Радиоактивный распад - Radioactive decay

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  (п, п ) · Ядерное дело  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция
Модели ядра Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Нуклиды классификация Изотопы - равный Z Изобары - равный А Изотоны - равный N Исодиаферы - равный N − Z      Изомеры - равно всем вышеперечисленным Зеркальные ядра  – Z ↔ N Стабильный  · Магия  · Даже странно  · Гало  (Борромео )
Ядерная стабильность Связующая энергия  · соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности
Радиоактивный распад Альфа α  · Бета β  (2β, β+ ) · К / л захват  · Изомерный  (Гамма γ  · Внутреннее преобразование ) · Самопроизвольное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Испускание протонов Энергия распада  · Цепочка распада  · Продукт распада  · Радиогенный нуклид
Ядерное деление Спонтанный  · Продукты  (разрыв пары ) · Фотоделение
Процессы захвата электрон (2× ) · нейтрон  (s  · р ) · протон  (п  · rp )
Высокоэнергетические процессы Скалывание (космическим лучом ) · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Термоядерная реакция Процессы: Звездный  · Большой взрыв  · Сверхновая звезда Нуклиды: Изначальный  · Космогенный  · Искусственный
Ядерная физика высоких энергий Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые Альварес  · Беккерель  · Быть  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ir. Кюри  · Пт. Кюри  · Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Дженсен  · Лоуренс  · Mayer  · Meitner  · Олифант  · Оппенгеймер  · Proca  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Soddy  · Strassmann  · Witecki  · Сцилард  · Кассир  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер

Альфа-распад это один из видов радиоактивного распада, при котором атомное ядро ​​испускает альфа-частица, и тем самым превращается (или «распадается») в атом с массовое число уменьшилось на 4 и атомный номер уменьшилось на 2.

Радиоактивный распад (также известен как ядерный распад, радиоактивность, радиоактивный распад или ядерный распад) - это процесс, при котором нестабильная атомное ядро теряет энергию из-за радиация. Рассматривается материал, содержащий нестабильные ядра. радиоактивный. Три наиболее распространенных типа распада - это альфа-распад, бета-распад и гамма-распад, каждый из которых включает излучение одного или нескольких частицы или фотоны. В слабая сила это механизм это отвечает за бета-распад.^[1]

Радиоактивный распад - это стохастический (т.е. случайный) процесс на уровне отдельных атомов. Согласно с квантовая теория, невозможно предсказать, когда конкретный атом распадется, независимо от того, как долго атом существует.^[2][3][4] Однако для значительного числа идентичных атомов общую скорость распада можно выразить как постоянная распада или как период полураспада. Периоды полураспада радиоактивных атомов имеют огромный диапазон; от почти мгновенного до гораздо более длительного, чем возраст вселенной.

Распадающееся ядро ​​называется родитель радионуклид (или же родительский радиоизотоп^{[примечание 1]}), и в результате будет получен хотя бы один дочерний нуклид. За исключением гамма-распада или внутреннего преобразования из ядерного возбужденное состояние, распад ядерная трансмутация в результате дочь содержит другое количество протоны или нейтроны (или оба). Когда число протонов меняется, атом другого химический элемент создано.

• Альфа-распад происходит, когда ядро ​​выбрасывает альфа-частицу (ядро гелия).
• Бета-распад происходит двумя способами;
  • (i) бета-минус распад, когда ядро ​​испускает электрон и антинейтрино в процессе, который превращает нейтрон в протон.
  • (ii) бета-плюс-распад, когда ядро ​​испускает позитрон и нейтрино в процессе, который превращает протон в нейтрон, этот процесс также известен как позитронное излучение.

• В гамма-распад радиоактивное ядро ​​сначала распадается с испусканием альфа- или бета-частицы. Образовавшееся дочернее ядро ​​обычно остается в возбужденном состоянии и может распадаться до состояния с более низкой энергией, испуская гамма-фотон.

• В нейтронное излучение, чрезвычайно богатые нейтронами ядра, образовавшиеся в результате других типов распада или после многих последовательных захват нейтронов, иногда теряют энергию из-за испускания нейтронов, что приводит к изменению изотоп к другому из того же элемента.

• В захват электронов, ядро ​​может захватить вращающийся электрон, заставляя протон превращаться в нейтрон в процессе, называемом захватом электрона. Впоследствии испускаются нейтрино и гамма-лучи.

• В кластерный распад и ядерное деление, испускается ядро ​​тяжелее альфа-частицы.

Напротив, существуют процессы радиоактивного распада, которые не приводят к ядерной трансмутации. Энергия возбужденного ядра может испускаться в виде гамма-излучения в процессе, называемом гамма-распад, или эта энергия может быть потеряна, когда ядро ​​взаимодействует с орбитальным электроном, вызывая его выброс из атома в процессе, называемом внутренняя конверсия. Другой тип радиоактивного распада приводит к продуктам, которые различаются, проявляясь в виде двух или более «фрагментов» исходного ядра с диапазоном возможных масс. Этот распад, называемый спонтанным деление, происходит, когда большое нестабильное ядро ​​спонтанно распадается на два (а иногда и три) меньших дочерних ядра и обычно приводит к испусканию гамма-лучей, нейтронов или других частиц из этих продуктов. Напротив, продукты распада ядра со спином может быть распространен неизотропно относительно этого направления вращения. Либо из-за внешнего воздействия, например, электромагнитное поле, или потому что ядро ​​было создано в результате динамического процесса, который ограничивал направление его вращения, анизотропия может быть обнаружен. Такой родительский процесс может быть предыдущим распадом или ядерная реакция.^{[5][6][7][заметка 2]}

Сводную таблицу, показывающую количество стабильных и радиоактивных нуклидов в каждой категории, см. радионуклид. На Земле есть 28 химических элементов природного происхождения, которые являются радиоактивными и состоят из 34 радионуклидов (6 элементов имеют 2 разных радионуклида), которые датируются до времени образования Солнечная система. Эти 34 известны как первичные нуклиды. Известные примеры: уран и торий, но также включены встречающиеся в природе долгоживущие радиоизотопы, такие как калий-40.

Еще около 50 или около того короткоживущих радионуклидов, таких как радий-226 и радон-222, найденные на Земле, являются продуктами цепочки распада которые начались с первичных нуклидов, или являются продуктом продолжающихся космогенный процессы, такие как производство углерод-14 из азот-14 в атмосфере космические лучи. Радионуклиды также могут быть произведено искусственно в ускорители частиц или ядерные реакторы В результате получается 650 из них с периодом полураспада более часа и еще несколько тысяч с еще более коротким периодом полураспада. (Видеть Список нуклидов список отсортированных по периоду полураспада.)

История открытия

Пьер и Мария Кюри в своей парижской лаборатории до 1907 года.

Радиоактивность была открыта в 1896 г. Французский ученый Анри Беккерель, работая с фосфоресцирующий материалы.^[8] Эти материалы светятся в темноте после воздействия света, и он подозревал, что это свечение, производимое в электронно-лучевые трубки к Рентгеновские лучи может быть связано с фосфоресценцией. Он завернул фотопластинку в черную бумагу и поместил различные фосфоресцирующие соли в теме. Все результаты были отрицательными, пока он не использовал уран соли. Соли урана вызвали почернение пластины, несмотря на то, что пластина была обернута черной бумагой. Эти излучения получили название «лучи Беккереля».

