Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Радиоактивный распад

Время жизни атома

При изучении радиоактивности сразу возникает вопрос о том, каково время жизни атома. Термин время жизни весьма удачен в данном случае, поскольку при расщеплении атома с испусканием частицы первоначальный атом перестает существовать и возникает новый атом.

Исходный атом можно назвать материнским, а его преемника — дочерним атомом. Невозможно точно предсказать, когда произойдет распад исходного атома и появится новый атом; это может случиться в следующую секунду, а может не произойти еще миллиард лет.

Однако можно ввести представление о среднем времени жизни атома, исходя из статистических соображений и следуя тем же принципам, с помощью которых предсказывается средняя продолжительность жизни отдельного человека. При любой большой совокупности идентичных атомов их количество, распадающееся за некоторый определенный промежуток времени, зависит непосредственно от общего числа атомов в данной группе. Чем больше это число, тем большее количество атомов распадается в течение короткого промежутка времени. Скорость распада можно измерить, сосчитав число альфа- или бета-частиц, испускаемых за определенный отрезок времени. Отсюда можно найти среднее время жизни атома, умножив число распадающихся атомов на промежуток времени, в течение которого они существовали, затем сложив эти произведения для всех атомов, участвующих в распаде, и, наконец, разделив эту сумму на полное число атомов. На рис. 1 графически представлены результаты измерений распада некоторого радиоактивного изотопа. В момент времени, принятый за нулевой, число атомов изотопа равно N0, в то время как в любой более поздний момент времени количество оставшихся активных атомов окажется меньше N0. В течение некоторого времени Т распадется половина исходного количества атомов. Этот промежуток времени Т представляет собой период полураспада изотопа. По прошествии этого периода активность изотопа также спадет до половины своей первоначальной величины. То же самое повторится за время второго интервала T, когда оставшееся количество атомов снова уменьшится наполовину, так что к концу этого промежутка времени в наличии останется только четвертая часть первоначального числа атомов.

График представляет собой экспоненциальную кривую, стремящуюся к горизонтальной (временной) оси, но никогда на самом деле не достигающую ее.

Соотношения между периодом полураспада радиоактивного изотопа и средним временем жизни Та выражается формулой Т = 0,693 Та. Величина Та показана на рис. 1. Отсюда следует, что, измерив период полураспада какого-либо радиоактивного изотопа, мы можем легко определить среднее время его жизни.

Периоды полураспада и, следовательно, среднее время жизни естественных радиоактивных изотопов лежат в широких пределах. Радий, например, имеет период полураспада 1620 лет, в то время как его дочерний продукт — радон, или эманация радия, обладает периодом полураспада 3,82 дня. Некоторые изотопы имеют очень короткое время жизни, измеряемое миллионными долями секунды, время жизни других составляет миллиарды лет. Если мы возьмем 1 мг радона, то через 3,82 дня останется только ½ мг, и число альфа-частиц, испускаемых в секунду, тоже уменьшится вдвое. К концу 7,64 дня (2 Т) окажется в наличии только ¼ мг, в конце 19,1 дня (5 Т) останется только 1/32 мг радона и его активность уменьшится до 1/32 ее первоначальной величины.

Вероятность распада

Скорость, с которой распадается радиоактивное вещество, остается постоянной независимо от физических и химических условий, в которых находится изотоп. Процесс распада не поддается воздействию таких факторов, как температура и давление; на нем никак не сказывается состояние, в котором находится изотоп, твердое, жидкое или газообразное; то, что изотоп находится в свободном состоянии или химически связан с другими элементами, также не влияет на характер распада. Но распад всегда можно наблюдать по радиоактивности.

Хотя нельзя предсказать, когда точно распадется данный атом, однако можно определить вероятность его распада. Чем больше среднее время жизни атома, тем меньше будет вероятность распада. Это можно выразить формулой в которой λ — вероятность распада. Греческая буква λ, употребляется также для обозначения постоянной распада некоторого радиоактивного изотопа.

Радиоактивные ряды

Большинство естественных радиоактивных изотопов связаны друг с другом происхождением и делятся на три радиоактивных ряда: урановый, ториевый и актиниевый. Каждый ряд начинается с долгоживущего материнского ядра и заканчивается стабильным изотопом свинца.

Урановый ряд начинается с изотопа урана с Z = 92 и А = 238, имеющего период полураспада 4,5 млрд. лет. Ториевый ряд начинается с тория с Z = 90, А = 232, имеющего период полураспада 13,90 млрд лет. Актиниевый ряд начинается с актино- урана, являющегося изотопом урана с Z = 92, А — 235 и обладающего периодом полураспада 880 млрд. лет. На рис. 2 показано происхождение всех членов уранового ряда. В первый период изучения радиоактивности каждый радиоактивный изотоп получил особое наименование и обозначение. Теперь же изотопы обозначают просто химическим наименованием элемента и соответствующим массовым числом А для данного атомного номepa Z.

Поскольку альфа-частица представляет собой ядро атома гелия (Z = 2, А = 4), то испускание этой частицы приводит к образованию нового атома, атомный номер которого на две единицы, а массовое число на четыре единицы меньше, чем у материнского атома. При испускании бета-частицы массовое число ядра не меняется, но происходит увеличение атомного номера на единицу. Кроме того, испускание отрицательной бета-частицы сопровождается превращением нейтрона в протон в новом ядре.

