Радиоактивный распад
-
История открытия радиоактивности
- Радиоактивность была открыта в 1896 году Анри Беккерелем и Марией Кюри.
- Беккерель обнаружил, что соли урана вызывают почернение фотографической пластинки.
- Исследования показали, что это излучение не связано с фосфоресценцией и проникает сквозь бумагу.
-
Типы радиоактивного распада
- Альфа-распад: испускание альфа-частиц.
- Бета-распад: испускание бета-частиц.
- Гамма-распад: испускание гамма-лучей.
- Внутреннее преобразование: переход ядра в возбужденное состояние и испускание гамма-лучей.
-
История изучения радиоактивности
- Резерфорд и Содди сформулировали закон радиоактивного смещения.
- Кюри открыли радий и полоний, что привело к использованию радия в медицине.
- Ранние исследования показали опасность ионизирующего излучения.
-
Опасности для здоровья
- Рентгеновские лучи вызывали ожоги и выпадение волос.
- Радиоактивные вещества использовались в медицине, что привело к радиоактивному шарлатанству.
- В 1925 году был проведен первый Международный конгресс радиологов для установления стандартов защиты.
-
Современные меры защиты
- В 1950 году была создана Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ).
- МКРЗ разработала международную систему радиационной защиты.
-
Изучение ущерба от низких доз радиации
- Национальный институт рака, Международное агентство по изучению рака и Фонд исследований последствий радиации в Хиросиме изучили ущерб от низких доз радиации.
- Новые исследования подтверждают повышенный риск развития рака при низких дозах ионизирующего излучения.
-
Единицы измерения радиоактивности
- Единица измерения радиоактивности в СИ — Беккерель (Bq).
- Кюри (Ки) — старая единица измерения, определяемая как количество излучения радия в равновесии с одним граммом радия.
- В ЕС кюри используется для целей общественного здравоохранения, но будет постепенно отменена к 1985 году.
-
Типы радиоактивного распада
- Радиоактивный распад приводит к уменьшению массы покоя и высвобождению энергии.
- Энергия распада связана с инвариантной массой, которая не изменяется при распаде.
- Альфа-, бета- и гамма-распад различаются по способности проникать сквозь материю и заряду частиц.
-
Альфа-, бета- и гамма-распад
- Альфа-распад наблюдается у элементов с атомным номером 52 и выше.
- Бета-распад наблюдается во всех элементах, кроме свинца.
- Гамма-распад связан с другими типами распада и происходит примерно в одно и то же время.
-
Захват электронов и излучение нуклонов
- Захват электронов приводит к образованию более стабильного ядра.
- Излучение нейтронов происходит из возбужденных ядер и контролируется ядерным взаимодействием.
- Изолированное излучение протонов наблюдалось в некоторых элементах.
-
Более экзотические виды распада
- Внутреннее преобразование включает испускание электронов и рентгеновских лучей.
- Внутренний конверсионный распад высвобождает энергию без превращения одного элемента в другой.
- Бета-распад рения-187 в связанном состоянии не сопровождается испусканием бета-электронов.
-
Конкурирующие типы распада
- Один радионуклид может подвергаться многим типам распада.
- Пример: медь-64, распадающаяся с периодом полураспада 12,7004(13) часов.