Вскоре выяснилось, что почернение пластины не имело ничего общего с фосфоресценцией, поскольку почернение также было вызвано нефосфоресцентным действием. соли урана и металлическим ураном. Из этих экспериментов стало ясно, что существует форма невидимого излучения, которое может проходить через бумагу и заставляет пластину реагировать так, как если бы она подвергалась воздействию света.

Сначала казалось, что новое излучение похоже на недавно открытое рентгеновское излучение. Дальнейшие исследования Беккереля, Эрнест Резерфорд, Поль Вильярд, Пьер Кюри, Мари Кюри, и другие показали, что эта форма радиоактивности была значительно более сложной. Резерфорд был первым, кто понял, что все такие элементы распадаются по одной и той же математической экспоненциальной формуле. Резерфорд и его ученик Фредерик Содди первыми осознали, что многие процессы распада приводят к трансмутация одного элемента к другому. Впоследствии Закон радиоактивного смещения Фаянса и Содди был сформулирован для описания продуктов альфа и бета-распад.^[9][10]

Ранние исследователи также обнаружили, что многие другие химические элементы, кроме урана, имеют радиоактивные изотопы. Систематический поиск общей радиоактивности урановых руд также помог Пьеру и Марии Кюри выделить два новых элемента: полоний и радий. За исключением радиоактивности радия, химическое сходство радия с барий затрудняло различение этих двух элементов.

Исследования Мари и Пьера Кюри радиоактивности - важный фактор в науке и медицине. После того, как их исследования лучей Беккереля привели их к открытию радия и полония, они придумали термин «радиоактивность».^[11] Их исследования проникающих лучей в уран и открытие радия положили начало эре использования радия для лечения рака. Их исследование радия можно рассматривать как первое использование ядерной энергии в мирных целях и начало современного ядерная медицина.^[11]

Опасности для здоровья в раннем возрасте

Рентгеновский снимок с ранней Трубка Крукса аппарата в 1896 году. В центре видна трубка Крукса. Стоящий мужчина смотрит на свою руку с флюороскоп экран; это был обычный способ установки трубки. Никаких мер предосторожности против радиационного облучения не принимается; его опасности тогда еще не были известны.

Опасности ионизирующее излучение из-за радиоактивности и рентгеновских лучей не сразу были распознаны.

Рентгеновские лучи

Открытие рентгеновских лучей Вильгельм Рентген в 1895 г. привел к повсеместным экспериментам ученых, врачей и изобретателей. Многие люди начали рассказывать истории об ожогах, выпадении волос и худшем в технических журналах еще в 1896 году. В феврале того же года профессор Дэниел и доктор Дадли из Университет Вандербильта провел эксперимент с рентгеновским облучением головы Дадли, в результате которого у него выпали волосы. Отчет доктора Х.Д. Хоукс, перенесший тяжелые ожоги руки и груди во время рентгеновской демонстрации, был первым из многих других сообщений в Электрический обзор.^[12]

Другие экспериментаторы, в том числе Элиу Томсон и Никола Тесла, также сообщил об ожогах. Томсон намеренно подвергал палец воздействию рентгеновской трубки в течение определенного периода времени и страдал от боли, отека и волдырей.^[13] Иногда в причинении ущерба обвиняли другие эффекты, включая ультрафиолетовые лучи и озон.^[14] и многие врачи по-прежнему утверждали, что рентгеновское облучение не вызывает никаких эффектов.^[13]

Несмотря на это, некоторые ранние систематические расследования опасностей проводились, и уже в 1902 г. Уильям Герберт Роллинз почти в отчаянии написал, что его предупреждения об опасностях, связанных с небрежным использованием рентгеновских лучей, не были приняты во внимание ни промышленностью, ни его коллегами. К этому времени Роллинз доказал, что рентгеновские лучи могут убить экспериментальных животных, вызвать прерывание беременности у беременной морской свинки и убить плод.^{[15][самостоятельно опубликованный источник? ]} Он также подчеркнул, что «животные различаются по восприимчивости к внешнему воздействию рентгеновского света», и предупредил, что эти различия следует учитывать при лечении пациентов с помощью рентгеновских лучей.

Радиоактивные вещества

Радиоактивность характерна для элементов с большим атомным номером. Элементы, содержащие хотя бы один стабильный изотоп, показаны голубым цветом. Зеленым показаны элементы, наиболее стабильный изотоп которых имеет период полураспада в миллионы лет. Желтый и оранжевый становятся все менее стабильными, с периодом полураспада в тысячи или сотни лет, вплоть до одного дня. Красный и фиолетовый цвета показывают высоко и чрезвычайно радиоактивные элементы, у наиболее стабильных изотопов период полураспада измеряется порядка одного дня и намного меньше.

Однако биологические эффекты радиации, вызванной радиоактивными веществами, было труднее оценить. Это дало возможность многим врачам и корпорациям продавать радиоактивные вещества как патентованные лекарства. Примеры были радий клизма лечебные и радийсодержащие воды для употребления в качестве тонизирующих средств. Мари Кюри протестовали против такого лечения, предупреждая, что влияние радиации на человеческое тело недостаточно изучено.^{[нужна цитата ]} Кюри позже умерла от апластическая анемия, вероятно, вызвано воздействием ионизирующего излучения. К 1930-м годам, после ряда случаев некроза костей и смерти энтузиастов лечения радием, радийсодержащие лекарственные средства были в значительной степени удалены с рынка (радиоактивное шарлатанство ).

Радиационная защита

Только год спустя Рентгена После открытия рентгеновских лучей американский инженер Вольфрам Фукс (1896 г.) дал, вероятно, первый совет по защите, но только в 1925 г. был проведен первый Международный конгресс радиологов (ICR), на котором рассматривался вопрос об установлении международных стандартов защиты. Влияние радиации на гены, включая риск рака, было обнаружено намного позже. В 1927 г. Герман Йозеф Мюллер опубликовал исследование, показывающее генетические эффекты, и в 1946 году был награжден Нобелевская премия по физиологии и медицине за его находки.

Второй ICR был проведен в Стокгольме в 1928 году и предлагал принять аппарат rontgen, и был сформирован «Международный комитет по защите от рентгеновского излучения и радия» (IXRPC). Рольф Зиверт был назначен председателем, но движущей силой был Джордж Кэй из Великобритании Национальная физическая лаборатория. Комитет заседал в 1931, 1934 и 1937 годах.

После Вторая Мировая Война, увеличенный ассортимент и количество радиоактивный вещества, с которыми приходится иметь дело в результате военных и гражданских ядерных программ, привели к тому, что большие группы профессиональных работников и население потенциально подвергались вредному воздействию ионизирующего излучения. Это рассматривалось на первом послевоенном заседании ICR, созванном в Лондоне в 1950 году, когда нынешний Международная комиссия по радиологической защите (ICRP) родился.^[16]С тех пор МКРЗ разработала нынешнюю международную систему радиационной защиты, охватывающую все аспекты радиационной опасности.