Последний изотоп, которым заканчивается урановый ряд, это свинец с Z = 82, А = 206. Конечным изотопом ториевого ряда тоже является свинец с Z = 82, А = 208. В актиниевом ряду завершающий изотоп также свинец с Z = 82, А = 207. Эти перечисленные изотопы свинца стабильны, т. е. не обладают радиоактивностью, но другие изотопы свинца радиоактивны. На рис. 2 можно найти периоды полураспада всех радиоактивных изотопов уранового ряда, выраженные в годах, днях, часах, минутах и секундах.

Возраст Земли

Уран широко распространен в толще Земли. В любой урановой руде содержится не только уран, но также и все продукты расщеплений его генетического ряда. Зная время жизни различных изотопов уранового ряда, можно вычислить какое количество данного продукта распада образуется в течение определенного периода времени в одном грамме или в большем количестве урана. Если мы предположим, что в период затвердевания земной коры еще не существовал изотоп свинца, образующийся в урановом ряду, то измерение отношения имеющихся количеств этого свинца и урана позволит определить возраст горной породы или минерала, содержащего их. Другое допущение, которое мы делаем при этом, состоит в том, что количество каждого изотопа в урановой цепочке от урана до свинца не испытало изменений под действием физических или химических процессов, которые могли произойти в это время. Таким образом, широкое исследование урановых руд и минералов во всем мире даст возможность установить возраст Земли.

Возраст минерала, полученный из соотношения урана и свинца, это нижний предел для возраста Земли, т. е. Земля старше минерала. Определенный этим методом возраст Земли составляет около трех миллиардов лет. Аналогичные результаты были получены из соотношения количеств тория и свинца, а также из других измерений радиоактивных изотопов, обнаруженных в земной коре. Существенно то, что все они дают одно и то же значение возраста Земли.

Распады, осуществляющиеся в различных вариантах

В большинстве случаев все атомы какого-либо элемента испускают при распаде один и тот же вид частиц (см. рис. 2): уран, в частности, всегда испускает альфа-частицы, торий — бета- частицы. Однако в других случаях, как, например, при расщеплении полония (А = 218), некоторые атомы распадаются, испуская альфа-частицы, что приводит к образованию свинца, в то время как другие распадаются с испусканием бета-частиц, причем образуется другой изотоп — астатин. При этом 99,96% распадов осуществляется с испусканием альфа-частиц. Дочерние атомы затем распадаются разными способами и с различной скоростью, приводя к образованию одного и того же продукта — висмута. Астатин распадается, испуская альфа-частицы с периодом полураспада 2 сек, в то время как расщепление свинца происходит путем вылета бета-частицы с периодом полураспада 26,8 мин.

Явление распада, происходящего в двух различных вариантах, иногда называют разветвлением.

Разветвление имеет место также и при расщеплении висмута (А = 214). В этом случае основную роль играет распад с испусканием бета-частицы. Дочерние атомы еще раз распадаются с различными скоростями, образуя одинаковый продукт — радиоактивный изотоп свинца с Z = 82, А — 210. Явление разветвления обычно также и для других радиоактивных рядов.

Ядерные изомеры

Интересно отметить явление, наблюдаемое при распаде тория, когда дочернее ядро — протактиний, Z = 91, А = 234 — распадается, испуская бета-частицы с двумя различными периодами полураспада, один из которых равен 68 сек, а другой 6,7 ч. Раньше предполагалось, что каждый период полураспада

относится только к определенному изотопу и что, по-видимому, в результате распадов одинакового вида образуются два различных изотопа. Двум этим типам ядер, показанным на рис. 2 двумя слегка разделенными точками, которые должны в действительности совпадать, были даны различные названия. В 1921 г., однако, опыты, проведенные Ханом, показали, что при бета-распаде тория возникает только один изотоп, но его ядро образуется в двух различных энергетических состояниях. На рис. 3. показаны два энергетических состояния протактиния. В более высокорасположенном состоянии ядро имеет примерно на 0,4 Мэв больше энергии, чем в нижнем состоянии. Большинство атомов, находящихся в высокоэнергетическом состоянии, распадается, испуская бета-частицы с периодом полураспада 68 сек. При этом образуется уран с массовым числом А = 234. Небольшая часть ядер, однако, переходит из высокоэнергетического состояния в основное состояние, излучая гамма-квант с энергией 0,4 Мэв; таким образом, возникает ядро, распадающееся с испусканием бета-частицы с периодом полураспада 6,7 ч, причем также образуется уран с массовым числом А — 234.

Ядра, находящиеся в различных энергетических состояниях достаточно долго, чтобы это можно было наблюдать, называются ядерными изомерами, а соответствующие энергетические состояния носят название изомерных состояний. В течение многих лет приведенный пример ядерной изомерии оставался единственным. Однако с открытием искусственной радиоактивности число известных изомерных состояний значительно возросло.

Г.Семат, Г.Э. Уайт - Физика атомного века /
Перевод с английского А.В.Давыдова

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору! 
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник
Яндекс.Метрика