Гамма-излучение
У этого термина существуют и другие значения, см. Гамма.
Символы со сходным начертанием: Г · г · 「 ·
Буквы со сходным начертанием: Ɣ · ɣ · · ɤ · ꙋ
Буква греческого алфавита гамма
Γ: греческая заглавная буква гамма
γ: греческая строчная буква гамма
В качестве обозначений
Это заготовка статьи о письменности или букве. Помогите Википедии, дополнив её.
На одном из прошлых уроков мы говорили о том, что все тела состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул. Такое предположение было высказано ещё древнегреческим философом Демокритом почти две с половиной тысячи лет назад.
Описание эксперимента Беккереля
Случайное открытие Анри Беккерелем естественной радиоактивности в конце XIX века подставило под сомнение представления Демокрита.
В это время уже было известно явление фосфоресценции, свечения некоторых веществ после облучения солнечными лучами. Беккерель экспериментировал с солями урана, закрывая фотопластинку кусочками урановой соли и плотно обкладывая чёрной бумагой. После проявления пластинки на ней обнаруживались тёмные пятна под кусочками соли.
Спустя несколько дней, Беккерель заметил, что крест, который он положил на фотопластинку, оставил тень на ней. Этот результат ввел его в ступор, и в 1896 году он продемонстрировал свои открытия на заседании Парижской академии наук.
Открытие гамма-излучения
Беккерель убедился, что открытое им излучение не является фосфоресценцией, так как оно, подобно рентгеновским лучам, ионизирует воздух и разряжает электроскоп. Он также установил, что интенсивность самопроизвольного излучения зависит исключительно от количества урана в препарате и не зависит от соединений, в которых он находится. Это свойство было присуще атомам урана.
Таким образом, открытие гамма-излучения Беккерелем изменило представление о внутренней структуре вещества и открыло новую эру в изучении радиоактивности.
Исследование радиации: научные открытия и эксперименты
Исследования Беккереля служили основой для дальнейших работ французских ученых – супругов Пьера и Марии Кюри. Именно благодаря им были открыты радиоактивность и новые химические элементы.
Открытие полония и радия
Систематические исследования руд, содержащих уран, с использованием различной лабораторной аппаратуры, позволили Марии Кюри открыть радиоактивность нескольких веществ, включая торий. В итоге, 13 июня 1898 года, был выделен новый элемент – полоний.
В декабре того же года супруги Кюри выделили еще один новый элемент, который был на миллионы раз активнее урана и получил название радий.
Свойства радия
Радий обладал удивительными свойствами: он самопроизвольно разогревался и светился в темноте. Этот элемент стал важным исследовательским инструментом для ученых, и с его помощью были проведены множество экспериментов.
Физическая природа радиации
Следующим этапом в изучении радиации стало определение физической природы ее излучения. В 1899 году Эрнест Резерфорд провел опыт, в результате которого установил, что радиоактивное излучение состоит из альфа- и бета-частиц.
Ядерные превращения
Оказалось, что не только при альфа-, но и при бета-излучении происходит превращение одного химического элемента в другой. Однако до 1911 года механизм этих превращений оставался неизвестным.
Только после предложения Резерфордом ядерной модели атома стало ясно, что именно ядро атома подвергается изменениям в процессе радиоактивных превращений.
Изучение Бета-распада атомов
В 1900 году Беккерель первым измерил (приблизительно) отношение заряда к массе бета-частиц и установил, что оно такого же порядка, как и для частиц катодных лучей. Проще говоря, бета-лучи являются потоком электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.
Реакция бета-распада
Посмотрите, как записывается реакция бета-распада ядра атома:
Число, которое стоит вверху перед буквенным обозначением ядра, называется массовым числом, а внизу — зарядовым числом (или атомным номером).
Массовое и зарядовое числа
Массовое число ядра атома обозначается большой буквой A. Оно с точностью до целых чисел равно числу атомных единиц массы, содержащихся в массе ядра данного химического элемента.