Единицы радиоактивности

График, показывающий взаимосвязь между радиоактивностью и обнаруженным ионизирующим излучением

В Международная система единиц (СИ) единицей радиоактивной активности является беккерель (Бк), названный в честь ученого Анри Беккерель. Один Бк определяется как одно преобразование (или распад, или распад) в секунду.

Более старая единица радиоактивности - это кюри, Ci, который первоначально определялся как «количество или масса эманация радия в равновесие с одним граммом радий (элемент)".^[17] Сегодня кюри определяется как 3.7×10¹⁰ распадов в секунду, так что 1кюри (Ci) = 3.7×10¹⁰ Бк.Для целей радиологической защиты, хотя Комиссия по ядерному регулированию Соединенных Штатов разрешает использование устройства. кюри наряду с единицами СИ,^[18] то Европейский Союз Европейские директивы по единицам измерения потребовал, чтобы его использование в "целях общественного здравоохранения ..." было прекращено к 31 декабря 1985 г.^[19]

Эффекты ионизирующего излучения часто измеряются в единицах серый для механических или зиверт на повреждение тканей.

Типы распада

Альфа-частицы может быть полностью остановлен листом бумаги, бета-частицы алюминиевым экраном. Гамма лучи может быть уменьшен только за счет гораздо более значительной массы, такой как очень толстый слой вести.

¹³⁷Схема распада Cs с указанием периодов полураспада, дочерних нуклидов, типов и доли испускаемого излучения

Ранние исследователи обнаружили, что электрический или магнитное поле может разделить радиоактивные выбросы на три типа пучков. Лучам дали имена альфа, бета, и гамма, в порядке возрастания их способности проникать в материю. Альфа-распад наблюдается только у более тяжелых элементов с атомным номером 52 (теллур ) и выше, за исключением бериллий-8 (который распадается на две альфа-частицы). Два других типа распада наблюдаются у всех элементов. Вести, атомный номер 82, является самым тяжелым элементом, изотопы которого устойчивы (до предела измерения) к радиоактивному распаду. Радиоактивный распад наблюдается у всех изотопов всех элементов с атомным номером 83 (висмут ) или выше. Висмут-209, однако, очень слабо радиоактивен, с периодом полураспада, превышающим возраст Вселенной; радиоизотопы с чрезвычайно длинным периодом полураспада считаются эффективно стабильными для практических целей.

Диаграмма переходов для режимов распада радионуклид, с числом нейтронов N и атомный номер Z (показаны α, β^±, п⁺, и п⁰ выбросы, ЕС обозначает захват электронов ).

Типы радиоактивного распада, связанные с числом нейтронов и протонов

При анализе природы продуктов распада было очевидно со стороны электромагнитные силы приложенное к излучению внешними магнитными и электрическими полями, которые альфа-частицы несет положительный заряд, бета-частицы нес отрицательный заряд, и гамма излучение были нейтральными. По величине прогиба было ясно, что альфа-частицы были намного массивнее, чем бета-частицы. Проходя альфа-частицы через очень тонкое стеклянное окно и улавливая их в разрядная трубка позволили исследователям изучить спектр излучения захваченных частиц и в конечном итоге доказали, что альфа-частицы гелий ядра. Другие эксперименты показали бета-излучение, возникающее в результате распада и катодные лучи, были скоростными электроны. Точно так же гамма-излучение и рентгеновское излучение оказались высокоэнергетическими. электромагнитное излучение.

Также начали изучать взаимосвязь между типами распадов: например, гамма-распад почти всегда был связан с другими типами распада и происходил примерно в то же время или позже. Гамма-распад как отдельное явление со своим периодом полураспада (теперь называется изомерный переход ), было обнаружено, что естественная радиоактивность является результатом гамма-распада возбужденных метастабильных ядерные изомеры, которые, в свою очередь, были созданы из других типов распада.

Хотя чаще всего обнаруживались альфа, бета и гамма излучения, в конечном итоге были обнаружены и другие типы излучения. Вскоре после открытия позитрон в продуктах космических лучей было обнаружено, что тот же процесс, что и в классических бета-распад может также производить позитроны (позитронное излучение ), вместе с нейтрино (классический бета-распад производит антинейтрино). В более распространенном аналогичном процессе, называемом захват электронов было обнаружено, что некоторые богатые протонами нуклиды захватывают собственные атомные электроны вместо испускания позитронов, и впоследствии эти нуклиды испускают только нейтрино и гамма-лучи от возбужденного ядра (а часто и Оже-электроны и характеристические рентгеновские лучи, в результате переупорядочения электронов, чтобы заполнить место пропавшего захваченного электрона). Эти типы распада включают ядерный захват электронов или испускание электронов или позитронов, и, таким образом, действуют для перемещения ядра в сторону отношения нейтронов к протонам, которое имеет наименьшую энергию для данного общего числа нуклоны. Следовательно, это дает более стабильное (с меньшей энергией) ядро.

(Теоретический процесс захват позитронов, аналогичный захвату электронов, возможен в атомах антивещества, но не наблюдался, так как сложные атомы антивещества за пределами антигелий экспериментально недоступны.^[20] Для такого распада потребуются атомы антивещества, по крайней мере, такие же сложные, как бериллий-7, который является самым легким известным изотопом нормального вещества, распадающимся за счет электронного захвата.)

Вскоре после открытия нейтрон в 1932 г., Энрико Ферми понял, что некоторые редкие реакции бета-распада немедленно дают нейтроны в виде частиц распада (нейтронное излучение ). Изолированные испускание протона в итоге наблюдалось в некоторых элементах. Также было обнаружено, что некоторые тяжелые элементы могут подвергаться спонтанное деление в продукты, различающиеся по составу. В явлении под названием кластерный распад было обнаружено, что определенные комбинации нейтронов и протонов, отличные от альфа-частиц (ядер гелия), спонтанно испускаются из атомов.

Было обнаружено, что при других типах радиоактивного распада излучаются ранее видимые частицы, но через другие механизмы. Примером является внутренняя конверсия, что приводит к первоначальной эмиссии электронов, а затем часто и далее. характеристические рентгеновские лучи и Оже-электроны выбросов, хотя внутренний процесс преобразования не включает ни бета-ни гамма-распада. Нейтрино не испускается, и ни один из испускаемых электронов и фотонов не возникает в ядре, даже если энергия для испускания всех из них исходит именно там. Спад внутренней конверсии, как изомерный переход гамма-распад и испускание нейтронов включают выделение энергии возбужденным нуклидом без трансмутации одного элемента в другой.

Известны редкие события, которые включают комбинацию двух событий типа бета-распада, происходящих одновременно (см. Ниже). Любой процесс распада, который не нарушает законы сохранения энергии или импульса (и, возможно, другие законы сохранения частиц), разрешен, хотя не все из них были обнаружены. Интересный пример, обсуждаемый в последнем разделе: бета-распад связанного состояния из рений-187. В этом процессе бета-электронный распад родительского нуклида не сопровождается испусканием бета-электронов, потому что бета-частица была захвачена в K-оболочку излучающего атома. Испускается антинейтрино, как и во всех отрицательных бета-распадах.

