Радиоактивность

Радиоактивность — это способность атомов некоторых изотопов самопроизвольно распадаться, испуская излучение. Впервые такое излучение, испускаемое ураном, обнаружил Беккерель, поэтому вначале радиоактивные излучения называли лучами Беккереля. Основной вид радиоактивного распада — выбрасывание из ядра атома альфа-частицы — альфа-распад (см. Альфа-излучение) или бета-частицы — бета-распад (см. Бета-излучение).

При радиоактивном распаде исходный атом превращается в атом другого элемента. В результате выбрасывания из ядра атома альфа-частицы, представляющей собой совокупность двух протонов и двух нейтронов, массовое число образующегося атома (см.) уменьшается на четыре единицы, и он оказывается сдвинутым в таблице Д. И. Менделеева на две клетки влево, так как порядковый номер элемента в таблице равен числу протонов в ядре атома. При выбрасывании бета-частицы (электрон) происходит превращение в ядре одного нейтрона в протон, вследствие  чего образующийся атом оказывается сдвинутым в таблице Д. И. Менделеева на одну клетку вправо. Масса его при этом почти не изменяется. Выбрасывание бета-частицы сопряжено обычно с гамма-излучением  (см.).

Распад любого радиоактивного изотопа происходит по следующему закону: число распадающихся в единицу времени атомов (n) пропорционально числу атомов (N), имеющихся в наличии в данный момент времени, т. е. n=λN; коэффициент λ, называется постоянной радиоактивного распада и связан с периодом полураспада изотопа (Т) соотношением λ= 0,693/T. Указанный закон распада приводит к тому, что за каждый отрезок времени, равный периоду полураспада Т, количество изотопа уменьшается вдвое. Если образующиеся в результате радиоактивного распада атомы оказываются тоже радиоактивными, то происходит их постепенное накопление, пока не установится радиоактивное равновесие между материнским и дочерним изотопами; при этом число атомов дочернего изотопа, образующихся в единицу времени, равно числу атомов, распадающихся за то же время.

Известно свыше 40 естественных радиоактивных изотопов. Большая часть их расположена в трех радиоактивных рядах (семействах): урана-радия, тория и актиния. Все указанные радиоактивные изотопы широко распространены в природе. Присутствие их в горных породах, водах, атмосфере, растительных и живых организмах обусловливает естественную или природную радиоактивность.

Кроме естественных радиоактивных изотопов, сейчас известно около тысячи искусственно радиоактивных. Получают их путем ядерных реакций, в основном в ядерных реакторах (см. Реакторы ядерные). Многие естественные и искусственно радиоактивные изотопы широко используются в медицине для лечения (см. Лучевая терапия) и особенно для диагностики заболеваний (см. Радиоизотопная диагностика). См. также Излучения ионизирующие.

Радиоактивность (от лат. radius — луч и activus — действенный) — способность неустойчивых ядер атомов самопроизвольно превращаться в другие, более устойчивые или стабильные ядра. Такие превращения ядер называются радиоактивными, а сами ядра или соответствующие атомы — радиоактивными ядрами (атомами). При радиоактивных превращениях ядра испускают энергию либо в виде заряженных частиц, либо в виде гамма-квантов электромагнитного излучения или гамма-излучения.

Превращения, при которых ядро одного химического элемента превращается в ядро другого элемента с другим значением атомного номера, называют радиоактивным распадом. Радиоактивные изотопы (см.), образовавшиеся и существующие в природных условиях, называют естественно радиоактивными; такие же изотопы, полученные искусственным путем посредством ядерных реакций,— искусственно радиоактивными. Между естественно и искусственно радиоактивными изотопами нет принципиальной разницы, так как свойства ядер атомов и самих атомов определяются только составом и структурой ядра и не зависят от способа их образования.

Радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем (А. Н. Becquerel), который обнаружил излучение урана (см.), способное вызывать почернение фотоэмульсии и ионизировать воздух. Кюри-Склодовская (М. Curie-Sklodowska) первая измерила интенсивность излучения урана и одновременно с немецким ученым Шмидтом (G. С. Schmidt) обнаружила радиоактивность у тория (см.). Свойство изотопов самопроизвольно испускать невидимое излучение супруги Кюри назвали радиоактивностью. В июле 1898 г. они сообщили об открытии ими в урановой смоляной руде нового радиоактивного элемента полония (см.). В декабре 1898 г. совместно с Бемоном (G. Bemont) они открыли радий (см.).

После открытия радиоактивных элементов ряд авторов (Беккерель, супруги Кюри, Резерфорд и др.) установил, что эти элементы могут испускать три вида лучей, которые по-разному ведут себя в магнитном поле. По предложению Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) эти лучи были названы альфа- (см. Альфа-излучение), бета- (см. Бета-излучение) и гамма-лучами (см. Гамма-излучение). Альфа-лучи состоят из положительно заряженных альфа-частиц (дважды ионизированных атомов гелия Не4); бета-лучи— из отрицательно заряженных частиц малой массы — электронов; гамма-лучи по природе аналогичны рентгеновым лучам и представляют собой кванты электромагнитного излучения.

В 1902 г. Резерфорд и Содди (F. Soddy) объяснили явление радиоактивности самопроизвольным превращением атомов одного элемента в атомы другого элемента, происходящим по законам случайности и сопровождающимся выделением энергии в виде альфа-, бета-и гамма-лучей.



В 1910 г. М. Кюри-Склодовская вместе с Дебьерном (A. Debierne) получила чистый металлический радий и исследовала его радиоактивные свойства, в частности измерила постоянную распада радия. Вскоре был открыт ряд других радиоактивных элементов. Дебьерн и Гизель (F. Giesel) открыли актиний. Ган (О. Halm) открыл радиоторий и мезоторий, Болтвуд (В. В. Boltwood) открыл ионий, Ган и Майтнер (L. Meitner) открыли протактиний. Все изотопы этих элементов радиоактивны. В 1903 г. Пьер Кюри и Лаборд (С. A. Laborde) показали, что препарат радия имеет всегда повышенную температуру и что 1 г радия с продуктами его распада за 1 час выделяет около 140 ккал. В этом же году Рамзай (W. Ramsay) и Содди установили, что в запаянной ампуле с радием содержится газообразный гелий. Работами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Дебьерна и Гизеля было показано, что среди продуктов распада урана и тория имеются быстрораспадающиеся радиоактивные газы, названные эманациями радия, тория и актиния (радон, торон, актинон). Таким образом, было доказано, что при распаде атомы радия превращаются в атомы гелия и радона. Законы радиоактивных превращений одних элементов в другие при альфа- и бета-распадах (законы смещения) были впервые сформулированы Содди, Фаянсом (К. Fajans) и Расселлом (W. J. Russell).

Эти законы заключаются в следующем. При альфа-распаде всегда из исходного элемента получается другой, который расположен в периодической системе Д. И. Менделеева на две клетки левее исходного элемента (порядковый или атомный номер на 2 меньше исходного); при бета-распаде всегда из исходного элемента получается другой элемент, который расположен в периодической системе на одну клетку правее исходного элемента (атомный номер на единицу больше, чем у исходного элемента).

Изучение превращений радиоактивных элементов привело к открытию изотопов, т. е. атомов, которые обладают одинаковыми химическими свойствами и атомными номерами, но отличаются друг от друга по массе и по физическим свойствам, в частности по радиоактивным свойствам (типу излучения, скорости распада). Из большого количества открытых радиоактивных веществ новыми элементами оказались только радий (Ra), радон (Rn), полоний (Ро) и протактиний (Ра), а остальные — изотопами ранее известных урана (U), тория (Th), свинца (Pb), таллия (Tl) и висмута (Bi).