Одна атомная единица массы — это внесистемная единица массы, которая применяется для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Она определяется как одна двенадцатая часть массы свободного покоящегося атома углерода.
Зарядовое число ядра атома обозначается большой латинской буквой Z. Оно равно числу элементарных электрических зарядов, содержащихся в заряде ядра данного химического элемента.
Напомним, что под элементарным зарядом мы понимаем наименьший электрический заряд, равный по модулю заряду электрона.
Бета-распад и нейтрино
Сразу обращаем ваше внимание на то, что зарядовое и массовое числа всегда целые и положительные. Помимо этого, они не имеют единиц измерения, поскольку указывают, во сколько раз масса и заряд ядра больше единичных.
Таким образом, при бета-распаде ядро атома теряет один электрон, в результате чего образуется ядро нового элемента с тем же самым массовым числом, но с атомным номером на единицу больше.
Изначально казалось, что при бета-распаде нарушаются два фундаментальных закона: закон сохранения энергии и импульса. Но 4 декабря 1930 года швейцарский физик Вольфганг Эрнст Паули предположил, что при бета-распаде рождается ещё какая-то частица, которая и уносит часть энергии и импульса. Эту частицу предложили назвать нейтрино.
Открытие гамма-лучей
В 1900 году французский физик Поль Вийяр при исследовании отклонения альфа- и бета-лучей в излучении радия обнаружил и третий, ранее неизвестный вид лучей, не отклоняющихся даже в самых сильных магнитных полях. Эрнест Резерфорд предложил назвать лучи Вийяра гамма-лучами, потому что они были гораздо более проникающими, чем альфа- и бета-лучи, открытые им ранее. В дальнейшем было доказано, что гамма-излучение представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию.
Этот тема позволяет погрузиться в захватывающий мир атомной физики и понять процессы, происходящие внутри атомов при бета-распаде. Важно помнить, что открытие бета-распада и нейтрино имеет огромное значение для понимания структуры и свойств элементарных частиц.
Понимание природы альфа-частиц
Труднее всего было выяснить природу альфа-частиц, так как они слабее отклоняются магнитными и электрическими полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду в 1913 году.
Измерение отношения заряда к массе
Для начала Резерфорд смог измерить отношение заряда альфа-частицы к её массе по отклонению в магнитном поле. Результат показал, что у альфа-частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы.
Определение заряда альфа-частиц
Затем Резерфорд провел эксперименты с использованием счетчика Гейгера, который помог измерить количество испускаемых частиц радиоактивным препаратом. После этого, с помощью электрометра, ученый смог измерить заряд частиц, испущенных источником.
Открытие природы альфа-частиц
Собрав результаты экспериментов, Резерфорд установил, что альфа-частица является ядром атома гелия, потерявшим два электрона. Это объясняет отношение заряда и массы альфа-частицы к атомному ядру.
Правило смещения в радиоактивности
В 1913 году правило смещения в радиоактивности было сформулировано американцем Казимиром Фаянсом и англичанином Фредериком Содди. Согласно этому правилу:
- При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно на 4 атомных единицы массы.
- При β−распаде элемент смещается на одну клетку ближе к концу Периодической системы.
Важность сохранения массовых и зарядовых чисел
Одной из важных особенностей радиоактивности является сохранение массовых и зарядовых чисел при ядерных превращениях, а также соблюдение известных законов сохранения.
Гамма-излучение
Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение, принадлежащее к наиболее высокочастотной части спектра электромагнитных волн. Оно возникает при распаде атомных ядер и элементарных частиц и способно вызывать их превращения.
Гамма-излучение было открыто в 1900 году П. Вилларом. Оно не отклоняется магнитным полем, а его электромагнитная природа была доказана в опытах по дифракции на кристалле гамма-излучения Э. Резерфордом и Э. Андраде в 1914 году.
