Большая Советская Энциклопедия (РА) - БСЭ БСЭ

  Г. Г. Поликарпов.

Радиоактивность

Радиоакти'вность (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 (a-частиц). Все известные типы радиоактивных превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий микромира: сильных взаимодействий (ядерные силы) или слабых взаимодействий. Первые ответственны за превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц, например a-частиц, протонов или осколков деления ядер: вторые проявляются в b-распаде ядер. Электромагнитные взаимодействия ответственны за квантовые переходы между различными состояниями одного и того же ядра, которые сопровождаются испусканием гамма-излучения. Эти переходы не связаны с изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной классификации, не принадлежат к числу радиоактивных превращений. Понятие «Р.» распространяют также на b-распад нейтронов.

  Р. следует отличать от превращений составных ядер, образующихся в процессе ядерных реакций 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 b-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 ³ 10-12 сек вызвано наличием потенциальных барьеров (кулоновского и центробежного), которые затрудняют вылет ядер или ядерных частиц.

  К двухступенчатым радиоактивным превращениям относят процессы испускания т. н. запаздывающих частиц: протонов, нейтронов, a-частиц, ядер трития и 3He, а также запаздывающее спонтанное деление. Запаздывающие процессы включают в себя b-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 — a-, b- и g-лучей — и выявлена их природа. В 1903 Резерфорд и Ф. Содди выяснили, что испускание a-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 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 b-распада — испускание позитронов (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) и электронный захват (Л. Альварес, 1938), предсказанный первоначально Х. Юкавой и С. Сакатой (Япония, 1935). Впоследствии были обнаружены сложные, включающие b-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 T1/2 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 a-распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы, например:

.

  Кинетическая энергия вылетающей a-частицы определяется массами исходного и конечного ядер и a-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 a-частицы). Энергетический спектр a-частиц дискретный. Период полураспада a-радиоактивных ядер экспоненциально зависит от энергии вылетающих a-частиц (см. Гейгера — Неттолла закон). Теория a-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 a-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 a-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь a-распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N = 84, которые при испускании a-частиц превращаются в ядра с заполненной нейтронной ядерной оболочкой (N = 82). Времена жизни a-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3×10—7сек (для 212Po) до (2—5)×1015 лет (природные изотопы 142Ce, 144Nd, 174Hf). Энергия наблюдаемого a-распада лежит в пределах 4—9 Мэв (за исключением длиннопробежных a-частиц) для всех тяжёлых ядер и 2—4,5 Мэв для редкоземельных элементов.