После открытия Резерфордом ядерной структуры атомов и доказательства, что именно ядро определяет все свойства атома, в частности структуру его электронных оболочек и его химические свойства (см. Атом, Ядро атомное), стало ясно, что радиоактивные превращения связаны с превращением атомных ядер. Дальнейшее изучение строения атомных ядер позволило полностью расшифровать механизм радиоактивных превращений.

Первое искусственное превращение ядер — ядерная реакция (см.) — было осуществлено Резерфордом в 1919 г. путем бомбардировки ядер атомов азота альфа-частицами полония. При этом ядра азота испускали протоны (см.) и превращались в ядра кислорода О17. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора бомбардируя альфа-частицами атомы Al. Ядра P30 в отличие от ядер естественно радиоактивных изотопов, при распаде испускали не электроны, а позитроны (см. Космическое излучение) и превращались в стабильные ядра кремния Si30. Таким образом, в 1934 г. были одновременно открыты искусственная радиоактивность и новый вид радиоактивного распада — позитронный распад, или β+-распад.

Супруги Жолио-Кюри высказали мысль о том, что все быстрые частицы (протоны, дейтоны, нейтроны) вызывают ядерные реакции и могут быть использованы для получения естественно радиоактивных изотопов. Ферми (Е. Fermi) с сотр., бомбардируя нейтронами различные элементы, получил радиоактивные изотопы почти всех химических элементов. В настоящее время при помощи ускоренных заряженных частиц (см. Ускорители заряженных частиц) и нейтронов осуществлено большое разнообразие ядерных реакций, в результате которых стало возможным получать любые радиоактивные изотопы.

В 1937 г. Альварес (L. Alvarez) открыл новый вид радиоактивного превращения — электронный захват. При электронном захвате ядро атома захватывает электрон с оболочки атома и превращается в ядро другого элемента. В 1939 г. Ган и Штрассманн (F. Strassmann) открыли деление ядра урана на более легкие ядра (осколки деления) при бомбардировке его нейтронами. В том же году Флеров и Петржак показали, что процесс деления ядер урана осуществляется и без внешнего воздействия, самопроизвольно. Тем самым они открыли новый вид радиоактивного превращения — самопроизвольное деление тяжелых ядер.

В настоящее время известны следующие виды радиоактивных превращений, совершающихся без внешних воздействий, самопроизвольно, в силу только внутренних причин, обусловленных структурой атомных ядер.

1.       Альфа-распад. Ядро с атомным номером Z и массовым числом А испускает альфа-частицу — ядро гелия Не4— и превращается в другое ядро с Z меньшим на 2 единицы и А меньшим на 4 единицы, чем у исходного ядра. В общем виде альфа-распад записывается следующим образом:

где X — исходное ядро, Y—ядро продукта распада.

2.       Бета-распад бывает двух типов: электронный и позитронный, или β-- и β+-распад (см. Бета-излучение). При электронном распаде из ядра вылетают электрон и нейтрино и образуется новое ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z на единицу большим, нем у исходного ядра:

При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино и образуется новое ядро с тем же массовым числом, но с Z на единицу меньшим, чем у исходного ядра:

При бета-распаде в среднем 2/3 энергии ядра уносится частицами нейтрино (нейтральными частицами очень малой массы, очень слабо взаимодействующими с веществом).

3.       Электронный захват (прежнее название К-захват). Ядро захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с К-оболочки, испускает нейтрино и превращается в новое ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z меньше на 1, чем у исходного ядра.

Превращение ядер при электронном захвате и позитронном распаде одинаковое, поэтому эти два вида распада наблюдаются одновременно для одних и тех же ядер, т. е. являются конкурирующими. Так как после захвата электрона с внутренней оболочки атома на его место переходит электрон с одной из более удаленных от ядра орбит, то электронный захват сопровождается всегда испусканием рентгеновского характеристического излучения.