Этот текст демонстрирует значимость открытия природы альфа-частиц, правила смещения в радиоактивности, а также важность сохранения массовых и зарядовых чисел при ядерных превращениях. Гамма-излучение играет важную роль в распаде атомных ядер и элементарных частиц, вызывая их превращения.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояний с большей энергией в состояния с меньшей энергией. Энергии испускаемых гамма-квантов с точностью до энергии отдачи ядра (незначительная величина) равны разностям энергий этих состояний (уровней) ядра. Рис. 1. Энергетический спектр гамма-квантов, испускаемых при распаде возбуждённого ядра урана-238 (238U). Спектр получен по данным исследований Ричарда Даймонда и Фрэнка Стивенса в 1967 г. Репродукция иллюстрации из книги: Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. Том 2. Деформация ядер. Москва, 1977.Энергии ядерного гамма-излучения обычно лежат в интервале от нескольких кэВ до 8–10 МэВ; спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии уровней ядра (рис. 1). При распадах частиц и реакциях с их участием испускаются гамма-кванты с бóльшими энергиями: десятки–сотни мегаэлектронвольт. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, даёт важную информацию о структуре этих микрообъектов.
Гамма-излучение возникает также при торможении быстрых заряженных частиц в кулоновском поле ядер и электронов вещества (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение). Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Источниками гамма-излучения являются также процессы, происходящие в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии, получаемых на ускорителе, с интенсивными пучками видимого света, создаваемыми лазерами. При этом электрон передаёт свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
Взаимодействие с веществом
Гамма-излучение широко используется в различных областях человеческой деятельности, таких как дефектоскопия, таможенный контроль, радиационная химия (инициирование химических превращений, например при полимеризации), сельское хозяйство (мутации, вызванные воздействием гамма-излучения, применяют для генерации хозяйственно-полезных форм), пищевая промышленность (стерилизация продуктов), медицина (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.
Воздействие на организм
Искусственными источниками гамма-излучения являются главным образом ускорители электронов (бетатрон, линейные ускорители электронов и др.), отходы атомных электростанций и радиоактивные заражения местности, возникшие в результате испытаний ядерного оружия. Воздействие гамма-излучения на живой организм является результатом столкновения вторичного электрона или другой заряженной частицы, рождаемой гамма-квантом, с клетками организма. Эффекты такого воздействия общие для всех видов радиоактивного излучения – могут возникать изменения молекул тканей организма. Важным обстоятельством является то, что, вследствие высокой проникающей способности гамма-излучения, оно воздействует на весь организм.
Среднегодовая эквивалентная доза излучения, получаемая человеком от естественного радиационного фона и искусственных источников излучения, составляет примерно 3,2 мЗв. Из них около 75 % приходится на воздействие природного радиационного фона и 20 % на воздействие излучений в ходе медицинских исследований, включающих диагностику и лечение. В последнем виде облучения основную роль играет рентгеновское и гамма-излучение.
Опубликовано 6 марта 2023 г. в 17:18 (GMT+3). Последнее обновление 6 марта 2023 г. в 17:18 (GMT+3).
Что такое гамма-излучение?
Электромагнитное излучение, принцип работы
Ренгеновское излучение, виды, свойства
2. Виды гамма-излучения
Открытие гамма-излучения
Это одно из самых важных открытий в истории физики. В 1865 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что некоторые вещества испускают невидимые лучи, которые могут проникать через непрозрачные материалы. Эти лучи были названы рентгеновскими лучами, в честь немецкого физика Рентгена.
Открытие рентгеновских лучей стало настоящим прорывом в науке, поскольку они позволили ученым изучать структуру атомов и молекул. Оно нашло применение в медицине, где они используются для диагностики различных заболеваний.
В 1900 году, когда немецкий физик Макс фон Лауэ обнаружил, что при прохождении рентгеновских лучей через кристаллы, они вызывают рассеяние, которое можно наблюдать с помощью дифракции.
