Радиоактивность и радиоактивный распад

Самопроизвольное превращение ядер

Некоторые сочетания протонов и нейтронов неустойчивы и переходят в более устойчивое состояние, испуская частицы или фотоны. Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождаемое ионизирующим излучением. Момент распада отдельного ядра случаен, но для большого числа ядер скорость процесса подчиняется точному статистическому закону.

Число нераспавшихся ядер убывает экспоненциально:

Постоянная распада $\lambda$ задаёт вероятность распада в единицу времени. Активность $A=\lambda N$ показывает число распадов в секунду и измеряется в беккерелях.

В четырёх группах из восьми условных ядер остаются нераспавшимися восемь, четыре, два и одно после нуля, одного, двух и трёх периодов полураспада.

Период полураспада

Период полураспада $T_{1/2}$ — время, за которое в среднем распадается половина первоначального числа радиоактивных ядер.

Период не означает, что конкретное ядро обязательно проживёт это время, и практически не зависит от температуры, давления или химического состояния. После двух периодов остаётся четверть, после трёх — одна восьмая исходного числа ядер.

Виды излучения

При альфа-распаде $A$ уменьшается на $4$, $Z$ — на $2$. При бета-минус распаде нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино, поэтому $A$ сохраняется, а $Z$ увеличивается на $1$. Гамма-излучение снимает избыток энергии ядра, не меняя $A$ и $Z$.

При бета-плюс распаде протон в ядре превращается в нейтрон с испусканием позитрона и электронного нейтрино: массовое число сохраняется, зарядовое уменьшается на единицу. Электрон или позитрон при бета-распаде не извлекается из готового запаса внутри ядра, а рождается в процессе превращения. В записи ядерных превращений всегда проверяют обе суммы — массовых чисел и электрических зарядов.

${}_Z^{A}X\to {}_{Z-2}^{A-4}Y+{}_2^4\text{He},{}_Z^{A}X\to {}_{Z-1}^{A}Y+e^{+}+{\nu }_e$

Доза и применение

Ионизирующее излучение способно повреждать молекулы и клетки. Поглощённая доза измеряется в греях, а эквивалентная доза в зивертах учитывает разную биологическую эффективность видов излучения. Защита строится на сокращении времени, увеличении расстояния и экранировании подходящим материалом.

Радиоизотопы применяют как метки, источники в терапии, датчики и часы для датирования. Их выбор зависит от вида излучения и периода полураспада. Гамма-фотоны относятся к электромагнитному спектру, но возникают в ядерных, а не электронных переходах.

Поглощённая доза — отношение переданной энергии к массе облучённого вещества: $D=E_{\text{погл}}/m$, причём $1\text{Гр}=1\text{Дж/кг}$. Активность источника в беккерелях и доза не взаимозаменяемы: одинаковая активность не означает одинакового облучения организма. Альфа-излучение легко остановить снаружи, но альфа-активное вещество опасно при попадании внутрь; гамма-пучок экран ослабляет постепенно, а не устраняет полностью. Естественный фон создают космические лучи и природные радионуклиды, поэтому ненулевое показание счётчика само по себе не означает аварии.