Радионуклиды могут вступать в ряд различных реакций. Они приведены в следующей таблице. Ядро с массовое число А и атомный номер Z представлен как (А, Z). В столбце «Дочернее ядро» указано отличие нового ядра от исходного. Таким образом, (А − 1, Z) означает, что массовое число на единицу меньше, чем раньше, но атомный номер такой же, как и раньше.

Если энергетические условия благоприятны, данный радионуклид может претерпеть множество конкурирующих типов распада, при этом одни атомы распадаются одним путем, а другие - другим. Примером является медь-64, который имеет 29 протонов и 35 нейтронов, который распадается с периодом полураспада около 12,7 часов. Этот изотоп имеет один неспаренный протон и один неспаренный нейтрон, поэтому либо протон, либо нейтрон могут распасться на другую частицу, которая имеет противоположную изоспин. Этот конкретный нуклид (хотя и не все нуклиды в данной ситуации) почти с одинаковой вероятностью распадется через позитронное излучение (18%), или через захват электронов (43%), как и за счет электронной эмиссии (39%). Возбужденные энергетические состояния, возникающие в результате этих распадов, которые не заканчиваются в основном энергетическом состоянии, также производят позже внутренняя конверсия и гамма-распад почти в 0,5% случаев.

В тяжелых нуклидах чаще встречается конкуренция между альфа- и бета-распадами. Дочерние нуклиды затем обычно распадаются на бета или альфа, соответственно, и оказываются в одном и том же месте.

Радиоактивный распад приводит к сокращению суммарного покоя масса, как только высвободившаяся энергия ( энергия распада) каким-то образом сбежал. Несмотря на то что энергия распада иногда определяется как связанное с разницей между массой продуктов исходного нуклида и массой продуктов распада, это верно только для измерений массы покоя, когда некоторая энергия была удалена из системы продуктов. Это верно, потому что энергия распада всегда должна нести с собой массу, где бы она ни появлялась (см. масса в специальной теории относительности ) в соответствии с формулой E = MC². Энергия распада первоначально высвобождается как энергия испускаемых фотонов плюс кинетическая энергия массивных испускаемых частиц (то есть частиц, имеющих массу покоя). Если эти частицы попадут в тепловое равновесие с их окружением и фотоны поглощаются, затем энергия распада преобразуется в тепловую энергию, которая сохраняет свою массу.

Таким образом, энергия распада остается связанной с определенной мерой массы системы распада, называемой инвариантная масса, которая не меняется в процессе распада, даже если энергия распада распределяется между распадающимися частицами. Энергия фотонов, кинетическая энергия испускаемых частиц, а затем тепловая энергия окружающей материи - все это способствует инвариантная масса системы. Таким образом, в то время как сумма остальных масс частиц не сохраняется при радиоактивном распаде, система масса и система инвариантная масса (а также полная энергия системы) сохраняется в течение любого процесса распада. Это повторение эквивалентных законов сохранение энергии и сохранение массы.

Режимы распада

Скорость радиоактивного распада

В скорость распада, или же Мероприятиярадиоактивного вещества характеризуется:

Постоянные количества:

• В период полураспада —т_1/2, - время, за которое активность данного количества радиоактивного вещества распадается до половины своего первоначального значения; видеть Список нуклидов.
• В постоянная распада — λ, "лямбда "величина, обратная средней продолжительности жизни (в s⁻¹), иногда называемый просто скорость распада.
• В средняя продолжительность жизни — τ, "тау «средний срок службы (1 /е жизнь) радиоактивной частицы перед распадом.

Хотя это константы, они связаны с статистическое поведение популяций атомов. Как следствие, предсказания с использованием этих констант менее точны для крошечных выборок атомов.

В принципе период полураспада, третья жизнь или даже (1 /√2) -жизнь, может использоваться точно так же, как период полураспада; но средняя жизнь и период полураспада т_1/2 были приняты как стандартные времена, связанные с экспоненциальным затуханием.

Величины, зависящие от времени:

• Общая активность— А, - количество распадов радиоактивного образца в единицу времени.
• Количество частиц—N, это общая количество частиц в образце.
• Специфическая деятельность—S_А, количество распадов в единицу времени на количество вещества в образце за время, установленное на ноль (т = 0). «Количество вещества» может быть массой, объемом или молями исходного образца.

Они связаны следующим образом:

${ displaystyle t_ {1/2} = { frac { ln (2)} { lambda}} = tau ln (2)}$

${ displaystyle A = - { frac { mathrm {d} N} { mathrm {d} t}} = lambda N}$

${ displaystyle S_ {A} a_ {0} = - { frac { mathrm {d} N} { mathrm {d} t}} { bigg |} _ {t = 0} = lambda N_ {0 }}$

куда N₀ - начальное количество активного вещества - вещества, которое имеет такой же процент нестабильных частиц, как и при образовании вещества.

Математика радиоактивного распада

Универсальный закон радиоактивного распада

Математика радиоактивного распада зависит от ключевого предположения о том, что ядро ​​радионуклида не имеет «памяти» или способа перевести свою историю в его нынешнее поведение. Ядро не «стареет» с течением времени. Таким образом, вероятность его разрушения не увеличивается со временем, а остается постоянной независимо от того, сколько времени существует ядро. Эта постоянная вероятность может сильно различаться между одним типом ядер и другим, что приводит к множеству различных наблюдаемых скоростей распада. Однако, какова бы ни была вероятность, со временем она не меняется. Это резко контрастирует со сложными объектами, которые действительно показывают старение, такими как автомобили и люди. У этих стареющих систем действительно есть шанс разрушения в единицу времени, который увеличивается с того момента, как они начинают свое существование.

Агрегированные процессы, такие как радиоактивный распад глыбы атомов, для которых вероятность реализации одного события очень мала, но в которых количество временных интервалов настолько велико, что, тем не менее, существует разумная скорость событий, моделируются распределение Пуассона, которая дискретна. Радиоактивный распад и реакции ядерных частиц два примера таких агрегированных процессов.^[21] Математика пуассоновских процессов сводится к закону экспоненциальный спад, который описывает статистическое поведение большого количества ядер, а не одного отдельного ядра. В следующем формализме количество ядер или популяция ядер N, конечно, дискретная переменная (a натуральное число ) - но для любого физического образца N настолько велик, что его можно рассматривать как непрерывную переменную. Дифференциальное исчисление используется для моделирования поведения ядерного распада.