Это открытие привело к пониманию того, что рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами и что существует еще один тип электромагнитного излучения, который не виден глазу, но может быть обнаружен с помощью специальных приборов.
В 1914 году, американский физик Пьер Кюри и его ассистент Гамильтон использовали специальный прибор, называемый гамма-спектрометром, для обнаружения гамма-лучей от радиоактивных источников.
Они обнаружили, что гамма-лучи имеют высокую энергию и обладают высокой проникающей способностью, и что они могут быть использованы для изучения свойств радиоактивных элементов.
Однако, открытие рентгеновских лучей было не единственным достижением в области физики. В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, который является частицей, не имеющей электрического заряда. Нейтроны также играют важную роль в ядерной физике и используются для изучения строения атомных ядер.
Таким образом, открытие гамма-излучения и рентгеновских лучей является одним из ключевых моментов в развитии физики и других наук. Эти открытия позволили ученым лучше понимать структуру материи и использовать их для решения различных задач в науке и технике.
Виды гамма-излучения
Свойства гамма-излучения
Вот несколько основных источников гамма-излучения:
Доза гамма-излучения
Доза гамма-излучения (Гр) – это единица измерения, используемая для выражения количества энергии, поглощенной телом в результате воздействия гамма-излучения. Единица измерения Гр является международной и используется во многих странах мира.
Гр измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг). Для расчета дозы необходимо знать мощность дозы (Вт/кг), продолжительность воздействия излучения (с) и массу тела (кг). Формула для расчета дозы выглядит следующим образом:
D = P * t * m
Например, если человек массой 70 кг находится в зоне с мощностью дозы 1 Вт/кг в течение 1 часа, то его доза будет равна:
D = 1 Вт/кг * 1 ч * 70 кг = 70 Дж/кг = 0,07 Гр
Таким образом, доза гамма-излучения зависит от мощности дозы, продолжительности воздействия и массы тела. При работе с источниками радиоактивного излучения необходимо учитывать дозу и принимать меры для ее снижения.
Применение гамма-излучения
Широкий спектр применения в различных областях, включая медицину, науку, промышленность и безопасность. Ниже представлены некоторые из наиболее распространенных способов использования гамма-излучения:
Это лишь некоторые из множества способов использования гамма-излучения. Оно играет важную роль во многих областях науки и технологий, и его применение продолжает расширяться.
Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, встречающихся в природе.
Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, полученных искусственным путём через соответствующие ядерные реакции.
Ядро, испытывающее радиоактивный распад, и ядро, возникающее в результате этого распада, называют соответственно материнским и дочерним ядрами. Изменение массового числа и заряда дочернего ядра по отношению к материнскому описывается правилом смещения Содди.
Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада, когда в результате первого этапа распада возникает дочернее ядро в возбуждённом состоянии, затем испытывающее переход в основное состояние с испусканием гамма-квантов.
Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.
В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с испусканием нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β+-распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.
Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).
Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро. Последовательность таких распадов называется цепочкой распадов, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.
Ядра с одинаковым массовым числом (изобары) могут переходить друг в друга посредством бета-распада. В каждой изобарной цепочке содержится от 1 до 3 бета-стабильных нуклидов (они не могут испытывать бета-распад, однако не обязательно стабильны по отношению к другим видам радиоактивного распада). Остальные ядра изобарной цепочки бета-нестабильны; путём последовательных бета-минус- или бета-плюс-распадов они превращаются в ближайший бета-стабильный нуклид. Ядра, находящиеся в изобарной цепочке между двумя бета-стабильными нуклидами, могут испытывать и β−-, и β+-распад (или электронный захват). Например, существующий в природе радионуклид калий-40 способен распадаться в соседние бета-стабильные ядра аргон-40 и кальций-40:
Радиоактивность природных элементов
Экспериментально установлено, что радиоактивны, то есть не имеют стабильных изотопов, все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута).
