Радиоактивный распад элементов

Структура Вселенной и радиоактивный распад

В результате формирования Вселенной возникло несколько элементов, которые характеризуются предрасположенностью к ядерным превращениям. Каждый радиоактивный распад, который мы можем описать, способен дать много информации по вопросам, непосредственно связанным с данным ядром — его структурой, возникающими энергетическими состояниями и происходящими взаимодействиями, но он также предоставляет информацию о происхождении Вселенной. Эмпирически подтверждено существование трех основных типов излучения, классифицируемых в зависимости от их способности проникать в материю:

1. альфа-излучение (α) — которое состоит из ядер гелия и имеет низкую проникающую способность, характеризующуюся на практике трудностью проникновения через тонкий лист бумаги;
2. бета-излучение (β) — которое описывается как электроны или позитроны с одинаковой массой, но противоположным зарядом, способно проникать в алюминий на глубину около 3 мм;
3. гамма-излучение (γ) — которое соответствует фотонам, имеет самую высокую проникающую способность, сравнимую с проникновением свинца на глубину двух сантиметров и более.

История радиоактивных распадов

Радиоактивный распад началом своей истории обязан Антуану Беккерелю, который в 1896 году заметил, что введение богатой ураном породы в герметичную коробку с фотопленкой приводит к ее потемнению. Он пришел к выводу, что это связано с испусканием лучей, невидимых невооруженным глазом. При сегодняшних знаниях в этой области можно привести по крайней мере три аргумента в пользу ядерного происхождения таких лучей:

1. химическое состояние — форма рассматриваемого элемента, либо в свободном состоянии, либо в химическом соединении, не влияет на его способность быть радиоактивным;
2. внешние факторы, воздействующие на электроны в атоме — такие как давление или температура, не влияют на радиоактивные свойства;
3. общеизвестные переходы электронов в атоме — не генерируют такого огромного количества энергии, достигающей миллионов электрон-вольт.

В настоящее время радиация признается процессами ядерной природы, при которых масса преобразуется в энергию.

Альфа-, бета- и гамма-излучение

Электрические свойства излучения можно наблюдать благодаря его движению в однородном магнитном поле. Идентификация каждого типа излучения с соответствующими молекулами основана на формуле магнитной силы Лоренца.

Если предположить горизонтальное излучение из точки радиоактивного источника, то положительно заряженные частицы отклоняются вверх, отрицательно заряженные частицы отклоняются вниз, а незаряженные частицы проходят через магнитное поле, не влияя на путь излучения. Альфа-излучение соответствует излучению ядра гелия⁴He. Бета-излучение может происходить двумя способами — в виде электронов (β-) и позитронов (β+). А вот гамма-излучение, в свою очередь, представляет высокоэнергетическое излучение фотонов.

Альфа-распад

Характеризует вес и химически нестабильные ядра. В процессе распада ядро теряет два протона и столько же нейтронов, в результате чего его атомный номер уменьшается на две единицы, а массовое число — на четыре единицы. В результате этого превращения образуется атом гелия. Излучавшее ядро называется первичным ядром, а ядро, образовавшееся в процессе распада, — ядром-потомком. Основная запись радиоактивного распада альфа-типа может быть представлена как

В такой записи первый член, т. е. , является первичным ядром, а ядром-потомком есть , тогда как  — это альфа-частица.

Примером альфа-распада может служить превращение изотопа урана ²³⁸U, в ходе которого его атомный номер уменьшается на два. Распад можно записать в виде уравнения:

Энергия, выделяющаяся при альфа-распаде, равна кинетической энергии ядер гелия и тория. Из-за массы ядер тория и, следовательно, их меньшей скорости, кинетическая энергия ядер гелия больше.

Бета-распад

Может происходить двумя способами — с испусканием электронов или позитронов. Их заряды противоположны, но массы одинаковы, поэтому иногда позитрон называют антиэлектроном. При рассмотрении бета-радиоактивного распада обычно использовалась модель связанной в ядре молекулы (электрона или позитрона), которая вылетает из ядра во время распада. Однако такое предположение было оспорено, поскольку, если следовать принципу неопределенности Гейзенберга, кинетическая энергия электрона была рассчитана как порядка нескольких ГэВ. Эмпирически, однако, было доказано, что она составляет порядка нескольких мегаэлектронвольт. Это означает, что при бета-распаде происходит не выход молекулы, а превращение одного нуклона в другой. При рассмотрении распада нейтрона мы можем наблюдать такой переход:

Электрон, записанный как , имеет массовое число, равное 0, и атомный номер. Это означает, что он является практически безмассовой частицей с отрицательным зарядом. У протона оба числа равны единице. Присутствие нейтрино (v) необходимо в силу закона сохранения энергии и импульса. Такие преобразования, происходящие в ядре, приводят к слабым ядерным взаимодействиям. Например, бета-распадающимся изотопом является, например , который распадается путем β-излучения в соответствии с уравнением:

Однако обратный процесс, с образованием позитрона, претерпевает мини-изотоп алюминия :

Гамма-распад

Гамма-распад — это термин, применяемый для описания распада, который происходит, когда возбужденное ядро переходит в состояние с более низкой энергией, что приводит к испусканию фотонов. Этот переход аналогичен переходу электронов на более низкие энергетические уровни и может быть записан символически, где * обозначает возбужденное состояние:

При гамма-распаде не происходит изменения массового числа или атомного номера. Единственным изменением является тип ядра.

Радиоактивные элементы

Их атомы самопроизвольно распадаются, испуская при этом частицы или лучи. Такой распад часто сопровождается выделением тепла и света. В природе встречаются четыре группы радиоактивных элементов — торий, нептуний, уран и актиниды, названия которых происходят от родительских элементов. Примеры включают:

1. Полоний — продукт атомных распадов, чаще всего урана-238. Он является источником излучения альфа-типа и применяется в качестве источника энергии для спутников.
2. Радон — возникший в результате распада радия, изотоп которого с атомной массой 222 применяется при лечении тяжелых случаев рака.

Радиоактивный ряд

Предполагается, что все ядра с атомным номером выше 82 малостабильны и подвергаются спонтанному распаду. Большинство из них также характеризуются коротким периодом жизни и поэтому не встречаются в природе. Однако существует несколько заметных исключений, таких как , а также , период полураспада которых составляет 1,39·10¹⁰ лет и 7,04·10⁸ лет соответственно. Распад тяжелых ядер может привести к длинной серии распадов, так как каждое возникшее ядро-потомок может снова стать первичным ядром следующего распада, пока не образуется стабильное ядро. Такой процесс порождает радиоактивные ряды.