Однократный процесс

Рассмотрим случай нуклида А это распадается на другое B каким-то образом А → Б (выброс других частиц, например электронные нейтрино
ν
_е и электроны е⁻ как в бета-распад, не имеют значения в дальнейшем). Распад нестабильного ядра полностью случайен во времени, поэтому невозможно предсказать, когда распадется конкретный атом. Однако с равной вероятностью он распадется в любой момент времени. Следовательно, для образца конкретного радиоизотопа количество событий распада −dN ожидается, что произойдет через небольшой промежуток времени dт пропорционально количеству присутствующих атомов N, то есть^[22]

${ displaystyle - { frac { mathrm {d} N} { mathrm {d} t}} propto N}$

Определенные радионуклиды распадаются с разной скоростью, поэтому каждый имеет свою постоянную распада λ. Ожидаемый распад −dN/N пропорциональна приращению времени, dт:

Знак минус означает, что N уменьшается с увеличением времени, поскольку события распада следуют одно за другим. Решение этого первого порядка дифференциальное уравнение это функция:

${ Displaystyle N (t) = N_ {0} , e ^ {- { lambda} t}}$

куда N₀ это ценность N вовремя т = 0, с постоянной распада, выраженной как λ^[22]

У нас есть на все времена т:

${ Displaystyle N_ {A} + N_ {B} = N _ { mathrm {total}} = N_ {A0},}$

куда N_Всего - постоянное количество частиц в процессе распада, равное начальному количеству А нуклиды, так как это исходное вещество.

Если количество неразложившихся А ядер это:

${ Displaystyle N_ {A} = N_ {A0} e ^ {- { lambda} t}}$

то количество ядер B, т.е. количество распавшихся А ядер, является

${ displaystyle N_ {B} = N_ {A0} -N_ {A} = N_ {A0} -N_ {A0} e ^ {- { lambda} t} = N_ {A0} left (1-e ^ { - { lambda} t} right).}$

Число распадов, наблюдаемых за данный интервал, подчиняется Статистика Пуассона. Если среднее количество распадов ⟨N⟩, вероятность заданного числа распадов N является^[22]

${ Displaystyle P (N) = { frac { langle N rangle ^ {N} exp (- langle N rangle)} {N!}}.}$

Цепные процессы распада

Цепочка двух распадов

Теперь рассмотрим случай цепочки из двух распадов: одного нуклида А распадаясь на другого B одним процессом, то B распадаясь на другого C вторым процессом, т.е. А → Б → В. Предыдущее уравнение нельзя применить к цепочке распадов, но можно обобщить следующим образом. С А распадается на B, тогда B распадается на C, деятельность А добавляет к общему количеству B нуклиды в данном образце, перед те B нуклиды распадаются и уменьшают количество нуклидов, ведущих к более позднему образцу. Другими словами, количество ядер второго поколения B возрастает в результате распада ядер первого поколения А, и уменьшается в результате собственного распада на ядра третьего поколения C.^[23] Сумма этих двух слагаемых дает закон цепочки распада двух нуклидов:

${ displaystyle { frac { mathrm {d} N_ {B}} { mathrm {d} t}} = - lambda _ {B} N_ {B} + lambda _ {A} N_ {A}. }$

Скорость изменения N_B, то есть dN_B/ дт, связано с изменением количества А и B, N_B может увеличиваться как B производится из А и уменьшаются как B производит C.

Переписываем с использованием предыдущих результатов:

Нижние индексы просто относятся к соответствующим нуклидам, т.е. N_А количество нуклидов типа А; N_А0 - начальное количество нуклидов типа А; λ_А - постоянная распада для А - и аналогично для нуклида B. Решение этого уравнения для N_B дает:

${ displaystyle N_ {B} = { frac {N_ {A0} lambda _ {A}} { lambda _ {B} - lambda _ {A}}} left (e ^ {- lambda _ { A} t} -e ^ {- lambda _ {B} t} right).}$

В случае, когда B стабильный нуклид (λ_B = 0) это уравнение сводится к предыдущему решению:

${ displaystyle lim _ { lambda _ {B} rightarrow 0} left [{ frac {N_ {A0} lambda _ {A}} { lambda _ {B} - lambda _ {A}} } left (e ^ {- lambda _ {A} t} -e ^ {- lambda _ {B} t} right) right] = { frac {N_ {A0} lambda _ {A} } {0- lambda _ {A}}} left (e ^ {- lambda _ {A} t} -1 right) = N_ {A0} left (1-e ^ {- lambda _ { A} t} right),}$

как показано выше для одного распада. Решение можно найти коэффициент интеграции метод, где интегрирующий коэффициент е^λ_Bт. Этот случай, пожалуй, наиболее полезен, так как он позволяет получить как уравнение с одним распадом (выше), так и уравнение для цепочек с несколькими распадами (ниже) более непосредственно.

Цепочка любого количества распадов

В общем случае любого числа последовательных распадов в цепочке распадов, т. Е. А₁ → А₂ ··· → А_я ··· → А_D, куда D это количество распадов и я фиктивный индекс (я = _{1, 2, 3, ...D}), каждую популяцию нуклидов можно найти в терминах предыдущей популяции. В таком случае N₂ = 0, N₃ = 0,..., N_D = 0. Используя приведенный выше результат в рекурсивной форме:

${ displaystyle { frac { mathrm {d} N_ {j}} { mathrm {d} t}} = - lambda _ {j} N_ {j} + lambda _ {j-1} N _ {( j-1) 0} e ^ {- lambda _ {j-1} t}.}$

Общее решение рекурсивной проблемы дается формулой Уравнения Бейтмана:^[24]

Альтернативные режимы распада

Во всех приведенных выше примерах исходный нуклид распадается всего на один продукт.^[25] Рассмотрим случай одного исходного нуклида, который может распадаться на любой из двух продуктов, то есть А → Б и А → С в параллели. Например, в образце калий-40, 89,3% ядер распадаются на кальций-40 и 10,7% до аргон-40. У нас есть на все времена т:

${ Displaystyle N = N_ {A} + N_ {B} + N_ {C}}$

что является постоянным, поскольку общее количество нуклидов остается постоянным. Дифференциация по времени:

${ displaystyle { begin {align} { frac { mathrm {d} N_ {A}} { mathrm {d} t}} & = - left ({ frac { mathrm {d} N_ {B) }} { mathrm {d} t}} + { frac { mathrm {d} N_ {C}} { mathrm {d} t}} right) - lambda N_ {A} & = - N_ {A} left ( lambda _ {B} + lambda _ {C} right) конец {выровнено}}}$

определение постоянная полного распада λ по сумме частичные константы распада λ_B и λ_C:

${ displaystyle lambda = lambda _ {B} + lambda _ {C}.}$

Решение этого уравнения для N_А:

${ displaystyle N_ {A} = N_ {A0} e ^ {- lambda t}.}$

куда N_А0 - начальное количество нуклида A. При измерении образования одного нуклида можно наблюдать только общую константу распада λ. Константы распада λ_B и λ_C определить вероятность того, что распад приведет к образованию продуктов B или C следующим образом:

${ displaystyle N_ {B} = { frac { lambda _ {B}} { lambda}} N_ {A0} left (1-e ^ {- lambda t} right),}$

${ displaystyle N_ {C} = { frac { lambda _ {C}} { lambda}} N_ {A0} left (1-e ^ {- lambda t} right).}$

потому что фракция λ_B/λ ядер распадаются на B в то время как фракция λ_C/λ ядер распадаются на C.

Следствия законов распада

Вышеупомянутые уравнения также могут быть записаны с использованием величин, связанных с количеством частиц нуклида. N в образце;

• Активность: А = λN.
• В количество вещества: п = N/L.
• В масса: м = Mn = MN/L.

