвано наличием потенциальных барьеров (См. Потенциальный барьер) (кулоновского и центробежного), которые затрудняют вылет ядер или ядерных частиц.

К двухступенчатым радиоактивным превращениям относят процессы испускания т. н. запаздывающих частиц: протонов, нейтронов, α-частиц, ядер трития (См. Тритий) и ³He, а также запаздывающее спонтанное деление. Запаздывающие процессы включают в себя β-распад как предварительную стадию, обеспечивающую задержку последующего, мгновенного испускания ядерных частиц. Т. о., в случае двухступенчатых процессов критерий Р. относительно времени жизни удовлетворяется только для первой стадии, благодаря её осуществлению за счёт слабых взаимодействий.

Историческая справка. Открытие Р. датировано 1896, когда А. Беккерель обнаружил испускание ураном неизвестного вида проникающего излучения, названного им радиоактивным. Вскоре была обнаружена Р. тория, а в 1898 супруги М. Кюри и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента — Полоний и Радий. Работами Э. Резерфорда и упомянутых учёных было установлено наличие 3 видов излучения радиоактивных элементов — α-, β- и γ-лучей — и выявлена их природа. В 1903 Резерфорд и Ф. Содди выяснили, что испускание α-лучей сопровождается превращением химических элементов, например превращением радия в Радон. В 1913 К. Фаянс (Германия) и Содди независимо сформулировали правило смещения, характеризующее перемещение изотопа в периодической системе элементов (См. Периодическая система элементов) при различных радиоактивных превращениях.

В 1934 супругами И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри была открыта искусственная Р., которая впоследствии приобрела особенно важное значение. Из общего числа (около 2000) известных ныне радиоактивных изотопов лишь около 300 природные, а остальные получены искусственно, в результате ядерных реакций. Между искусственной и естественной Р. нет принципиального различия. В результате изучения искусственной Р. были открыты новые варианты β-распада — испускание позитронов (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) и Электронный захват (Л. Альварес, 1938), предсказанный первоначально Х. Юкавой (См. Юкава) и С. Сакатой (Япония, 1935). Впоследствии были обнаружены сложные, включающие β-распад, превращения, в том числе испускание запаздывающих нейтронов (Дж. Даннинг с сотрудниками, США, 1939), запаздывающих протонов (В. А. Карнаухов с сотрудниками, СССР, 1962), запаздывающее деление ядер (Г. Н. Флёров с сотрудниками, 1966—71). Предсказана возможность существования запаздывающих излучателей ядер ³H и ³He (Э. Е. Берлович, Ю. Н. Новиков, СССР, 1969). В 1935 И. В. Курчатов с сотрудниками открыли явление изомерии (существование долгоживущих возбуждённых состояний) у искусственно радиоактивных ядер (см. Изомерия атомных ядер). В 1940 К. А. Петржак и Флёров открыли спонтанное деление ядер. Существование протонной активности предполагалось ещё Резерфордом. Перспективы обнаружения 4-го типа Р. и основные его характеристики изучались Б. С. Джелеповым (1951, СССР) и др. Экспериментально элементарный акт радиоактивного распада с испусканием протонов (из изомерного состояния) впервые наблюдали Дж. Черны с сотрудниками (США, 1970). В 1960 В. И. Гольданский предсказал существование двупротонной Р., а в 1971 Гольданский и Л. К. Пекер (СССР) — двунейтронный радиоактивный распад ядер (только из изомерного состояния).

Закон радиоактивного распада. Единицы радиоактивности. Для процессов радиоактивного распада ядер (и элементарных частиц) характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа активных ядер. Этот закон отражает независимость распада отдельного ядра от остальных ядер. Обычно продолжительность жизни радиоактивных ядер характеризуют периодом полураспада — промежутком времени T_1/2 на протяжении которого число радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое. Поскольку продолжительность жизни отдельного ядра оказывается неопределённой, экспоненциальный закон распада выполняется лишь в среднем, причём тем точнее, чем больше полное число радиоактивных ядер.

Основная единица радиоактивности — Кюри, первоначально определялась как активность 1 г Ra. В дальнейшем под 1 кюри стали понимать активность радиоактивного препарата, в котором происходит 3,7․10¹⁰ распадов в сек. Широко используются дробные единицы (например, мкюри, мккюри) и кратные единицы (ккюри, Мкюри). Другая единица радиоактивности — Резерфорд, равна кюри, что соответствует 10⁶ в сек.

