Радиоактивность
Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивого ядра в другое ядерное состояние или нуклид с испусканием частиц или фотонов. Момент распада отдельного ядра случаен, но поведение большого числа одинаковых ядер с высокой точностью описывается экспоненциальным законом.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Альфа-, бета- и гамма-распад
При альфа-распаде испускается ядро ⁴He: массовое число уменьшается на 4, атомный номер — на 2. При β⁻-распаде нейтрон превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино; A остаётся тем же, Z увеличивается на 1.
Гамма-излучение — электромагнитный переход возбуждённого ядра на более низкий энергетический уровень. Гамма-фотон не меняет A или Z и часто испускается после альфа- или бета-процесса, если дочернее ядро осталось возбуждённым.
Законы сохранения проверяют ядерное уравнение
В ядерном уравнении должен сохраняться электрический заряд, а счёт нуклонов должен быть согласован. В бета-процессах нейтрино или антинейтрино необходимо для сохранения энергии, импульса и лептонного числа.
В уравнении ²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He выполняются 238 = 234 + 4 и 92 = 90 + 2. Такой контроль быстро обнаруживает неверный дочерний нуклид.
Постоянная распада и период полураспада
Число радиоактивных ядер меняется по закону N(t)=N₀e^(−λt). Период полураспада T₁/₂ = ln2/λ — время, за которое в большой совокупности статистически распадается половина исходных ядер.
Это не означает, что каждое отдельное ядро ждёт ровно один период полураспада. У отдельного ядра нет классических часов старения; вероятность распада в единицу времени для данного состояния считается постоянной.
Активность и беккерель
Активность — число распадов в единицу времени: A_act = λN. Один беккерель (Бк) означает один распад в секунду. Одинаковая активность в Бк не означает одинаковую поглощённую дозу или биологический риск.
По мере уменьшения N снижается и активность. После двух периодов полураспада остаётся четверть исходных ядер и, при неизменном λ, четверть исходной активности.
Проникновение и риск
Альфа-частицы создают плотную ионизацию, но имеют малый пробег; гамма-излучение значительно более проникающее. Бета-частицы занимают промежуточное положение. Материал защиты выбирают с учётом типа и энергии излучения.
Для оценки опасности недостаточно сказать «вещество радиоактивно». Важны активность, энергия и тип излучения, время воздействия, расстояние, попадание вещества внутрь организма и поглощённая доза.
Задачи
Два периода
Какая доля остаётся после двух периодов полураспада?
Решение: (1/2)² = 1/4, то есть 25%.
Альфа-распад
Как меняются A и Z при альфа-распаде?
Решение: A уменьшается на 4, Z — на 2.
Активность
Что означает 500 Бк?
Решение: В образце происходит в среднем 500 радиоактивных распадов в секунду.