Все более лёгкие элементы, помимо стабильных изотопов, имеют радиоактивные изотопы с разными периодами полураспада, варьирующимися от долей наносекунды до значений, на много порядков превышающих возраст Вселенной. Например, теллур-128 имеет самый долгий измеренный период полураспада из всех изученных радионуклидов, ~2,2·1024 лет.
Исключение по нестабильности из элементов легче висмута составляют прометий и технеций, не имеющие долгоживущих относительно длительности геологических эпох изотопов. Наиболее долгоживущий изотоп технеция — технеций-98 — имеет период полураспада около 4,2 млн лет, а самый долгоживущий изотоп прометия — прометий-145 — 17,5 лет. Поэтому изотопы технеция и прометия со времени формирования Земли не сохранились в земной коре и получены искусственно.
Существует много природных радиоактивных изотопов, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли или многократно превышает его, поэтому, несмотря на их радиоактивность, эти изотопы содержатся в природной изотопной смеси соответствующих элементов. Примерами могут служить калий-40, рений-187, рубидий-87, теллур-128 и многие другие.
Измерение отношения концентраций некоторых из долгоживущих изотопов и продуктов их распада позволяет проводить абсолютную датировку минералов, горных пород и метеоритов в геологии.
Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Он занимался исследованием связи люминесценции и недавно открытых рентгеновских лучей.
Беккерелю пришла в голову мысль: «Не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами?» Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом.
Впоследствии Беккерель испытал и другие соединения и минералы урана (в том числе не проявляющие фосфоресценции), а также металлический уран. Пластинка неизменно засвечивалась. Поместив между солью и пластинкой металлический крестик, Беккерель получил слабые контуры крестика на пластинке. Тогда стало ясно, что открыты новые лучи, проходящие сквозь непрозрачные предметы, но не являющиеся рентгеновскими.
Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Таким образом, это свойство было присуще не соединениям, а химическому элементу — урану.
Своим открытием Беккерель делится с учёными, с которыми он сотрудничал. В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий.
Они выяснили, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран. Беккерель же вернулся к интересующим его люминофорам. Правда, он сделал ещё одно крупное открытие, относящееся к радиоактивности. Однажды для публичной лекции Беккерелю понадобилось радиоактивное вещество, он взял его у супругов Кюри и положил пробирку в жилетный карман. Прочтя лекцию, он вернул радиоактивный препарат владельцам, а на следующий день обнаружил на теле под жилетным карманом покраснение кожи в форме пробирки. Беккерель рассказал об этом Пьеру Кюри, и тот поставил на себе опыт: в течение десяти часов носил привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него тоже появилось покраснение, перешедшее затем в тяжелейшую язву, от которой он страдал в течение двух месяцев. Так впервые было открыто биологическое действие радиоактивности.
Но и после этого супруги Кюри мужественно делали своё дело. Достаточно сказать, что Мария Кюри умерла от осложнений, связанных в том числе с длительной работой с радием, в 1934 г.
В 1955 г. были обследованы записные книжки Марии Кюри. Они до сих пор излучают из-за радиоактивного загрязнения, внесённого при их заполнении. На одном из листков сохранился радиоактивный отпечаток пальца Пьера Кюри.
Закон радиоактивного распада
Моделирование распада многих идентичных атомов. Начиная с 4 атомов (слева) и 400 (справа). Сверху показано число периодов полураспада.
Закон радиоактивного распада — закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году. Современная формулировка закона:
что означает, что число распадов за интервал времени в произвольном веществе пропорционально числу имеющихся в образце радиоактивных атомов данного типа.
Решение этого дифференциального уравнения с начальным условием при
где — среднее время жизни радиоактивного атома.