4.       Изомерный переход. После испускания альфа- или бета-частицы некоторые типы ядер находятся в возбужденном состоянии (состоянии с избыточной энергией) и испускают энергию возбуждения в виде гамма-квантов (см.Гамма-излучение). В этом случае при радиоактивном распаде ядро, кроме альфа- или бета-частиц, испускает также гамма-кванты. Так, ядра изотопа Sr90 испускают только β-частицы, ядра Na24 испускают, кроме β-частиц, также гамма-кванты. Большинство ядер находится в возбужденном состоянии очень малые промежутки времени, не поддающиеся измерению (менее 10—9 сек.). Однако лишь относительно небольшое число ядер может находиться в возбужденном состоянии сравнительно большие промежутки времени — до нескольких месяцев. Такие ядра называются изомерами, а соответствующие переходы их из возбужденного состояния в нормальное, сопровождающиеся испусканием только гамма-квантов,— изомерными. При изомерных переходах А и Z ядра не изменяются. Радиоактивные ядра, испускающие только альфа- или бета-частицы, называются чистыми альфа- или бета-излучателями. Ядра, у которых альфа- или бета-распад сопровождается испусканием гамма-квантов, называются гамма-излучателями. Чистыми гамма-излучателями являются только ядра, находящиеся длительное время в возбужденном состоянии, т. е. претерпевающие изомерные переходы.

5.       Самопроизвольное деление ядер. В результате деления из одного ядра образуется два более легких ядра — осколки деления. Так как одинаковые ядра могут делиться различным образом на два ядра, то в процессе деления образуется много различных пар более легких ядер с различными Z и А . При делении освобождаются нейтроны, в среднем 2—3 нейтрона на один акт деления ядра, и гамма-кванты. Все образующиеся при делении осколки являются неустойчивыми и претерпевают β--распад. Вероятность деления является очень малой для урана, но возрастает с увеличением Z. Этим объясняется отсутствие на Земле более тяжелых, чем уран, ядер. В стабильных ядрах существует определенное соотношение между числом протонов и нейтронов, при котором ядро обладает наибольшей устойчивостью, т.е. наибольшей энергией связи частиц в ядре. Для легких и средних ядер наибольшей их устойчивости соответствует примерно равное содержание протонов и нейтронов. Для более тяжелых ядер наблюдается относительное увеличение числа нейтронов в устойчивых ядрах. При избытке в ядре протонов или нейтронов ядра со средним значением А являются неустойчивыми и претерпевают β-- или β+-распады, при которых происходит взаимное превращение нейтрона и протона. При избытке нейтронов (тяжелые изотопы) происходит превращение одного из нейтронов в протон с испусканием электрона и нейтрино:

При избытке протонов (легкие изотопы) происходит превращение одного из протонов в нейтрон с испусканием либо позитрона и нейтрино (β+-распад), либо только нейтрино (электронный захват):

Все тяжелые ядра с атомным номером больше, чему Pb82, являются неустойчивыми вследствие значительного количества протонов, отталкивающих друг друга. Цепочки последовательных альфа- и бета-распадов в этих ядрах происходят до тех пор, пока не образуются устойчивые ядра изотопов свинца. С улучшением экспериментальной техники у все большего количества ядер, считавшихся ранее стабильными, обнаруживают очень медленный радиоактивный распад. В настоящее время известно 20 радиоактивных изотопов с Z меньше 82.