куда L = 6.02214076×10²³ моль^−1[26] это Константа Авогадро, M это молярная масса вещества в кг / моль, а количество вещества п в родинки.

Время распада: определения и отношения

Постоянная времени и средний срок службы

Для однократного распада А → Б:

${ Displaystyle N = N_ {0} , e ^ {- { lambda} t} = N_ {0} , e ^ {- t / tau}, , !}$

уравнение указывает, что постоянная распада λ имеет единицы т⁻¹, и поэтому также может быть представлен как 1 /τ, куда τ - характерное время процесса, называемое постоянная времени.

В процессе радиоактивного распада эта постоянная времени также является средняя продолжительность жизни для распадающихся атомов. Каждый атом «живет» в течение конечного количества времени, прежде чем он распадется, и можно показать, что это среднее время жизни является среднее арифметическое всех времен жизни атомов, и что это τ, который снова связан с постоянной спада следующим образом:

${ displaystyle tau = { frac {1} { lambda}}.}$

Эта форма верна и для двухраспадных процессов одновременно А → В + С, вставив эквивалентные значения констант распада (как указано выше)

${ displaystyle lambda = lambda _ {B} + lambda _ {C} ,}$

в раствор распада приводит к:

${ displaystyle { frac {1} { tau}} = lambda = lambda _ {B} + lambda _ {C} = { frac {1} { tau _ {B}}} + { гидроразрыв {1} { tau _ {C}}} ,}$

Моделирование множества идентичных атомов, подвергающихся радиоактивному распаду, начиная с 4 атомов (слева) или 400 (справа). Число вверху указывает, сколько период полураспада истекли.

Период полураспада

Чаще используется параметр период полураспада Т_1/2. Для образца конкретного радионуклида период полураспада - это время, необходимое для распада половины атомов радионуклида. Для случая однораспадных ядерных реакций:

${ Displaystyle N = N_ {0} , e ^ {- { lambda} t} = N_ {0} , e ^ {- t / tau}, , !}$

период полураспада связан с постоянной распада следующим образом: установить N = N₀/2 и т = Т_1/2 чтобы получить

${ displaystyle t_ {1/2} = { frac { ln 2} { lambda}} = tau ln 2.}$

Эта взаимосвязь между периодом полураспада и постоянной распада показывает, что высокорадиоактивные вещества быстро расходуются, а те, которые излучают слабо, сохраняются дольше. Период полураспада известных радионуклидов широко варьируется, от более 10²⁴ лет для почти стабильного нуклида ¹²⁸Te, до 2,3 x 10⁻²³ секунд для очень нестабильных нуклидов, таких как ⁷ЧАС.

Фактор пер (2) в приведенных выше отношениях вытекает из того факта, что понятие «период полураспада» - это просто способ выбора другой основы, отличной от естественной основы е для выражения жизни. Постоянная времени τ это е -1 -жизнь, время пока только 1 /е остается около 36,8%, а не 50% периода полураспада радионуклида. Таким образом, τ длиннее, чем т_1/2. Следующее уравнение может быть доказано как действительное:

${ Displaystyle N (t) = N_ {0} , e ^ {- t / tau} = N_ {0} , 2 ^ {- t / t_ {1/2}}. , !}$

Поскольку радиоактивный распад является экспоненциальным с постоянной вероятностью, каждый процесс можно так же легко описать с различным постоянным периодом времени, который (например) дал его "(1/3) -жизнь" (сколько времени до тех пор, пока не останется только 1/3) или «(1/10) -жизнь» (период времени до тех пор, пока не останется только 10%) и так далее. Таким образом, выбор τ и т_1/2 для времени маркера, только для удобства и по соглашению. Они отражают фундаментальный принцип лишь постольку, поскольку показывают, что такая же пропорция данного радиоактивного вещества будет распадаться в течение любого периода времени, который вы выберете.

Математически п^th жизнь для вышеупомянутой ситуации может быть найдена таким же образом, как и выше - путем установки N = N₀/ п, т = Т_1/п и подставив в раствор распада, чтобы получить

${ displaystyle t_ {1 / n} = { frac { ln n} { lambda}} = tau ln n.}$

Пример для углерода-14

Углерод-14 имеет период полураспада 5730 лет и скорость распада 14 распадов в минуту (dpm) на грамм природного углерода.

Если обнаружено, что артефакт имеет радиоактивность 4 dpm на грамм его нынешнего C, мы можем определить приблизительный возраст объекта, используя приведенное выше уравнение:

${ Displaystyle N = N_ {0} , e ^ {- t / tau},}$

куда: ${ displaystyle { frac {N} {N_ {0}}} = 4/14 приблизительно 0,286,}$

${ displaystyle tau = { frac {T_ {1/2}} { ln 2}} приблизительно 8267}$ годы,

${ displaystyle t = - tau , ln { frac {N} {N_ {0}}} приблизительно 10356}$ годы.

Изменение скорости распада

Режимы радиоактивного распада захват электронов и внутренняя конверсия известны своей слабой чувствительностью к химическим воздействиям и воздействиям окружающей среды, которые изменяют электронную структуру атома, что, в свою очередь, влияет на присутствие 1 с и 2 с электроны, участвующие в процессе распада. Пострадало небольшое количество преимущественно легких нуклидов. Например, химические связи может влиять на скорость захвата электронов в небольшой степени (обычно менее 1%) в зависимости от близости электронов к ядру. В ⁷Be, разница между периодами полураспада в металлической и изолирующей средах составляет 0,9%.^[27] Этот относительно большой эффект объясняется тем, что бериллий представляет собой небольшой атом, валентные электроны которого находятся в 2 с атомные орбитали, которые подвержены захвату электронов в ⁷Потому что (как и все s атомные орбитали во всех атомах) они естественным образом проникают в ядро.

В 1992 году Юнг и др. группы исследования тяжелых ионов Дармштадта наблюдали ускоренное β⁻ распад ¹⁶³Dy⁶⁶⁺. Хотя нейтральный ¹⁶³Dy - стабильный изотоп, полностью ионизированный ¹⁶³Dy⁶⁶⁺ подвергается β⁻ распад в оболочки K и L к ¹⁶³Хо⁶⁶⁺ с периодом полураспада 47 дней.^[28]

Рений-187 еще один яркий пример. ¹⁸⁷Re нормально бета-распад к ¹⁸⁷Ос с период полураспада 41,6 × 10⁹ годы,^[29] но исследования с использованием полностью ионизированных ¹⁸⁷Re атомы (голые ядра) обнаружили, что это может уменьшиться всего до 33 лет. Это приписывается "связанное состояние β⁻ распад "полностью ионизированного атома - электрон вылетает в" К-оболочку "(1 с атомная орбиталь), чего не может быть для нейтральных атомов, в которых все низколежащие связанные состояния заняты.^[30]

Пример суточных и сезонных изменений отклика детектора гамма-излучения.

