Радіоактивність - це здатність атомів деяких ізотопів спонтанно розпадатися, випускаючи випромінювання. Вперше таке випромінювання, що випускається ураном, виявив Беккерель, тому спочатку радіоактивні випромінювання називали променями Беккереля. Основний вид радіоактивного розпаду - викидання з ядра атома альфа-частинки - альфа-розпад (див. Альфа-випромінювання) або бета-частинки - бета-розпад (див. Бета-випромінювання).
При радіоактивному розпаді вихідний атом перетворюється в атом іншого елемента. В результаті викидання з ядра атома альфа-частинки, що представляє собою сукупність двох протонів і двох нейтронів, масове число утворюється атома (див.) Зменшується на чотири одиниці, і він опиняється зрушеним в таблиці Д. І. Менделєєва на дві клітини вліво, так як порядковий номер елемента в таблиці дорівнює числу протонів в ядрі атома. При викиданні бета-частинки (електрон) відбувається перетворення в ядрі одного нейтрона в протон, внаслідок чого утворюється атом виявляється зрушеним в таблиці Д. І. Менделєєва на одну клітку вправо. Маса його при цьому майже не змінюється. Викидання бета-частинки пов'язане зазвичай з гамма-випромінюванням (Див.).
Розпад будь-якого радіоактивного ізотопу відбувається за наступним законом: число розпадаються в одиницю часу атомів (n) пропорційно числу атомів (N), наявних в даний момент часу, т. Е. N =? N- коефіцієнт?, Називається постійної радіоактивного розпаду і пов'язаний з періодом напіврозпаду ізотопу (Т) співвідношенням? = 0,693 / T. Зазначений закон розпаду призводить до того, що за кожен відрізок часу, рівний періоду напіврозпаду Т, кількість ізотопу зменшується вдвічі. Якщо утворюються в результаті радіоактивного розпаду атоми виявляються теж радіоактивними, то відбувається їх поступове накопичення, поки не встановиться радіоактивне рівновагу між материнським і дочірнім ізотопамі- при цьому число атомів дочірнього ізотопу, що утворюються в одиницю часу, дорівнює кількості атомів, що розпадаються за той же час.
Відомо понад 40 природних радіоактивних ізотопів. Більша частина їх розташована в трьох радіоактивних рядах (сімействах): урану-радію, торію і актинія. Всі зазначені радіоактивні ізотопи широко поширені в природі. Присутність їх в гірських породах, водах, атмосфері, рослинних і живих організмах обумовлює природну або природну радіоактивність.
Крім природних радіоактивних ізотопів, зараз відомо близько тисячі штучно радіоактивних. Отримують їх шляхом ядерних реакцій, в основному в ядерних реакторах (див. Реактори ядерні). Багато природні і штучно радіоактивні ізотопи широко використовуються в медицині для лікування (див. Променева терапія) і особливо для діагностики захворювань (див. Радіоізотопна діагностика). Див. Також Випромінювання іонізуюче.
Радіоактивність (від лат. Radius - промінь і activus - дієвий) - здатність нестійких ядер атомів мимовільно перетворюватися на інші, більш стійкі або стабільні ядра. Такі перетворення ядер називаються радіоактивними, а самі ядра або відповідні атоми - радіоактивними ядрами (атомами). При радіоактивних перетвореннях ядра випускають енергію або у вигляді заряджених частинок, або у вигляді гамма-квантів електромагнітного випромінювання або гамма-випромінювання.
Перетворення, при яких ядро одного хімічного елемента перетворюється на ядро іншого елемента з іншим значенням атомного номера, називають радіоактивним розпадом. Радіоактивні ізотопи (див.), Що утворилися й існуючі в природних умовах, називають природно радіоактівнимі- такі ж ізотопи, отримані штучним шляхом за допомогою ядерних реакцій, - штучно радіоактивними. Між природно і штучно радіоактивними ізотопами немає принципової різниці, так як властивості ядер атомів і самих атомів визначаються тільки складом і структурою ядра і не залежать від способу їх утворення.
