ЛЕКЦИЯ N 18
Радиоактивность, историческое введение.
Законы радиоактивного распада.
Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом.
Методы регистрации ионизирующих излучений

 

§ 1. Радиоактивность. Историческое введение

Радиоактивностью называют свойства атомных ядер самопроизвольно изменять свой состав (заряд Z и массовое число А) путем испускания элементарных частиц или других атомных ядер.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем, который обнаружил спонтанное испускание солями урана неизвестного излучения. Это излучение действовало на фотопластинку, ионизовало воздух, вызывало люминесценцию ряда веществ. В 1899 году Э. Резерфорд электрическим методом показал, что излучение урана состоит, по крайней мере, из двух компонент. Одну, сильно поглощаемую, Резерфорд назвал  α-излучением, другую, слабо поглощаемую, он назвал β-излучением. В 1900 году Викар открыл сильно проникающее      радиоактивное     излучение,  которое   стали   называть      γ-излучением. Дальнейшие исследования Беккереля, Резерфорда и супругов Пьера и Марии Кюри позволили установить физическую природу радиоактивных излучений: α-излучение представляет из себя ядра атомов гелия, β-излучение является потоком электронов, а γ-лучи есть не что иное, как очень коротковолновое электромагнитное излучение.

В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри открыли радиоактивный распад с излучением позитронов. Позитрон является античастицей электрона, в отличие от электрона он имеет положительный заряд. В 1932 году эта частица была теоретически предсказана П. Дираком и в 1932 году открыта К.Д. Андерсеном в космических лучах.

В 1940 году советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петержаком был открыт новый тип радиоактивности - спонтанное деление ядер: делящееся ядро распадается на два осколка сравнимой массы с испусканием нейтронов и γ-квантов. В 1982 году  С. Хофманом (ФРГ) наблюдалась протонная радиоактивность при распаде короткоживущего изотопа лютеция . Затем, в 1984 году Х. Роуз и Г. Джонс открывают спонтанное испускание ядер  ядрами радия. В дальнейшем был обнаружен спонтанный распад других ядер с вылетом и . За работы, связанные с открытием и исследованием радиоактивности присуждено более десяти Нобелевских премий по физике и химии, в том числе: А. Беккерелю,  Пьеру и Марии Кюри, Э. Резерфорду, Ирен и Фредерику Жоли-Кюри.

 

§ 2. Закон радиоактивного распада

Закон радиоактивного распада дает зависимость N(t) -числа радиоактивных ядер от времени. Поскольку отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, можно считать, что число ядер dN, распадавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально числу ядер N(t), имеющихся в момент времени t и промежутку времени dt:

здесь λ - постоянная радиоактивного распада. Знак минус указывает на то, что число ядер уменьшается.

Поделим правую и левую части (17.1) на N(t) и проинтегрируем:

или

здесь N_о - начальное число радиоактивных ядер (при t=0).  Формула (18.2) и выражает собой закон радиоактивного распада.

Для того, чтобы узнать количество распадавшихся за время t ядер N_расп, надо из начального числа ядер N_о отнять N(t) - число ядер, имеющихся в момент времени t. Учитывая (18.2), имеем:

Периодом полураспада Т_1/2 называется время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Из (18.2) для t=T имеем:

откуда:

Период полураспада для различных радиоактивных ядер имеет разное значение, изменяющееся в очень широких пределах: от 3·10^-7 с до 5·10¹⁵ лет.

Активностью а радиоактивного вещества называется число распадов в единицу времени. Пусть за время dt распадается dN_расп ядер. Тогда из (17.3) имеем для активности:

в последнем равенстве мы учли формулу (18.2).

Выражая из формулы (17.4) постоянную распада λ через период полураспада Т_1/2 , равенство (17.5) для активности радиоактивного вещества можно записать в следующем виде:    

Единицей активности в системе СИ является беккерель (Бк), равный  одному распаду в секунду. Используется также и внесистемная единица активности - кюри (Ки), равная 3,7·10¹⁰ распадов в секунду.

Возникающие в результате радиоактивного распада ядра часто тоже оказываются радиоактивными. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом. В настоящее время обнаружено четыре радиоактивных ряда: ряды, начинающиеся с тория и двух изотопов урана и ,  заканчиваются стабильными изотопами свинца  для тория ( для и для ). Ряд нептуния  заканчивается стабильным ядром висмута .

Радиоактивность существующих в природе ядер называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Процесс радиоактивного превращения и в том и в другом случае подчиняется одним и тем же законам.