В результате любых радиоактивных превращений количество атомов данного изотопа непрерывно уменьшается. Закон убывания с течением времени количества активных атомов (закон радиоактивного распада) является общим для всех видов превращений и всех изотопов. Он носит статистический характер (применим только для большого количества радиоактивных атомов) и заключается в следующем. Количество активных атомов данного изотопа, распадающихся за единицу времени ΔN/Δt, пропорционально количеству активных атомов N, т. е. за единицу времени распадается всегда одна и та же доля к активных атомов данного изотопа независимо от их количества. Величина к называется постоянной радиоактивного распада и представляет собой долю активных атомов, распадающихся за единицу времени, или относительную скорость распада. к измеряется в единицах, обратных единицам измерения времени, т. е. в сек.-1 (1/сек.), сутки-1, год-1 и т. п., для каждого радиоактивного изотопа имеет свое определенное значение, которое изменяется в очень широких пределах для различных изотопов. Величина, характеризующая абсолютную скорость распада, называется активностью данного изотопа или препарата. Активность 1 г вещества называется удельной активностью вещества.

Из закона радиоактивного распада следует, что убывание количества активных атомов N сначала происходит быстро, а затем все медленнее. Время, в течение которого количество активных атомов или активность данного изотопа уменьшается в два раза, называется периодом полураспада (Т) данного изотопа. Закон убывания N от времени t является экспоненциальным и имеет следующее аналитическое выражение: N=N0e-λt, где N0 — число активных атомов в момент начала отсчета времени (г=0), N — количество активных атомов спустя время t, е — основание натуральных логарифмов (число, равное 2,718...). Между постоянной распада к и периодом полураспада λ существует следующее соотношение: λТ—0,693. Отсюда

Периоды полураспада измеряются в сек., мин. и т. п. и для различных изотопов изменяются в очень широких пределах от малых долей секунды до 10+21 лет. Изотопы, обладающие большими λ и малыми Т, называются короткоживущими, изотопы с малыми λ и большими Т называются долгоживущими. Если активное вещество состоит из нескольких радиоактивных изотопов с различными периодами полураспада, генетически не связанных между собой, то с течением времени активность вещества также будет непрерывно уменьшаться и изотопный состав препарата будет все время изменяться: будет уменьшаться доля короткоживущих изотопов и возрастать доля долгоживущих изотопов. Через достаточно большой промежуток времени практически в препарате останется только самый долгоживущий изотоп. По кривым распада радиоактивных веществ, состоящих из одного или смеси изотопов, можно определить периоды полураспада отдельных изотопов и их относительные активности для любого момента времени.

Законы изменения активности генетически связанных изотопов качественно другие; они зависят от соотношения периодов их полураспада. Для двух генетически связанных изотопов с периодом Т1 для исходного изотопа и Т2 — продукта распада эти законы имеют наиболее простую форму. При T1>T2 активность исходного изотопа Q1 все время убывает по экспоненциальному закону с периодом полураспада Т1. Благодаря распаду ядер исходного изотопа будут образовываться ядра конечного изотопа и его активность Q2 будет возрастать. Спустя определенное время скорость распада ядер второго изотопа (станет близкой к скорости образования ядер этого изотопа из исходного (скорость распада исходного изотопа Q1) и эти скорости будут находиться в определенном и постоянном соотношении все дальнейшее время — наступает радиоактивное равновесие.

Активность исходного изотопа непрерывно убывает с периодом Т1, поэтому после достижения радиоактивного равновесия активность конечного изотопа Q2 и суммарная активность двух изотопов Q1+Q2 будут также убывать с периодом полураспада исходного изотопа Т1. При Т1>Т2 Q2=Q1. Если из исходного долгоживущего изотопа образуется последовательно несколько короткоживущих изотопов, как это имеет место в радиоактивном ряду урана и радия, то после достижения равновесия активности каждого короткоживущего изотопа становятся практически равными активности исходного изотопа. При этом общая активность равна сумме активностей всех короткоживущих продуктов распада и убывает с периодом: полураспада исходного долгоживущего изотопа, как и активность всех изотопов, находящихся в равновесии.