Альфа-распад представляет собой самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро . В результате α-распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы, например:

.

Кинетическая энергия вылетающей α-частицы определяется массами исходного и конечного ядер и α-частицы. Если конечное ядро образуется в возбуждённом состоянии, эта энергия несколько уменьшается, и, напротив, возрастает, если распадается возбуждённое ядро (в последнем случае испускаются т. н. длиннопробежные α-частицы). Энергетический спектр α-частиц дискретный. Период полураспада α-радиоактивных ядер экспоненциально зависит от энергии вылетающих α-частиц (см. Гейгера — Неттолла закон). Теория α-распада, основанная на квантовомеханическом описании проникновения через потенциальный барьер, была развита в 1928 Г. Гамовым и независимо — англ. физиками Р. Гёрни и Э. Коцдоном.

Известно более 200 α-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за Pb, которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z = 82 (см. Ядерные модели). Известно также около 20 α-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь α-распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N = 84, которые при испускании α-частиц превращаются в ядра с заполненной нейтронной ядерной оболочкой (N = 82). Времена жизни α-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3․10^—7сек (для ²¹²Po) до (2—5)․10¹⁵ лет (природные изотопы ¹⁴²Ce, ¹⁴⁴Nd, ¹⁷⁴Hf). Энергия наблюдаемого α-распада лежит в пределах 4—9 Мэв (за исключением длиннопробежных α-частиц) для всех тяжёлых ядер и 2—4,5 Мэв для редкоземельных элементов.

Бета-распад представляет собой самопроизвольное взаимное превращение протонов и нейтронов, происходящее внутри ядра и сопровождающееся испусканием или поглощением электронов (е^—) или позитронов (е⁺), нейтрино (ν_e) или антинейтрино (v̅_e).

1) Электронный β^— -распад: n → р + е^— + v̅_e; например,

.

2) Позитронный β⁺-распад: p → ; например,

( ).

3) Электронный захват: p → ; например,

( ).

Захват электронов происходит с одной из атомных оболочек, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват), реже — со следующих, L- и М-оболочек (L- и М-захваты), β^—-распад характерен для нейтроноизбыточных ядер, в которых число нейтронов больше, чем в устойчивых ядрах (а для ядер с Z > 83, если число нейтронов больше, чем в β-стабильных ядрах, испытывающих только α-распад). β⁺-распад и электронный захват свойственны нейтронодефицитным ядрам, более лёгким, чем устойчивые или β-стабильные ядра. Энергия при β-распаде распределяется между 3 частицами: электроном или позитроном, антинейтрино или нейтрино и конечным ядром; поэтому спектр β-частиц сплошной. Бета-радиоактивные изотопы встречаются у всех элементов периодической системы. Особенностью электронного захвата является слабая зависимость его скорости от химического состояния превращающихся атомов. Ядро захватывает электрон с какой-либо из электронных оболочек атома, а вероятность подобного захвата определяется строением не только внутренней оболочки, отдающей ядру электрон, но и (в меньшей степени) более отдалённых оболочек, в том числе и валентных. Изменение заряда ядра при β-распаде влечёт за собой последующую перестройку («встряску») электронных атомных оболочек, возбуждение, ионизацию атомов и молекул, разрыв химических связей. Химические последствия β-распада (и в меньшей степени др. радиоактивных превращений) являются предметом многочисленных исследований (см. Радиохимия).

Спонтанное деление представляет собой самопроизвольный распад тяжёлых ядер на два (реже — 3 или 4) осколка — ядра элементов середины периодической системы. Спонтанное деление и α-распад ограничивают возможности получения новых трансурановых элементов (См. Трансурановые элементы).

Протонная и двупротонная Р. должны представлять собой самопроизвольный распад нейтронодефицитных ядер с испусканием 1 или одновременно 2 протонов, проникающих сквозь кулоновский барьер путём туннельного эффекта (См. Туннельный эффект). Причиной возможности двупротонной Р. служит спаривание в ядре протонов с противоположно направленными спинами, сопровождающееся выделением энергии около 2 Мэв. В результате этого испускание из ядра одновременно пары протонов может потребовать затраты меньшей энергии, чем отрыв одного из них от другого, а в ряде случаев может идти даже с выделением энергии (причём за время > 10^-12 сек), тогда как испускание одиночного протона потребовало бы, наоборот, затраты энергии.