В ряде экспериментов было обнаружено, что скорости распада других видов искусственных и естественных радиоизотопов с высокой степенью точности не зависят от внешних условий, таких как температура, давление, химическая среда, а также электрические, магнитные или гравитационные поля.^[31] Сравнение лабораторных экспериментов за последнее столетие, исследования Окло естественный ядерный реактор (который продемонстрировал влияние тепловых нейтронов на ядерный распад), а также астрофизические наблюдения спада светимости далеких сверхновых (которые происходили далеко, поэтому свету потребовалось много времени, чтобы добраться до нас), например, убедительно указывают на то, что невозмущенный скорости распада были постоянными (по крайней мере, в пределах малых экспериментальных ошибок) как функция времени.^{[нужна цитата ]}

Недавние результаты предполагают возможность того, что скорость распада может иметь слабую зависимость от факторов окружающей среды. Было высказано предположение, что измерения скорости распада кремний-32, марганец-54, и радий-226 имеют небольшие сезонные колебания (порядка 0,1%).^[32][33][34] Однако такие измерения очень чувствительны к систематическим ошибкам, и последующая статья^[35] не нашел никаких доказательств такой корреляции у семи других изотопов (²²Na, ⁴⁴Ti, ¹⁰⁸Ag, ¹²¹Sn, ¹³³Ба, ²⁴¹Являюсь, ²³⁸Pu) и устанавливает верхние пределы размера любых таких эффектов. Распад радон-222 когда-то сообщалось, что он демонстрирует большие 4% -ные сезонные колебания от пика до пика (см. график),^[36] которые предлагалось связать либо с Солнечная вспышка активности или удаленности от Солнца, но подробный анализ недостатков конструкции эксперимента, а также сравнения с другими, гораздо более строгими и систематически контролируемыми экспериментами опровергают это утверждение.^[37]

Аномалия GSI

Неожиданная серия экспериментальных результатов по скорости распада тяжелых высоко заряженный радиоактивный ионы циркулирует в кольцо для хранения вызвало теоретическую активность в попытке найти убедительное объяснение. Ставки слабый обнаружено, что распад двух радиоактивных частиц с периодом полураспада около 40 и 200 с колебательный модуляция, с периодом около 7 с.^[38]Наблюдаемое явление известно как Аномалия GSI, так как накопительное кольцо является объектом на GSI Центр исследования тяжелых ионов имени Гельмгольца в Дармштадт, Германия. Поскольку процесс распада производит электронное нейтрино некоторые из предлагаемых объяснений наблюдаемых колебаний скорости используют свойства нейтрино. Первоначальные идеи, связанные с колебание вкуса встретил скептически.^[39] Более недавнее предложение включает разницу масс между массами нейтрино. собственные состояния.^[40]

Теоретические основы явления распада

Эта секция возможно содержит оригинальные исследования. Пожалуйста Улучши это к проверка заявленные претензии и добавление встроенные цитаты. Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. (Октябрь 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В нейтроны и протоны которые составляют ядра, а также другие частицы, которые подходят достаточно близко к ним, регулируются несколькими взаимодействиями. В сильная ядерная сила, не наблюдается у знакомых макроскопический шкала, является самой мощной силой на субатомных расстояниях. В электростатическая сила почти всегда имеет значение, а в случае бета-распад, то слабая ядерная сила также участвует.

Совместное действие этих сил приводит к ряду различных явлений, в которых энергия может высвобождаться в результате перегруппировки частиц в ядре или превращения одного типа частиц в другие. Этим перестройкам и трансформациям можно препятствовать энергетически, так что они не происходят немедленно. В некоторых случаях случайный квантовые вакуумные флуктуации Теоретически способствуют релаксации к более низкому энергетическому состоянию («распад») в явлении, известном как квантовое туннелирование. Радиоактивный распад период полураспада нуклидов было измерено в масштабе времени 55 порядков, от 2,3 × 10⁻²³ секунд (для водород-7 ) до 6,9 × 10³¹ секунд (для теллур-128 ).^[41] Пределы этих временных масштабов устанавливаются только чувствительностью приборов, и нет известных естественных пределов того, насколько кратковременными.^{[нужна цитата ]} или долго распад период полураспада на радиоактивный распад радионуклид может быть.

Процесс распада, как и все затрудненные преобразования энергии, можно сравнить со снежным полем на горе. В то время как трение между ледяными кристаллами может выдерживать вес снега, система по своей природе нестабильна в отношении состояния с более низкой потенциальной энергией. Таким образом, возмущение облегчило бы путь к состоянию большего энтропия; система переместится в основное состояние, производя тепло, и общая энергия будет распределяться по большему количеству квантовые состояния что привело к лавина. В Всего энергия не меняется в этом процессе, но из-за второй закон термодинамики, лавины наблюдались только в одном направлении, а именно в сторону "основное состояние «- государство с наибольшим количеством способов распределения доступной энергии.

Такой коллапс (гамма-излучение событие распада) требует определенного энергия активации. В случае снежной лавины эта энергия поступает как возмущение извне системы, хотя такие возмущения могут быть сколь угодно малыми. В случае возбужденного атомное ядро распадаясь под действием гамма-излучения в спонтанное излучение электромагнитного излучения сколь угодно малое возмущение исходит от квантовые вакуумные флуктуации.^[42]

Радиоактивное ядро ​​(или любая возбужденная система в квантовой механике) нестабильно и поэтому может спонтанно стабилизироваться до менее возбужденной системы. Результирующее преобразование изменяет структуру ядра и приводит к испусканию фотона или высокоскоростной частицы с массой (например, электрона, альфа-частица, или другой тип).^{[нужна цитата ]}

Возникновение и приложения

Согласно Теория большого взрыва, стабильные изотопы пяти легчайших элементов (ЧАС, Он, и следы Ли, Быть, и B ) были созданы вскоре после появления Вселенной в процессе, называемом Нуклеосинтез Большого взрыва. Эти легчайшие стабильные нуклиды (в том числе дейтерий ) сохранились до наших дней, но любые радиоактивные изотопы легких элементов, образовавшиеся в результате Большого взрыва (например, тритий ) давно распались. Изотопы элементов тяжелее бора вообще не образовались во время Большого взрыва, и эти первые пять элементов не имеют долгоживущих радиоизотопов. Таким образом, все радиоактивные ядра относительно молоды по отношению к рождению Вселенной, образовавшись позже в различных других типах. нуклеосинтез в звезды (особенно, сверхновые ), а также во время продолжающихся взаимодействий между стабильными изотопами и энергичными частицами. Например, углерод-14, радиоактивный нуклид с периодом полураспада всего 5730 лет, постоянно образуется в верхних слоях атмосферы Земли из-за взаимодействия космических лучей и азота.

Нуклиды, образующиеся при радиоактивном распаде, называются радиогенные нуклиды, являются ли они сами стабильный или нет. Существуют стабильные радиогенные нуклиды, образовавшиеся из короткоживущих потухшие радионуклиды в ранней солнечной системе.^[43][44] Дополнительное присутствие этих стабильных радиогенных нуклидов (таких как ксенон-129 из вымерших йод-129 ) на фоне первозданных стабильные нуклиды можно сделать вывод разными способами.

Радиоактивный распад был использован в технике радиоизотопное мечение, который используется для отслеживания прохождения химического вещества через сложную систему (например, живую организм ). Образец вещества синтезирован с высокой концентрацией нестабильных атомов. Присутствие вещества в той или иной части системы определяется путем обнаружения мест распада.