Радіоактивність була відкрита в 1896 р Беккерелем (А. Н. Becquerel), який виявив випромінювання урану (див.), Здатне викликати почорніння фотоемульсії і іонізувати повітря. Кюрі-Склодовська (М. Curie-Sklodowska) перша виміряла інтенсивність випромінювання урану і одночасно з німецьким ученим Шмідтом (G. С. Schmidt) виявила радіоактивність у торію (див.). Властивість ізотопів мимовільно випускати невидиме випромінювання подружжя Кюрі назвали радіоактивністю. У липні 1898 вони повідомили про відкриття ними в урановій смоляний руді нового радіоактивного елемента полонію (див.). У грудні 1898 спільно з Бемоном (G. Bemont) вони відкрили радій (див.).
Після відкриття радіоактивних елементів ряд авторів (Беккерель, подружжя Кюрі, Резерфорд та ін.) Встановив, що ці елементи можуть випускати три види променів, які по-різному поводяться в магнітному полі. За пропозицією Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) ці промені були названі альфа- (див. Альфа-випромінювання), бета- (див. Бета-випромінювання) і гамма-променями (див. Гамма-випромінювання). Альфа-промені складаються з позитивно заряджених альфа-частинок (двічі іонізованих атомів гелію Не4) - бета-лучі- з негативно заряджених частинок малої маси - електронов- гамма-промені за природою аналогічні рентгенових променів і являють собою кванти електромагнітного випромінювання.
У 1902 р Резерфорд і Содді (F. Soddy) пояснили явище радіоактивності мимовільним перетворенням атомів одного елемента в атоми іншого елемента, відбувається за законами випадковості і супроводжується виділенням енергії у вигляді альфа-, бета-і гамма-променів.
У 1910 р М. Кюрі-Склодовська разом з Дебьерном (A. Debierne) отримала чистий металевий радій і досліджувала його радіоактивні властивості, зокрема виміряла постійну розпаду радію. Незабаром було відкрито ряд інших радіоактивних елементів. Дебьерн і Гізель (F. Giesel) відкрили актиній. Ган (О. Halm) відкрив радіоторій і мезоторий, Болтвуд (В. В. Boltwood) відкрив ізотоп, Ган і Майтнер (L. Meitner) відкрили протактиний. Всі ізотопи цих елементів радіоактивні. У 1903 р П'єр Кюрі і Лаборд (С. A. Laborde) показали, що препарат радію має завжди підвищену температуру і що 1 г радію з продуктами його розпаду за 1 годину виділяє близько 140 ккал. У цьому ж році Рамзай (W. Ramsay) і Содді встановили, що в запаяній ампулі з радієм міститься газоподібний гелій. Роботами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Дебьерном і Гізеля було показано, що серед продуктів розпаду урану і торію є бистрораспадающіхся радіоактивні гази, названі еманаціями радію, торію і актинія (радон, торон, актинон). Таким чином, було доведено, що при розпаді атоми радію перетворюються в атоми гелію і радону. Закони радіоактивних перетворень одних елементів в інші при альфа- і бета-розпади (закони зсуву) були вперше сформульовані Содди, фаянсу (К. Fajans) і Расселом (WJ Russell).
Ці закони полягають у наступному. При альфа-розпаді завжди з вихідного елемента виходить інший, який розташований в періодичній системі Д. І. Менделєєва на дві клітини лівіше вихідного елемента (порядковий або атомний номер на 2 менше вихідного) - при бета-розпаді завжди з вихідного елемента виходить інший елемент, який розташований в періодичній системі на одну клітку правіше вихідного елемента (атомний номер на одиницю більше, ніж у вихідного елемента).
Вивчення перетворень радіоактивних елементів привело до відкриття ізотопів, т. Е. Атомів, які мають однакові хімічними властивостями та атомними номерами, але відрізняються один від одного за масою і за фізичними властивостями, зокрема по радіоактивним властивостям (типу випромінювання, швидкості розпаду). З великої кількості відкритих радіоактивних речовин новими елементами виявилися тільки радій (Ra), радон (Rn), полоній (Ро) і протактиний (Ра), а решта - ізотопами раніше відомих урану (U), торію (Th), свинцю (Pb) , талію (Tl) і вісмуту (Bi).
Після відкриття Резерфордом ядерної структури атомів і докази, що саме ядро визначає всі властивості атома, зокрема структуру його електронних оболонок і його хімічні властивості (див. Атом, Ядро атомне), стало ясно, що радіоактивні перетворення пов'язані з перетворенням атомних ядер. Подальше вивчення будови атомних ядер дозволило повністю розшифрувати механізм радіоактивних перетворень.