-
Основные режимы распада
- Бета-плюс распад (61.52(26)%[26])
- Захват электронов (38.48(26)%[26])
- Возбужденные энергетические состояния приводят к внутреннему преобразованию и гамма-распаду (0.5% случаев)
-
Цепочки распада
- Дочерний нуклид может быть нестабильным и распадаться, производя излучение
- Цепочки распада могут приводить к образованию стабильных нуклидов
- Альфа-распад приводит к образованию атомов гелия
-
Возникновение и применение
- Стабильные изотопы легких элементов образовались в результате нуклеосинтеза Большого взрыва
- Радиоактивные изотопы образовались позже в звездах и при взаимодействиях с энергичными частицами
- Радиоактивный распад используется в радиоизотопном мечении и аппаратных генераторах случайных чисел
- Радиоактивный распад помогает оценить абсолютный возраст материалов и скорость образования углерода-14
-
Эффект Сциларда–Чалмерса
- Разрыв химической связи в результате радиоактивного распада
- Используется для разделения изотопов химическим путем
-
Происхождение радиоактивных нуклидов
- Первичные нуклиды образовались в результате древних взрывов сверхновых
- Короткоживущие радиогенные нуклиды являются дочерними веществами первичных нуклидов
- Космогенные нуклиды образуются в результате бомбардировки космическими лучами
-
Совокупные процессы
- Основной процесс радиоактивного распада происходит на субатомном уровне
- Модели связывают события на атомарном уровне с наблюдениями в совокупности
-
Терминология и допущения
- Период полураспада, постоянная затухания, среднее время жизни
- Общая активность, количество частиц, удельная активность
- Ядро не обладает «памятью» и вероятность распада не меняется со временем
- Совокупные процессы моделируются распределением Пуассона
-
Однократный процесс распада
- Распад происходит случайно во времени
- Невозможно предсказать, когда произойдет распад конкретного атома
-
Распад радиоизотопов
- Радиоизотопы распадаются с разной скоростью, определяемой постоянной распада λ.
- Количество распадов пропорционально количеству атомов N.
- Затухание пропорционально времени t.
-
Цепные процессы распада
- Цепочка из двух распадов: A → B → C.
- Скорость изменения NB зависит от изменений количеств A и B.
- Решение для NB: NB = NA0e-λAt.
- Цепочка из любого числа распадов: N2 = 0, N3 = 0, …, ND = 0.
- Общее решение: ND = N1(0)λD∑i=1Dλi ci e-λit.
-
Несколько продуктов распада
- Один исходный нуклид может распадаться на два продукта: A → B и A → C.
- Полная константа затухания λ определяется суммой частичных констант затухания λB и λC.
- Вероятность распада на B или C: λB/λ и λC/λ соответственно.
-
Следствия из законов
- Активность: A = λN.
- Количество вещества: n = N/NA.
- Масса: m = Mn = MN/NA.
-
Время затухания и полураспад
- Постоянная времени τ связана с константой распада λ.
- Период полураспада T1/2 связан с константой распада λ.
- Периоды полураспада варьируются от 2,25×1024 лет до 8,6×10-23 секунд.
-
Изменение ставок распада
- Химические воздействия и окружающая среда могут незначительно влиять на скорость распада.
- Примеры: 7Be, 163Dy66+, 187Re.
-
Независимость скорости распада от внешних условий
- Скорости распада радиоизотопов не зависят от температуры, давления, химической среды и электрических, магнитных или гравитационных полей.
- Лабораторные эксперименты и астрофизические наблюдения подтверждают постоянство скоростей затухания.
-
Слабая зависимость от окружающей среды
- Измерения скоростей распада некоторых изотопов показывают небольшие сезонные колебания.
- Однако систематические ошибки и другие эксперименты не подтверждают корреляцию.
-
Аномалия GSI
- Скорости распада тяжелых радиоактивных ионов демонстрируют колебательную модуляцию.
- Возможные объяснения связаны с колебаниями аромата или различиями в массах нейтрино.
-
Ядерные процессы и нуклиды
- Нуклиды распадаются и производят радиоактивность, если их период полураспада превышает 2×10-14с.
- Стабильные нуклиды составляют 256, нестабильные — около 3000.
- Основные формы распада включают альфа-, бета- и гамма-распад.
-
Знаки, предупреждающие об опасности
- Символ трилистника и символ радиоактивной опасности ISO 2007 года используются для предупреждения о радиоактивном материале.
- Существуют классификационные знаки для перевозки радиоактивных материалов.
-
Дополнительные ресурсы
- Поиск по ядерным данным Lund/LBNL содержит информацию о типах радиоактивного распада и энергиях.
- Номенклатура ядерной химии и конкретные темы.
- Интерактивная диаграмма нуклидов и веб-сайт общественного образования Общества медицинской физики.
- Аннотированная библиография по радиоактивности и стохастическое моделирование распада.