1.2. ТИПЫ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Радиоактивностью называется способность атомных ядер к самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием одной или нескольких заряженных частиц и фотонов. Ядра, обладающие свойством самопроизвольно распадаться, называются радиоактивными. Ядра, не имеющие таких свойств, называются стабильными.

1.2.1. Бета-распад и электронный захват

Из более чем 1700 известных в настоящее время нуклидов только 200 стабильных. Большинство радиоактивных нуклидов получено искусственно. На диаграмме рис. 1.1 в координатах N, Z нанесены известные в природе нуклиды. Стабильные ядра, обозначенные черными точками, занимают узкую полосу. При малых значениях А (≤ 40) для таких ядер величина отношения N/Z = 1. При дальнейшем увеличении общего числа нуклонов в ядре доля нейтронов становится больше в связи со все возрастающим кулоновским отталкиванием протонов и для

238

92

U достигает 1,6.

Ядра, расположенные на диаграмме рис. 1.1 вправо и влево от полосы стабильности, радиоактивны. Радионуклиды левой части диаграммы обладают избытком нейтронов относительно стабильного

12

Рис. 1.1. Нейтронно-протонная диаграмма: точки - стабильные нуклиды; кружки - радиоактивные нуклиды; цифрами обозначены массовые числа нуклидов А

отношения N/Z для соответствующего химического элемента. Они переходят в стабильное состояние путем превращения избыточного нейтрона в протон с испусканием электрона (бетα-частицы) и антинейтрино:

13

Такой тип превращения ядер называется бета-распадом. При этом образуется новое ядро с тем же массовым числом и порядковым номером на единицу больше. Например:

14

6

C ^→

14

7

N + β^- + ṽ .

Радионуклиды, расположенные на диаграмме вправо от полосы стабильности, обладают избыточным числом протонов. Для перехода ядра в стабильное состояние один из протонов должен превратиться в нейтрон. Существует два варианта превращений такого типа:

а) ядро испускает позитрон е⁺ и нейтрино:

такой тип превращения называют позитронным или β⁺-распадом;

б) ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из K-оболочки), испуская нейтрино:

такой тип превращения называется электронным или К-захватом.

Как при позитронием распаде, так и при K-захвате вновь образованное ядро не отличается от предшествующего по величине А, но имеет порядковый номер на единицу ниже.

Интересно проследить, как меняется устойчивость изотопов для одного и того же элемента. В качестве примера можно привести изотопы кремния с Z= 14:

27Si*,	28Si, 29Si, 30Si,	31Si*	(* - радиоактивный изотоп),
избыток р	стабильные	избыток n

27

14

Si ^→

27

13

Аl+ β⁺ + v (позитронный распад),

31

14

 Si ^→ 

31

15

 P + β^- + ṽ (β-распад).

Необходимым, но не всегда достаточным условием радиоактивности ядра является энергетическая выгодность превращения: масса исходного ядра должна превышать сумму масс конечного ядра и всех частиц, образующихся при распаде.

В уравнениях баланса энергий при β-распаде можно не учитывать массу покоя нейтрино и антинейтрино, которая равна нулю. Поэтому бета-распад разрешен энергетически, если

где m_е - масса электрона; 

A

Z

 М и 

A

Z+1

M - массы исходного и конечного ядер.

14

Позитронный распад и K-захват энергетически возможны, если

При β⁺-распаде и электронном захвате происходит один и тот же процесс превращения протона в нейтрон, т.е. эти типы превращений являются конкурирующими. Однако из сравнения условий нестабильности (1.5) и (1.6) очевидно, что электронный захват энергетически более выгоден. Он идет с поглощением электрона, а позитронный распад происходит с испусканием электрона. Таким образом, энергетический выигрыш K-захвата равен 2 m_е.

В природе существуют триады изобаров, где масса среднего, радиоактивного атома больше массы двух крайних, стабильных. В том случае, если выполняются условия нестабильности, средний изобар может распадаться двумя путями (β^--распад и K-захват), превращаясь в ядра крайних изобаров.

Вероятность того или иного типа превращений пропорциональна разности масс. Наиболее известным примером такой триады может служить распад 40К:

(12%) 

40

18

 Аr   K← 

40

19

K   β→ 

40

120

Са (80%),

40

18

М(Аr) = 39,9623842;

40

19

М(К) = 39,9639998;

40

20

М(Са) = 39,96215889.

Энергия, выделяющаяся при единичном β-распаде, варьирует в широких пределах от 0,02 МэВ для

3

1

Н до 13,4 МэВ для

12

5

В. Так как при β-распаде из ядра вылетает не одна, а две частицы, то энергия распада распределяется между ними. Вследствие статистического характера явления радиоактивности соотношение энергий электрона и антинейтрино при β-распаде может быть любым. Таким образом, кинетическая энергия β-частицы (электрона) может иметь произвольное значение от 0 до Е_макс (полная энергия распада). Для большого числа распадающихся ядер одного и того же радионуклида распределение β-частиц по энергиям (энергетический спектр) имеет строго определенную форму (рис. 1.2). Именно на основании непрерывного характера β-спектров, где E_макс является характеристикой конкретного типа ядер, Паули в 1930 г. предсказал существование нейтрино за 25 лет до его непосредственного экспериментального наблюдения. В природных атомных ядрах наблюдается еще два типа радиоактивных превращений: альфа-распад и спонтанное деление.

15

Рис. 1.2. Типичный энергетический β-спектр: E_вер - наиболее вероятная энергия; Е_ср - средняя энергия; Е_макс - максимальная энергия (Е_ср ≈ 1/3 E_макс)

16