В этом математическом выражении — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеет размерность с−1. Знак минус указывает на убывание числа радиоактивных ядер со временем. Закон выражает независимость распада радиоактивных ядер друг от друга и от времени: вероятность распада данного ядра в каждую следующую единицу времени не зависит от времени, прошедшего с начала эксперимента, и от количества ядер, оставшихся в образце.
Экспоненциальная кривая радиоактивного распада: по оси абсцисс («оси x») — нормированное время по оси ординат («оси y») — доля ещё нераспавшихся ядер или скорость распада в единицу времени
Константа распада радиоактивного ядра в большинстве случаев практически не зависит от окружающих условий (температуры, давления, химического состава вещества и т. п.). Например, твёрдый тритий T2 при температуре в несколько кельвинов распадается с той же скоростью, что и газообразный тритий при комнатной температуре или при температуре в тысячи кельвинов; тритий в составе молекулы T2 распадается с той же скоростью, что и в составе, например, аминокислоты валина с замещёнными атомами водорода атомами трития.
Слабые изменения константы распада в лабораторных условиях обнаружены лишь для электронного захвата — доступные в лаборатории температуры и давления, а также изменение химического состава способны несколько изменять плотность электронного облака в окружении ядра, что приводит к изменению скорости распада на доли процента. Однако в достаточно жёстких условиях (высокая ионизация атома, высокая плотность электронов, высокий химический потенциал нейтрино, сильные магнитные поля), труднодостижимых в лаборатории, но реализующихся, например, в ядрах звёзд, другие типы распадов тоже могут изменять свою вероятность.
Постоянство константы радиоактивного распада позволяет измерять возраст различных природных и искусственных объектов по результатам измерения концентрации входящих в их состав радиоактивных ядер и концентрации накопленных продуктов распада. Разработан ряд методов радиоизотопного датирования, позволяющих измерять возраст объектов в диапазоне от единиц до миллиардов лет; среди них наиболее известны радиоуглеродный метод, уран-свинцовый метод, уран-гелиевый метод, калий-аргоновый метод и др.
Виды частиц, испускаемых при радиоактивном распаде
Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:
Хотя в ходе исследований были обнаружены и другие типы частиц, испускающихся при радиоактивном распаде, перечисленные названия сохранились до сих пор, поскольку соответствующие типы распадов наиболее распространены.
При взаимодействии распадающегося ядра с электронной оболочкой возможно испускание частиц (рентгеновских фотонов, Оже-электронов, конверсионных электронов) из электронной оболочки. Первые два типа излучений возникают при появлении в электронной оболочке вакансии (в частности, при электронном захвате и при изомерном переходе с излучением конверсионного электрона) и последующем каскадном заполнении этой вакансии. Конверсионный электрон испускается в процессе изомерного перехода с внутренней конверсией, когда энергия, выделяющаяся при переходе между уровнями ядра, не уносится гамма-квантом, а передаётся одному из электронов оболочки.
При спонтанном делении ядро распадается на два (реже три) относительно лёгких ядра — так называемые осколки деления — и несколько нейтронов. При кластерном распаде (являющемся промежуточным процессом между делением и альфа-распадом) тяжёлым материнским ядром испускается относительно лёгкое ядро (14C, 16O и т. п.).
При протонном (двухпротонном) и нейтронном распаде ядро испускает соответственно протоны и нейтроны.
Во всех типах бета-распада (кроме предсказанного, но пока не открытого безнейтринного) ядром испускается нейтрино или антинейтрино.