Перше штучне перетворення ядер - ядерна реакція (див.) - Було здійснено Резерфордом в 1919 р шляхом бомбардування ядер атомів азоту альфа-частками полонію. При цьому ядра азоту випускали протони (див.) І перетворювалися на ядра кисню О17. У 1934 р Ф. Жоліо-Кюрі і І. Жоліо-Кюрі (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) вперше отримали штучним шляхом радіоактивний ізотоп фосфору бомбардуючи альфа-частками атоми Al. Ядра P30 на відміну від ядер природно радіоактивних ізотопів, при розпаді випускається не електрони, а позитрони (див. Космічне випромінювання) і перетворювалися на стабільні ядра кремнію Si30. Таким чином, в 1934 р були одночасно відкриті штучна радіоактивність і новий вид радіоактивного розпаду - позитронний розпад, або?+-розпад.
Подружжя Жоліо-Кюрі висловили думку про те, що всі швидкі частинки (протони, Дейтон, нейтрони) викликають ядерні реакції і можуть бути використані для отримання природно радіоактивних ізотопів. Фермі (Е. Fermi) з співр., Бомбардуючи нейтронами різні елементи, отримав радіоактивні ізотопи майже всіх хімічних елементів. В даний час за допомогою прискорених заряджених частинок (див. Прискорювачі заряджених частинок) і нейтронів здійснено велику різноманітність ядерних реакцій, в результаті яких стало можливим отримувати будь радіоактивні ізотопи.
У 1937 р Альварес (L. Alvarez) відкрив новий вид радіоактивного перетворення - електронний захоплення. При електронному захопленні ядро атома захоплює електрон з оболонки атома і перетворюється в ядро іншого елемента. У 1939 р Ган і Штрассманом (F. Strassmann) відкрили поділ ядра урану на більш легкі ядра (осколки поділу) при бомбардуванні його нейтронами. У тому ж році Флерів і Петржак показали, що процес ділення ядер урану здійснюється і без зовнішнього впливу, мимовільно. Тим самим вони відкрили новий вид радіоактивного перетворення - мимовільне ділення важких ядер.
В даний час відомі наступні види радіоактивних перетворень, що відбуваються без зовнішніх впливів, мимовільно, в силу тільки внутрішніх причин, обумовлених структурою атомних ядер.
1. Альфа-розпад. Ядро з атомним номером Z і масовим числом А випускає альфа-частинку - ядро гелію Не4- і перетворюється в інше ядро з Z меншим на 2 одиниці і А меншим на 4 одиниці, ніж у вихідного ядра. У загальному вигляді альфа-розпад записується таким чином:
де X - вихідне ядро, Y-ядро продукту розпаду.
2. Бета-розпад буває двох типів: електронний та позитронний, або?-- і?+-розпад (див. Бета-випромінювання). При електронному розпаді з ядра вилітають електрон і нейтрино і утворюється нове ядро з тим же масовим числом А, але з атомним номером Z на одиницю більшим, нім у вихідного ядра:
При позитронному розпаді ядро випускає позитрон і нейтрино і утворюється нове ядро з тим же масовим числом, але з Z на одиницю меншим, ніж у вихідного ядра:
При бета-розпаді в середньому 2/3 енергії ядра несеться частинками нейтрино (нейтральними частинками дуже малої маси, дуже слабо взаємодіють з речовиною).
3. Електронний захоплення (Колишня назва К-захват). Ядро захоплює електрон з однією з оболонок атома, найчастіше з К-оболонки, випускає нейтрино і перетворюється на нове ядро з тим же масовим числом А, але з атомним номером Z менше на 1, ніж у вихідного ядра.
Перетворення ядер при електронному захопленні і позитронному розпаді однакове, тому ці два види розпаду спостерігаються одночасно для одних і тих же ядер, т. Е. Є конкуруючими. Так як після захоплення електрона з внутрішньої оболонки атома на його місце переходить електрон з однією з більш віддалених від ядра орбіт, то електронне захоплення супроводжується завжди випусканням рентгенівського характеристичного випромінювання.
