Радіоактивний розпад - Все про радіацію
Радіоактивний розпад, як і всі інші види радіоактивних перетворень, може бути природним (мимовільним, спонтанним) і штучним, викликаним попаданням в ядро стабільного атома будь-якої частинки ззовні.
Для природних (природних) радіонуклідів основними видами радіоактивного розпаду є альфа- та бета-мінус-розпад (хоча трапляються й інші). Назви альфа та бета були дані Ернестом Резерфордом у 1900 році при вивченні радіоактивних випромінювань.
Для штучних (техногенних) радіонуклідів крім цього характерні також нейтронний, протонний, позитронний (бета-плюс) та більш рідкісні види розпаду та ядерних перетворень (мезонний, К-захоплення, ізомерний перехід, "відколювання" та ін.). Альфа-розпад
- характерний вид радіоактивного розпаду для природних радіоактивних елементів шостого та сьомого періодів таблиці Д. І. Менделєєва (уран, торій та продукти їхнього розпаду до вісмуту включно) і особливо для штучних – трансуранових – елементів. Тобто до цього виду розпаду схильні окремі ізотопи всіх важких елементів, починаючи з вісмуту.
Альфа-розпад - це випромінювання з ядра атома альфа-частинки (альфа-частинки), яка складається з 2 протонів та 2 нейтронів. Альфа-частка має масу 4 одиниці, заряд +2 і є ядром атома гелію.
В результаті випромінювання альфа-частинки утворюється новий елемент, який у таблиці Менделєєва розташований на 2 клітини лівіше, оскільки кількість протонів в ядрі, а отже, і заряд ядра, і номер елемента стали на дві одиниці менше. А маса ізотопу, що утворився, виявляється на 4 одиниці менше.
Так, наприклад, при альфа-розпаді урану завжди утворюється торій, при альфа-розпаді торію - радій, при розпаді радію - радон, потім полоній і нарешті - свинець. При цьому з конкретного ізотопуурану-238 утворюється торій-234, потім радій-230, радон-226 і т.д.
Радіоактивний розпад - це викидання з ядра атома будь-якої частинки, у результаті атом одного хімічного елемента (ізотопу) перетворюється на атом іншого елемента (ізотопу).
альфа-розпад - викидання (випускання) з ядра атома альфа-частинки.
альфа-частка - це 2 протони і 2 нейтрони, тобто ядро атома гелію з масою 4 одиниці та зарядом +2.
Швидкість альфа-частинки при вильоті із ядра від 12 до 20 тис. км/сек.
У вакуумі альфа-частка могла б обігнути земну кулю за екватором за 2 сек. Бета-розпад (бета-розпад) - найбільш поширений вид радіоактивного розпаду (і взагалі радіоактивних перетворень), особливо серед штучних радіонуклідів. Він спостерігається практично у всіх відомих на сьогодні хімічних елементів. Це означає, що у кожного хімічного елемента є, принаймні, один бета-активний, тобто схильний до бета-розпаду ізотоп. У цьому найчастіше відбувається бета-мінус розпад.
- це викидання (випускання) з ядра бета-мінус частки - електрона, який утворився внаслідок мимовільного перетворення одного з нейтронів на протон та електрон. При цьому важкий протон залишається в ядрі, а легкий електрон – бета-мінус частка – з величезною швидкістю вилітає з ядра. І оскільки протонів в ядрі стало більше, то ядро даного елемента перетворюється на ядро сусіднього елемента справа - з великим номером.
Приміром, при бета-мінус розпаді радіоактивний ізотоп калію - калій-40 - перетворюється на стабільний ізотоп кальцію (що у сусідній клітині праворуч) - кальцій-40. А радіоактивний кальцій-47 - у скандій-47 (теж радіоактивний), що стоїть праворуч від нього, який, у свою чергу, також шляхом бета-мінус розпадуперетворюється на стабільний титан-47.
Назва бета-частка збереглася історично. Відмінність бета-мінус частки від звичайного електрона тільки в "місці народження": ядро атома, а не електронні оболонки навколо ядра, а також у швидкості (енергії) вильоту. Швидкість вильоту бета-частинки – 9/10 швидкості світла, тобто 270 тис. км/сек.
Природних бета-активних радіонуклідів не дуже багато. А серед значних ще менше. До них можна віднести, перш за все, калій-40 (Т1/2 = 1,3 · 109 років), хоча в природній суміші ізотопів калію його міститься лише 0,0119%.
Крім К-40 значущими природними бета-мінус-активними радіонуклідами є також і всі продукти розпаду урану та торію.
Справа в тому, що, наприклад, торій-234, що утворюється при альфа-розпаду, він перетворюється на протактиній-234, який у свою чергу аналогічним чином знову в уран, але вже в інший ізотоп - уран-234. А уран-234 (знову шляхом альфа-розпаду) – знову в торій, але вже в торій-230. Далі торій-230 шляхом альфа-розпаду - радій-226, радій - радон.
І так далі - до талію включно, але з різними бета-мінус-переходами "на зворотний бік". Закінчуються всі ці альфа і бета-мінус-переходи утворенням стабільного свинцю-206.
Таким чином, до значних природних бета-мінус-активних радіонуклідів можна віднести К-40 і всі елементи від талію до урану.
(- це викидання (випускання) з ядра бета-плюс частки - позитрону (позитивно зарядженого "електрона"), який утворився в результаті мимовільного перетворення одного з протонів на нейтрон і позитрон. В результаті цього (оскільки протонів стало менше) даний елемент перетворюється у сусідній зліва (з меншим номером, попередній).
