physics.zfftt.kpi.ua

На загал атомні ядра є міцні, проте ядра окремих ізотопів деяких хімічних елементів є нестійкі й спонтанно (самодовільно) перетворюються на ядра інших елементів. Така властивсть називається природньою радіоактивністю, а саме явище – радіоактивним розпадом.

Радіоактивниий розпад супроводжується радіоактивним випромінюванням, якого в  природі існує три види: \(\alpha-\), \(\beta-\) і \(\gamma-\).

\({\mathbf{\alpha-}}\) випромінювання являє собою потік \(\alpha-\)частинок,  –  ядер нукліду Гелію \({}_{2}^{4}\mathrm{He}\) і мають позитивний електричний заряд \(q_{\alpha}=3,2\cdot{10}^{-19}\) Кл і масу, що практично збігається з масою нейтрального атома: \(m_{\alpha}=4,00260\) а.о.м.

\({\mathbf{\beta-}}\) випромінювання це потік \(\beta-\)частинок, тобто електронів. Через це \(\beta-\)частинки позначають ще й як \(e^{-}\) чи \({}_{-1}^  {0}e\).

\({\gamma-}\) випромінювання це дуже жорстке електромагнітне випромінювання, тобто потік \(\gamma-\)квантів, – фотонів із дуже високою енергією (> 10⁵ еВ) і  малою довжиною хвилі (\(<5\cdot{10}^{-12}\) м).

Кінетичні енергії \(\alpha-\), \(\beta-\)частинок і енергія \(\gamma-\)квантів дуже великі. Тому радіоактивному випромінюванню властива сильна біологічна дія, і воно небезпечне для життя. Особливо це стосується \(\gamma-\)випромінювання, що має високу проникаючу здатність. Висока проникаюча здатність \(\gamma-\)випромінювання пояснюється тим, що \(\gamma-\)кванти (фотони) є нейтральними частинками.

Відповідно до видів і назв частинок, що випускаються, розрізняють види і схеми радіоактивного розпаду.

Перетворення ядер з випромінюванням \(\alpha-\)частинок називається \(\alpha-\)розпадом, а з випромінюванням \(\beta-\)частинок – \(\beta-\)розпадом.

Ядерні процеси, як і будь-які інші, підпорядковані універсальним законам збереження імпульсу, енергії, електричного заряду. Крім того існує ще низка специфічних законів збереження, що діють у світі елементарних частинок. Зокрема, це закон збереження кількості нуклонів, відповідно до якого при різних перетвореннях ядер загальна кількість нуклонів не змінюється.

Закони збереження заряду і кількості нуклонів означають, що

Цим визначаються схеми \(\alpha-\) і \(\beta-\)розпаду заданого нукліда X з утворенням нового нукліда Y:

1. \(\alpha-\)розпад:

1. \(\beta-\)розпад:

Зарядове і масове числа нукліда  Y, що утворюється, визначається зазначеними законами збереження.

Зарядове число ядра визначає місце елемента в періодичній системі. Тому зі схем (21.9) і (21.10) випливають так звані правила зміщення:

Як при \(\alpha-\)розпаді, так і при \(\beta-\)розпаді ядро, що утворилося звичайно перебуває в збудженому стані. Переходячи в основний стан, воно випускає один або декілька \(\gamma-\)квантів. Тому обидва види розпаду супроводжуються \(\gamma-\)випромінюванням. При \(\beta-\)розпаді випускається ще одна частинка, яка називається антинейтрино. Але в задачах елементарної фізики це не враховується.

З часом кількість радіоактивного нукліда зменшується відповідно до закону радіоактивного розпаду:

де N – кількість радіоактивних ядер, що не розпалися на даний момент часу t, N₀ – їх кількість у момент початку відліку, e = 2,718… – основа натуральних логарифмів.

Коефіцієнт \(\lambda\) (1/с) називається сталою розпаду, яка є індивідуальною характеристикою кожного радіоактивного нукліду. Замість \(\lambda\) часто використовують обернену величину

яка називається тривалістю життя нукліду.

З урахуванням виразу (21.12) закон радіоактивного розпаду записується так:

Величина \(\tau\) має простий зміст. При \(t=\tau\)

тобто можна сказати, що тривалість життя – це проміжок часу протягом якого кількість радіоактивних ядер зменшується в \(e\approx{2,72}\) рази. (див. рис.21.3).

На практиці швидкість розпаду радіоактивного нукліду характеризують періодом піврозпаду T – проміжком часу, протягом якого розпадається половина вихідної кількості радіоактивного нукліду (див. рис.21.3)

Період піврозпаду T пов'язаний з тривалістю життя  співвідношенням

Закон розпаду через T записується у вигляді