4. Ізомерний перехід. Після випускання альфа- чи бета-частинки деякі типи ядер перебувають у збудженому стані (стані з надлишковою енергією) і випускають енергію збудження у вигляді гамма-квантів (см.Гамма-випромінювання). У цьому випадку при радіоактивному розпаді ядро, крім альфа- або бета-частинок, випускає також гамма-кванти. Так, ядра ізотопу Sr90 випускають тільки? -Частинки, Ядра Na24 випускають, крім? -Частинок, Також гамма-кванти. Більшість ядер знаходиться в збудженому стані дуже малі проміжки часу, що не піддаються вимірюванню (менше 10-9 сек.). Однак лише відносно невелике число ядер може перебувати у збудженому стані порівняно великі проміжки часу - до декількох місяців. Такі ядра називаються ізомерами, а відповідні переходи їх із збудженого стану в нормальний, що супроводжуються випусканням тільки гамма-квантів, - ізомерними. При ізомерних переходах А і Z ядра не змінюються. Радіоактивні ядра, що випускають тільки альфа- чи бета-частинки, називаються чистими альфа- або бета-випромінювачами. Ядра, у яких альфа- або бета-розпад супроводжується випусканням гамма-квантів, називаються гамма-випромінювачами. Чистими гамма-випромінювачами є тільки ядра, що знаходяться тривалий час у збудженому стані, т. Е. Претерпевающие ізомерні переходи.
5. Мимовільне ділення ядер. В результаті поділу з одного ядра утворюється два легших ядра - осколки поділу. Так як однакові ядра можуть ділитися різним чином на два ядра, то в процесі поділу утворюється багато різних пар більш легких ядер з різними Z і А. При розподілі звільняються нейтрони, в середньому 2-3 нейтрона на один акт поділу ядра, і гамма-кванти. Все що утворюються при діленні оскільки є нестійкими і зазнають?--розпад. Імовірність поділу є дуже малою для урану, але зростає зі збільшенням Z. Цим пояснюється відсутність на Землі більш важких, ніж уран, ядер. У стабільних ядрах існує певне співвідношення між числом протонів і нейтронів, при якому ядро володіє найбільшою стійкістю, тобто найбільшою енергією зв'язку частинок в ядрі. Для легких і середніх ядер найбільшою їх стійкості відповідає приблизно рівне зміст протонів і нейтронів. Для більш важких ядер спостерігається відносне збільшення числа нейтронів в стійких ядрах. При надлишку в ядрі протонів або нейтронів ядра із середнім значенням А є нестійкими і зазнають?-- або?+-розпади, при яких відбувається взаємне перетворення нейтрона і протона. При надлишку нейтронів (важкі ізотопи) відбувається перетворення одного з нейтронів в протон з випусканням електрона і нейтрино:
При надлишку протонів (легкі ізотопи) відбувається перетворення одного з протонів в нейтрон з випусканням або позитрона і нейтрино (?+-розпад), або тільки нейтрино (електронне захоплення):
Всі важкі ядра з атомним номером більше, чому Pb82, є нестійкими внаслідок значної кількості протонів, відразливих один одного. Ланцюжки послідовних альфа- і бета-розпадів в цих ядрах відбуваються до тих пір, поки не утворюються стійкі ядра ізотопів свинцю. З поліпшенням експериментальної техніки у все більшої кількості ядер, які вважалися раніше стабільними, виявляють дуже повільний радіоактивний розпад. В даний час відомо 20 радіоактивних ізотопів з Z менше 82.
В результаті будь-яких радіоактивних перетворень кількість атомів даного ізотопу безперервно зменшується. Закон убування з часом кількості активних атомів (закон радіоактивного розпаду) є загальним для всіх видів перетворень і всіх ізотопів. Він носить статистичний характер (застосовується тільки для великої кількості радіоактивних атомів) і полягає в наступному. Кількість активних атомів даного ізотопу, що розпадаються за одиницю часу? N /? T, пропорційно кількості активних атомів N, т. Е. За одиницю часу розпадається завжди одна і та ж частка до активних атомів даного ізотопу незалежно від їх кількості. Величина до називається постійної радіоактивного розпаду і являє собою частку активних атомів, що розпадаються за одиницю часу, або відносну швидкість розпаду. до вимірюється в одиницях, зворотних одиницях виміру часу, т. е. в сек.-1 (1 / сек.), доба-1, рік-1 і т. п., для кожного радіоактивного ізотопу має своє певне значення, яке змінюється в дуже широких межах для різних ізотопів. Величина, що характеризує абсолютну швидкість розпаду, називається активністю даного ізотопу або препарату. Активність 1 г речовини називається питомою активністю речовини.