Так, наприклад, при бета-плюс розпад радіоактивний ізотопмагнію магній-23 перетворюється на стабільний ізотоп натрію (що стоїть зліва) - натрій-23, а радіоактивний ізотоп європія європій-150 перетворюється на стабільний ізотоп самарія - самарій-150.
бета-розпад - це випромінювання бета-або бета+частинок, тобто звичайних електронів із зарядом -1 (е-) або позитронів - "електронів" із зарядом +1 (e+).
Швидкість вильоту бета-часток з ядра становить 9/10 швидкості світла – 270 000 км/сек.
Крім зазначених альфа- і бета-розпаду існують інші види радіоактивного розпаду, менш поширені та більш характерні для радіонуклідів штучного походження.
Нейтронний розпад- випромінювання з ядра атома нейтрону (n) - нейтральної частинки з масою 1 од. При випромінюванні нейтрона один ізотоп даного хімічного елемента перетворюється на інший з меншою вагою. Так, наприклад, при нейтронному розпаді радіоактивний ізотоп літію літій-9 перетворюється на літій-8, радіоактивний гелій-5 - на стабільний гелій-4.
Якщо стабільний ізотоп йоду йод-127 опромінюватиме гамма-квантами, то він стає радіоактивним, викидає нейтрон і перетворюється на інший, теж радіоактивний ізотоп йод-126.
Протонний розпад- вкрай рідкісний вид розпаду -це випромінювання з ядра атома протона (р) - частинки з масою 1 од. та зарядом +1. При випромінюванні протона даний хімічний елемент перетворюється на сусідній ліворуч (з меншим номером, попередній), а атомна вага зменшується на одиницю.
Як уже було сказано, всі радіоактивні перетворення, у тому числі і всі різновиди радіоактивного розпаду, супроводжуються, як правило, за рідкісним винятком, виділенням надлишку енергії у вигляді гамма-випромінювання - гамма-квантів, а іноді також і рентгенівського випромінювання (фотонів) з меншою енергією.
Гамма-випромінювання- це потік гамма-квантів, це електромагнітне випромінювання, більш "жорстке", ніж звичайне медичне рентгенівське.
Назва "гамма-випромінювання" також збереглася історично. Відмінність гамма-випромінювання від рентгенівського (як і у випадку b-випромінювання), також тільки у "місці народження": ядро атома, а не електронні оболонки.
гамма-випромінювання - електромагнітне випромінювання, більш "жорстке", ніж звичайне рентгенівське.
гамма-кванти - це електромагнітні частки - порції енергії.
"Місце народження" гамма-квантів – ядро атома.
Рентгенівське випромінювання - це також електромагнітне випромінювання, але " місце народження " рентгенівського випромінювання - електронні оболонки атомів.
Усі види мимовільних (спонтанних) радіоактивних перетворень (і розпаду, і поділу) – процес випадковий, статистичний.
Усі види мимовільного радіоактивного розпаду характеризуються часом життя радіонукліда та її активністю, тобто швидкістю розпаду. Показником часу життя радіонукліда, швидкість його розпаду є період напіврозпаду. Використовується також радіоактивна постійна чи постійна (константа) розпаду.
Період напіврозпаду(T1/2)- час, протягом якого половина радіоактивних атомів розпадається та їх кількість зменшується у 2 рази. Періоди напіврозпаду у всіх радіонуклідів різні - від часток секунди (короткоживучі радіонукліди) до мільярдів років (довгоживучі).
Активність- це кількість актів розпаду (загалом актів радіоактивних, ядерних перетворень) за одиницю часу (зазвичай, за секунду). Одиницями вимірювання активності є беккерель та кюрі.
Беккерель (Бк)- це один акт розпаду за секунду (1 расп/сек). Одиницю названо на честь французького фізика, лауреата Нобелівської премії Антуана Анрі Беккереля.
Кюрі (Кі)- 3,7 · 1010 Бк (розп/сек). Ця одиниця виникла історично: таку активність має 1 грам радію-226 у рівновазі з дочірніми продуктами розпаду. Саме з радієм-226 довгі роки працювали лауреати Нобелівської премії французькі вчені подружжя П'єр Кюрі та Марія Склодовська-Кюрі.
Кратними одиницями для беккереля є тисяча (кіло-беккерель, кБк), мільйон (мегабеккерель, МБк) та мільярд (гігабеккерель, ГБк).
Подільними одиницями для кюрі є тисячна частка кюрі – мілікюрі (мКі), і мільйонна частка – мікрокюрі (мкКі, мКі):
1 мКі = 3,7 х 107 Бк; 1мкКі = 3,7 х 104 Бк.
Є поняття "питома активність" (вагова чи об'ємна) - це активність одиниці маси (ваги) чи обсягу речовини. Або, точніше, активність радіонукліду (або суміші радіонуклідів) в одиниці ваги чи обсягу речовини. Іноді використовують площу активність: Бк або Кі на м2 або км2
Орієнтовно можна вважати, що активність невеликої кількості (грами) та/або з невеликою початковою активністю (мКі; мкКі) радіонукліду зменшується до практично безпечного рівня (іноді майже до нуля) через 10 періодів напіврозпаду. За цей час кількість радіоактивних атомів, а значить і актів розпаду, тобто активність, зменшується у 210 = 1024 рази.
Радіоактивна постійна(постійна або константа розпаду) l - це частка атомів, що розпадаються в 1 секунду.
l = 0,693/Т1/2 (сек-1), де
0,693 - це ln 2 із закону радіоактивного розпаду Nt = N0 х e-lt, де
N0 і Nt - число радіоактивних атомів у початковий (нульовий) момент часу та кількість атомів, що залишилися на момент t;