Исходя из того, что радиоактивный распад действительно случайный (а не просто хаотичный ), он использовался в аппаратные генераторы случайных чисел. Поскольку считается, что этот процесс не будет существенно меняться по механизму с течением времени, он также является ценным инструментом для оценки абсолютного возраста определенных материалов. В случае геологических материалов радиоизотопы и некоторые продукты их распада попадают в ловушку при затвердевании горной породы, а затем могут быть использованы (с учетом многих хорошо известных квалификаций) для оценки даты затвердевания. Сюда входит проверка результатов нескольких одновременных процессов и их продуктов друг против друга в пределах одного образца. Аналогичным образом, а также при условии уточнения, можно оценить скорость образования углерода-14 в различные эпохи, дату образования органического вещества в течение определенного периода, связанного с периодом полураспада изотопа, поскольку углерод-14 попадает в ловушку, когда органическое вещество растет и включает новый углерод-14 из воздуха. После этого количество углерода-14 в органическом веществе уменьшается в соответствии с процессами распада, которые также можно независимо проверять другими способами (например, проверять содержание углерода-14 в отдельных кольцах деревьев).

Эффект Сцилларда – Чалмерса

Эффект Сцилларда – Чалмерса - это разрыв химической связи в результате кинетической энергии, передаваемой в результате радиоактивного распада. Он работает путем поглощения нейтронов атомом и последующего испускания гамма излучение, часто со значительным количеством кинетической энергии. Эта кинетическая энергия, по Третий закон Ньютона, отталкивает распадающийся атом, заставляя его двигаться с достаточной скоростью, чтобы разорвать химическую связь.^[45] Этот эффект можно использовать для разделения изотопов химическим путем.

Эффект Сцилларда – Чалмерса был открыт в 1934 г. Лео Сцилард и Томас А. Чалмерс.^[46] Они заметили, что после бомбардировки нейтронами разрыв связи в жидком этилиодиде позволил удалить радиоактивный йод.^[47]

Происхождение радиоактивных нуклидов

Радиоактивный первичные нуклиды найдено в земной шар это остатки древних сверхновая звезда взрывы, произошедшие до образования Солнечная система. Они представляют собой часть радионуклидов, которые выжили с того времени в результате образования первичных солнечных туманность через планету нарастание, и до настоящего времени. Встречающиеся в природе недолговечные радиогенный радионуклиды найдено в сегодняшнем горные породы, дочери тех радиоактивных первичные нуклиды. Другим второстепенным источником естественных радиоактивных нуклидов являются космогенные нуклиды, которые образуются при бомбардировке космическими лучами материала в земной атмосфера или корка. Распад радионуклидов в горных породах Земли. мантия и корка внести значительный вклад в Внутренний тепловой баланс Земли.

Цепочки распада и несколько режимов

Дочерний нуклид распада также может быть нестабильным (радиоактивным). В этом случае он тоже распадется, образуя излучение. Образовавшийся второй дочерний нуклид также может быть радиоактивным. Это может привести к последовательности нескольких событий распада, называемых цепочка распада (см. эту статью для получения подробной информации о важных цепочках естественного распада). В конце концов получается стабильный нуклид. Любые дочерние элементы распада, являющиеся результатом альфа-распада, также приводят к образованию атомов гелия.

Энергетический спектр гамма-излучения урановой руды (врезка). Гамма-лучи излучаются при распаде нуклиды, а энергия гамма-излучения может использоваться для характеристики распада (какой нуклид на какой распадается). Здесь, используя спектр гамма-лучей, несколько нуклидов, характерных для цепочки распада ²³⁸U были идентифицированы: ²²⁶Ра, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Би.

Примером может служить цепочка естественного распада ²³⁸U:

• Уран-238 распадается через альфа-излучение с период полураспада от 4,5 млрд лет до торий-234
• который распадается через бета-излучение с периодом полураспада 24 дня до протактиний-234
• который распадается в результате бета-излучения с периодом полураспада 1,2 минуты до уран-234
• который распадается через альфа-излучение с периодом полураспада 240 тысяч лет до торий-230
• который распадается через альфа-излучение с периодом полураспада 77 тысяч лет до радий-226
• который распадается через альфа-излучение с периодом полураспада 1,6 тысячи лет до радон-222
• который распадается через альфа-излучение с периодом полураспада 3,8 дня до полоний-218
• который распадается через альфа-излучение с периодом полураспада от 3,1 минут до свинец-214
• который распадается посредством бета-излучения с периодом полураспада 27 минут до висмут-214
• который распадается через бета-излучение с периодом полураспада от 20 минут до полоний-214
• который распадается через альфа-излучение с периодом полураспада 160 микросекунд до свинец-210
• распадается в результате бета-излучения с периодом полураспада 22 года до висмут-210
• который распадается в результате бета-излучения с периодом полураспада 5 дней до полоний-210
• который распадается через альфа-излучение с периодом полураспада 140 дней до свинец-206, который является стабильным нуклидом.

Некоторые радионуклиды могут распадаться по-разному. Например, примерно 36% висмут-212 распадается через альфа-излучение до таллий-208 в то время как примерно 64% висмут-212 распадается через бета-излучение до полоний-212. Обе таллий-208 и полоний-212 являются радиоактивными дочерними продуктами висмут-212, и оба распадаются прямо на стабильную свинец-208.

Знаки, предупреждающие об опасности

• 

  Символ трилистника используется для предупреждения о наличии радиоактивного материала или ионизирующего излучения.

• 

  Знак опасности радиоактивности ISO 2007 года, предназначенный для источников МАГАТЭ категорий 1, 2 и 3, определенных как опасные источники, способные привести к смерти или серьезным травмам.^[48]

• 

  Знак классификации перевозки опасных грузов для радиоактивных материалов

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

В соответствии

Общее

• «Радиоактивность», Encyclopædia Britannica. 2006 г. Энциклопедия Britannica Online. 18 декабря 2006 г.
• Радиоактивность Эрнеста Резерфорда Phd, Британская энциклопедия, одиннадцатое издание

внешняя ссылка

• Поиск ядерных данных Lund / LBNL - Содержит табличную информацию о типах и энергии радиоактивного распада.
• Номенклатура ядерной химии
• Конкретная деятельность и связанные темы.
• Живая карта нуклидов - МАГАТЭ
• Интерактивная карта нуклидов
• Веб-сайт общественного образования Общества физики здоровья
• Бич, Чендлер Б., изд. (1914). "Лучи Беккереля". Справочная работа для новых студентов . Чикаго: F. E. Compton and Co.
• Аннотированная библиография по радиоактивности из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос
• Стохастический Java-апплет о распаде радиоактивных атомов Вольфганг Бауэр
• Стохастическое моделирование вспышки распада радиоактивных атомов Дэвид М. Харрисон
• "Анри Беккерель: открытие радиоактивности", статьи Беккереля 1896 года в Интернете и анализ BibNum [щелкните "à télécharger" для английской версии].
• «Радиоактивное изменение», статья Резерфорда и Содди (1903 г.), онлайн и анализ Бибнум [щелкните "à télécharger" для английской версии].