Типы радиоактивного распада
Все типы распада можно разделить на три группы:
Название распада Описание Дочернее ядро Эмиссия
Альфа распад α От ядра отделяется α-частица – ядро атома гелия-4. (A-4, Z-2) ⁴He
Протонная эмиссия p Отделяется 1-2 нуклона. Характерен для лёгких ядер с большим излишком протонов или нейтронов. (A-1, Z-1) p
Двойной протонный распад 2p (A-2, Z-2) 2p
Нейтронная эмиссия n (A-1, Z) n
Двойной нейтронный распад 2n (A-4, Z) 2n
Кластерный распад KL Отделяется кластер – ядро тяжелее ⁴He, но намного легче дочернего ядра. (A-Aₓ, Z-Zₓ) (Aₓ, Zₓ)
Спонтанное деление SF Ядро делятся примерно пополам. Характерно для тяжёлых ядер (трансурановых) 2(~A/2, ~Z/2) 2-5n
Бета минус распад β⁻ Нейтрон распадается за счёт слабого взаимодействия с испусканием электрона: (A, Z+1) e⁻;ν
Бета плюс распад (позитронная эмиссия) β⁺ Обратный процесс. Протон распадается на Нейтрон: (A, Z-1) e⁺;ν
Электронный захват ε Происходит захват электрона из электронной оболочки атома: (A, Z-1) ν
Бета-минус-распад с переходом в электронную оболочку Иногда электрону не хватает энергии выйти из атома, и он переходит в электронную оболочку атома.
Двойной бета минус распад 2β⁻ Происходит два распада нейтрона одновременно. (A, Z+2) 2e⁻;2ν
Двойной бета плюс распад 2β⁺ Происходит два распада протона одновременно. Каждый распад может быть либо позитронной эмиссией, либо электронным захватом. (A, Z-2) 2e⁺;2ν
Двойной электронный захват 2ε (A, Z-2) 2ν
Электронный захват с эмиссией позитрона εβ⁺ (A, Z-2) e⁺;2ν
Безнейтринный двойной бета-распад 0ν2β Предполагаемый распад, в ходе которого две частицы нейтрино реагируют с самоуничтожением. (A, Z+2) 2e⁻
Гамма-распад γ Ядро переходит из возбуждённого состояния в основное. (A, Z) γ
Внутренняя конверсия IC Испущенный γ-квант поглощается электроном из эл. оболочки атома. Он либо переходит на новый уровень, либо становится свободным (конверсионный электрон) (A, Z) e⁻
Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4He).
Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.
Правило смещения Содди для α-распада:
Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):
В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.
Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. Бета-распад — это проявление слабого взаимодействия.
Бета-распад (точнее, бета-минус-распад, β−-распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и электронного антинейтрино.
Фейнмановская диаграмма бета-минус-распада: d-кварк в одном из нейтронов ядра превращается в u-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в электрон и электронное антинейтрино.
Бета-распад является внутринуклонным процессом. Бета-минус-распад происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:
Свободные нейтроны также испытывают β−-распад, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино (см. Бета-распад нейтрона).
Правило смещения Содди для β−-распада:
Пример (бета-распад трития в гелий-3):
После β−-распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.
Позитронный распад и электронный захват
Фейнмановская диаграмма позитронного распада: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в позитрон и электронное нейтрино.
Фейнмановская диаграмма электронного захвата: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который взаимодействует с электроном оболочки, превращая его в электронное нейтрино.
Правило смещения Содди для β+-распада и электронного захвата:
Пример (ε-захват бериллия-7 в литий-7):
После позитронного распада и ε-захвата элемент смещается на 1 клетку к началу таблицы Менделеева (заряд ядра уменьшается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.
Наиболее редким из всех известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для одиннадцати нуклидов, и период полураспада для любого из них превышает . Двойной бета-распад, в зависимости от нуклида, может происходить:
Предсказан, но ещё не открыт безнейтринный двойной бета-распад.
Общие свойства бета-распада
Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра, поскольку при любом бета-распаде общее количество нуклонов в ядре не изменяется, лишь один или два нейтрона превращаются в протоны (или наоборот).
Гамма-распад (изомерный переход)
Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра 1H, 2H, 3H и 3He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьё время жизни измеряется микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.
Специальные виды радиоактивности
Радиоактивность окружает нас повсюду. Даже элементы, из которых состоят тела людей, содержат радиоактивные изотопы калия, цезия и радия.