Радіоактивність
Радіоактивність — спонтанні ядерні перетворення нестабільних нуклідів. Окремий момент розпаду є випадковим, але статистика великої кількості ядер точно описується сталою розпаду, експоненціальним законом і періодом напіврозпаду.
Нестабільність ядра
Ядро може мати енергетично доступний нижчий стан з іншими Z, N або рівнем збудження. Тип розпаду визначається енергетикою, законами збереження та квантовими правилами переходу.
Альфа
Під час α-розпаду вилітає ядро ⁴He: A зменшується на 4, Z на 2. Процес пояснюється квантовим тунелюванням через кулонівський бар’єр.
Бета
У β⁻ нейтрон перетворюється на протон, електрон та антинейтрино: n→p+e⁻+ν̄ₑ. A не змінюється, Z збільшується на 1, а заряд повністю зберігається.
Гамма
γ-випромінювання — фотон ядерного переходу. Чистий γ-перехід не змінює A або Z, лише енергію та часто кутовий момент ядра.
Експонента
N(t)=N₀e^(−λt). Активність A=λN також спадає експоненціально. Період напіврозпаду T₁/₂=ln2/λ.
Без пам’яті
Ядро, яке вже довго існувало, не стає “старішим” у сенсі підвищеної миттєвої ймовірності розпаду. За умови, що воно ще не розпалося, майбутня статистика та сама.
Активність і доза
Бекерель — один розпад за секунду. Це не одиниця поглинутої енергії чи біологічного ризику; для цього використовують грей і зіверт з додатковою інформацією.
Зовнішні умови
Температура й хімічні зв’язки майже не впливають на більшість ядерних розпадів, бо ядерні енергетичні масштаби набагато більші. Електронне захоплення є одним зі спеціальних винятків з малими ефектами.
Що саме означає випадковість розпаду
Випадковість не означає відсутність закону. Для одного ядра неможливо передбачити точний момент розпаду, але для великого ансамблю число подій за інтервал і середня активність підкоряються дуже точній статистиці. Властивість без пам’яті означає, що ядро, яке вже пережило десять періодів напіврозпаду, не “старіше” в сенсі збільшеної миттєвої ймовірності розпаду. Якщо воно ще існує, його hazard rate той самий. Це відрізняє ядерний розпад від механічного зношування. Експоненціальна крива виникає саме з постійної ймовірності на одиницю часу для кожного ще не розпаденого ядра.
Активність, доза і небезпека — різні величини
Активність A=λN вимірюють у бекерелях: 1 Bq = 1 розпад/с. Вона не визначає сама по собі біологічну небезпеку. Два джерела з однаковою активністю можуть давати дуже різну поглинуту енергію через різні типи та енергії випромінювання, геометрію і час контакту. Gray описує енергію на масу, sievert додає біологічне зважування. Такий поділ важливий, бо популярне твердження “більше Bq = більша доза” без інформації про нуклід і шлях опромінення може бути хибним.
Вправа
Чи стає старе радіоактивне ядро “готовішим” до розпаду?
Розв’язання
Ні. Експоненціальний розпад є безпам’ятним.