Трудности наблюдения протонной и двупротонной Р. обусловлены как коротким (по сравнению с др. типами Р.) временем жизни р- и 2р-радиоактивных ядер, так и тем, что эти ядра характеризуются очень сильным дефицитом нейтронов и потому могут быть получены в ядерных реакциях, сопровождающихся вылетом большого числа нейтронов и поэтому маловероятных. Протонную Р. до сих пор удалось наблюдать (см. выше) лишь при распаде не основного, а возбуждённого (изомерного) состояния ядра ^53MCo. Двупротонная Р. так же, как и двунейтронный распад, экспериментально пока не обнаружены.

Гамма-лучи. Ядерные изомеры. Испускание γ-квантов сопровождает Р. в тех случаях, когда «дочерние» ядра образуются в возбуждённых состояниях. Время жизни ядер в таких возбуждённых состояниях определяется свойствами (Спином, Чётностью, энергией) данного уровня и нижележащих уровней, на которые могут происходить переходы с испусканием γ-квантов. Длительность γ-переходов резко возрастает с уменьшением их энергии и с увеличением разности моментов исходного и конечного состояний ядра. В ряде случаев эта длительность существенно превышает 10^—10—10^—9 сек, т. е. наряду с основным состоянием данного стабильного или радиоактивного ядра может относительно долго (иногда годы) существовать его метастабильное возбуждённое (изомерное) состояние. Для многих ядерных изомеров наблюдается явление внутренней электронной конверсии: возбуждённое ядро, не излучая γ-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие чего один из электронов вылетает из атома. После внутренней конверсии возникает вторичное излучение рентгеновского и оптического диапазона 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.

Известны изомеры, для которых преобладает не γ-излучение с образованием др. состояния того же изотопа, но распад по какому-либо из основных типов Р. Так, изомер (T_1/2 = 3,7 ч) испытывает, как и основной изотоп , β-распад; изомер (T_1/2 = 45 сек), как и основной изотоп , — α-распад; изомер (T_1/2 = 14 мсек) — спонтанное деление.

Радиоактивные ряды (семейства). Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными и тогда образованию стабильного изотопа предшествует цепочка из нескольких актов радиоактивного распада. Примерами таких цепочек являются радиоактивные ряды природных изотопов тяжёлых элементов, которые начинаются нуклидами ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th и заканчиваются стабильными изотопами свинца ²⁰⁶РЬ, ²⁰⁷РЬ, ²⁰⁸РЬ. Многие радиоактивные изотопы могут распадаться по 2 или нескольким из перечисленных выше основных типов Р. В результате такой конкуренции разных путей распада возникают разветвления радиоактивных превращений. Для природных радиоактивных изотопов характерны разветвления, обусловленные возможностью α- и β^—-распадов. Для изотопов трансурановых элементов наиболее распространены разветвления, связанные с конкуренцией α- (реже β^—-) распадов и спонтанного деления. У нейтронодефицитных ядер зачастую наблюдается конкуренция β⁺-распада и электронного захвата. Для многих изотопов с нечётными Z и чётными А оказываются энергетически возможными два противоположных варианта β-распада: β^—-распад и электронный захват или β^—- и β⁺-распады.

Заключение. Открытие Р. оказало огромное влияние на развитие науки и техники. Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры вещества. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности и многих др. областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям. За работы, связанные с исследованием и применением Р., было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии, в том числе А. Беккерелю, П. и М. Кюри, Э. Ферми, Э. Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д. Хевеши, О. Гану, Э. Макмиллану и Г. Сиборгу, У. Либби и др.

Лит.: Кюри М., Радиоактивность, пер. с франц., 2 изд., М. — Л., 1960; Мурин А. Н., Введение в радиоактивность, Л., 1955; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Гайсинский М. Н., Ядерная химия и ее приложения, пер. с франц., М., 1961; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961; Учение о радиоактивности. История и современность, М., 1973.

В. И. Гольданский, Е. М. Лейкин.