Радіоактивність. 
Закони радіоактивного розпаду

Радіоактивність — явище мимовільного перетворення нестійкого ізотопа хімічного елементу в інший ізотоп (зазвичай іншого елемента) (радіоактивний розпад) шляхом випромінювання гамма-квантів, елементарних частинок або ядерних фрагментів.

Радіоактивність відкрив у 1896 р. Антуан Анрі Беккерель. Сталося це випадково. Вчений працював із солями урану і загорнув свої зразки разом із фотопластинами в непрозорий матеріал. Фотопластини виявилися засвіченими, хоча доступу світла до них не було. Беккерель зробив висновок про невидиме оку випромінювання солей урану. Він дослідив це випромінювання і встановив, що інтенсивність випромінювання визначається тільки кількістю урану в препараті і абсолютно не залежить від того, в які сполуки він входить. Тобто, ця властивість характерна не сполукам, а хімічному елементу урану.

В 1898 р. Ґергард Шмідт та П'єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі відкрили випромінювання торію. Пізніше Кюрі відкрили полоній та радій. На сьогодні відомо близько 40 природних елементів, яким властива радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду — закон, відкритий Фредеріком Содді і Ернестом Резерфордом експериментальним шляхом і сформульований в 1903 році. Сучасне формулювання закону:

(2.2).

що означає, що число розпадів за інтервал часу t в будь-якій речовині пропорційно числу N наявних у зразку радіоактивних атомів даного типу.

У цьому математичному виразі (2.2) л — постійна розпаду, яка характеризує ймовірність радіоактивного розпаду за одиницю часу і має розмірність с^-1. Знак мінус вказує на спад числа радіоактивних ядер з часом. Закон висловлює незалежність розпаду радіоактивних ядер один від одного і від часу: ймовірність розпаду даного ядра в кожну наступну одиницю часу не залежить від часу, що пройшов з початку експерименту, і від кількості ядер, що залишилися в зразку.

Е. Резерфорд експериментально встановив (1899), що солі урану випускають промені трьох типів, які по-різному відхиляються в магнітному полі:промені першого типу відхиляються так само, як потік позитивно заряджених частинок; їх назвали б-променями; промені другого типу зазвичай відхиляються в магнітному полі так само, як потік негативно заряджених частинок, їх назвали в-променями (існують, проте, позитронні бета-промені, що відхиляються в протилежну сторону);промені третього типу, які не відхиляються магнітним полем, назвали г-випромінюванням.

б-р озпадом називають мимовільний розпад атомного ядра на ядро-продукт і б-частинку (ядро атома).б-розпад є властивістю важких ядер з масовим числом А?200. Всередині таких ядер за рахунок властивості насичення ядерних сил утворюються відособлення б-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів. Утворена таким чином б-частинка сильніше відчуває кулонівське відштовхування від інших протонів ядра, ніж окремі протони. Одночасно на б-частинку менше впливає ядерне міжнуклонне притягання за рахунок сильної взаємодії, ніж на решту нуклонів.

Рис. 11 б-розпад

Правило зсуву Содді для б-розпаду:

.

Приклад:

.

В результаті б-р озпаду елемент зміщується на 2 клітинки до початку таблиці Менделєєва. Дочірнє ядро, що утворилося в результаті б-р озпаду, зазвичай також виявляється радіоактивним і через деякий час теж розпадається. Процес радіоактивного розпаду відбуватиметься доти, поки не з’явиться стабільне, тобто нерадіоактивне ядро, яким частіше за все є ядра свинцю або бісмуту.

Беккерель довів, що в-промені є потоком електронів. в-розпад — прояв слабкої взаємодії. в-розпад — внутрішньонуклонний процес, тобто відбувається перетворення нейтрона в протон із вильотом електрона й антинейтрино з ядра:

(2.3).

Рис. 12 в^?-розпад атомного ядра

Правило зсуву Содді для в-розпаду:

Приклад:

+ г.

При в^?-розпаді один нейтрон у складі ядра перетворюється в протон, при цьому вивільняється електрон і електронне антинейтрино.

При в⁺-розпаді один протон у складі ядра перетворюється в нейтрон, вивільняючи позитрон та електронне нейтрино. При електронному захваті, один протон в складі ядра перетворюється в нейтрон, але при цьому ядром поглинається електрон із однієї з внутрішних електронних оболонок атома. Цей процес супроводжується випромінюванням нейтрино, забезпечуючи збереження лептонного заряду.

Бета-розпад забезпечується слабкою взаємодією. В теорії електрослабкої взаємодії бета-розпад відбувається за участі проміжних частинок: W та Z-бозонів.

Рис. 13 Діаграма Фейнмана в^?-розпаду нейтрона на протон, електрон і електронне антинейтрино за участі проміжного W^? бозону

Гамма променіце електромагнітні хвилі із довжиною хвилі, меншою за розміри атома. Вони утворюються зазвичай при переході ядра атома із збудженого стану в основний стан. При цьому кількість нейтронів чи протонів у ядрі не змінюється, а отже ядро залишається тим самим елементом. Однак випромінювання гамма-променів може супроводжувати й інші ядерні реакції.

Рис. 14 Ядро атома випромінює гамма-квант