Із закону радіоактивного розпаду випливає, що спадання кількості активних атомів N спочатку відбувається швидко, а потім все повільніше. Час, протягом якого кількість активних атомів або активність даного ізотопу зменшується в два рази, називається періодом напіврозпаду (Т) даного ізотопу. Закон убування N від часу t є експоненціальним і має наступне аналітичний вираз: N = N0e-? T, де N0 - число активних атомів в момент початку відліку часу (г = 0), N - кількість активних атомів через час t, е - основа натуральних логарифмів (число, рівне 2,718 ...). Між постійної розпаду до і періодом напіврозпаду? існує наступне співвідношення:? Т-0,693. Звідси
Періоди напіврозпаду вимірюються в сек., Хв. і т. п. і для різних ізотопів змінюються в дуже широких межах від малих часток секунди до 10 + 21 років. Ізотопи, що володіють великими? і малими Т, називаються короткоживущими, ізотопи Смаль? і великими Т називаються довгоживучими. Якщо активна речовина складається з декількох радіоактивних ізотопів з різними періодами напіврозпаду, генетично не пов'язаних між собою, то з плином часу активність речовини також буде безперервно зменшуватися і ізотопний склад препарату буде весь час змінюватися: зменшуватиметься частка короткоживучих ізотопів і зростати частка довгоживучих ізотопів. Через досить великий проміжок часу практично в препараті залишиться тільки самий долгоживущий ізотоп. По кривим розпаду радіоактивних речовин, що складаються з одного або суміші ізотопів, можна визначити періоди напіврозпаду окремих ізотопів і їх відносні активності для будь-якого моменту часу.
Закони зміни активності генетично пов'язаних ізотопів якісно інші-вони залежать від співвідношення періодів їхнього напіврозпаду. Для двох генетично пов'язаних ізотопів з періодом Т1 для вихідного ізотопу і Т2 - продукту розпаду ці закони мають найбільш просту форму. При T1gt; T2 активність вихідного ізотопу Q1 весь час зменшується за експоненціальним законом з періодом напіврозпаду Т1. Завдяки розпаду ядер вихідного ізотопу будуть утворюватися ядра кінцевого ізотопу і його активність Q2 буде зростати. Через певний час швидкість розпаду ядер другого ізотопу (стане близькою до швидкості утворення ядер цього ізотопу з вихідного (швидкість розпаду вихідного ізотопу Q1) і ці швидкості будуть знаходитися в певному і постійному співвідношенні весь подальший час - настає радіоактивне рівновагу.
Активність вихідного ізотопу безперервно зменшується з періодом Т1, тому після досягнення радіоактивного рівноваги активність кінцевого ізотопу Q2 і сумарна активність двох ізотопів Q1 + Q2 будуть також спадати з періодом напіврозпаду вихідного ізотопу Т1. При Т1gt; Т2 Q2 = Q1. Якщо з вихідного долгоживущего ізотопу утворюється послідовно кілька короткоживучих ізотопів, як це має місце в радіоактивному ряду урану і радію, то після досягнення рівноваги активності кожного короткоживучого ізотопу стають практично рівними активності вихідного ізотопу. При цьому загальна активність дорівнює сумі активностей всіх короткоживучих продуктів розпаду і убуває з періодом: напіврозпаду вихідного долгоживущего ізотопу, як і активність всіх ізотопів, що знаходяться в рівновазі.
Радіоактивне рівновага досягається практично за час, що дорівнює 5-10 періодам напіврозпаду того ізотопу з продуктів розпаду, який має найбільший період напіврозпаду. Якщо T1
До числа природно радіоактивних ізотопів відноситься близько 40 ізотопів періодичної системи елементів з Z більше 82, які утворюють три послідовних ряду радіоактивних перетворень: ряд урану (рис. 1), ряд торію (рис. 2) і ряд актиния (рис. 3). Шляхом послідовних альфа- і бета-розпадів з вихідних ізотопів ряду виходять кінцеві стійкі ізотопи свинцю.
Рис. 1. Ряд урану.
Рис. 2. Ряд торію.
Рис. 3. Ряд актинія.