Радиоактивное равновесие достигается практически за время, равное 5—10 периодам полураспада того изотопа из продуктов распада, который имеет наибольший период полураспада. Если T1<T2, то равновесие не может быть осуществлено, так как никогда не достигнет постоянства соотношение между активностями этих изотопов. Отношение Q1 : Q2 будет непрерывно убывать с течением времени от ∞ до 0. Практический интерес представляет случай радиоактивного равновесия, так как оно имеет место во всех цепочках распада естественно радиоактивных элементов: в рядах урана — радия, тория и актиния и в эталонных препаратах радия с продуктами его распада (см. Радий).

К числу естественно радиоактивных изотопов относится около 40 изотопов периодической системы элементов с Z больше 82, которые образуют три последовательных ряда радиоактивных превращений: ряд урана (рис. 1), ряд тория (рис. 2) и ряд актиния (рис. 3). Путем последовательных альфа- и бета-распадов из исходных изотопов ряда получаются конечные устойчивые изотопы свинца.

ряд урана
Рис. 1. Ряд урана.
ряд тория
Рис. 2. Ряд тория.
ряд актиния
Рис. 3. Ряд актиния.

Стрелками на рисунках указаны последовательные радиоактивные превращения с указанием типа распада и процента атомов, претерпевающих распад данного типа. Горизонтальными стрелками обозначены превращения, совершающиеся почти в 100% случаев, а наклонными — в незначительной части случаев. При обозначении изотопов указаны периоды их полураспада. В скобках даны прежние названия членов ряда, указывающие генетическую связь, без скобок — принятые в настоящее время обозначения изотопов, соответствующие их химической и физической природе. В рамки заключены долгоживущие изотопы, а в двойные рамки — конечные стабильные изотопы. Альфа-распад обычно сопровождается очень малоинтенсивным гамма-излучением, часть бета-излучателей испускает интенсивное гамма-излучение. Естественный фон обусловлен природной радиоактивностью—излучением и воздействием естественно радиоактивных изотопов, содержащихся на поверхности Земли, в биосфере и воздухе, и космическим излучением (см.). Кроме указанных изотопов, в различных веществах содержатся также изотоп К40 и около 20 других радиоактивных изотопов с очень большими периодами полураспада (от 109 до 1021 лет), вследствие чего их относительная активность очень мала по сравнению с активностью других изотопов.

Радиоактивные изотопы, содержащиеся в оболочке Земли, играли и играют исключительную роль в развитии нашей планеты, в частности в развитии и сохранении жизни, так как они компенсировали потери тепла, происходящие на Земле, и обеспечивали практическое постоянство температуры на планете в течение многих миллионов лет. Радиоактивные изотопы, подобно всем другим изотопам, содержатся в природе в основном в рассеянном состоянии и присутствуют во всех веществах, растительных и животных организмах.

Вследствие различия физико-химических свойств изотопов относительное содержание их в почвах и водах оказывается неодинаковым. Газообразные продукты распада урана, тория и актиния — торон, радон и актинон — из почвенных вод непрерывно поступают в воздух. Кроме этих газообразных продуктов, в воздухе содержатся также альфа- и бета-активные продукты распада радия, тория и актиния (в виде аэрозолей). Из почвы радиоактивные элементы, как и стабильные, вместе с почвенными водами поступают в растения, поэтому стебли и листья растений всегда содержат уран, радий, торий с продуктами их распада, калий и ряд других изотопов, хотя и в относительно малых концентрациях. В растениях и животных также присутствуют изотопы С14, Н3, Be7 и другие, которые образуются в воздухе под воздействием нейтронов космического излучения. Вследствие того что совершается непрерывный обмен между человеческим организмом и окружающей средой, все радиоактивные изотопы, содержащиеся в пищевых продуктах, воде и воздухе, содержатся и в организме. Изотопы находятся в организме в следующих дозах: в мягких тканях—31 мбэр/год, в костях—44мбэр/год. Доза от космического излучения составляет 80—90 мбэр/год, доза от внешнего гамма-излучения — 60—80 мбэр/год. Суммарная доза равна 140—200 мбэр/год. Доза, падающая на легкие, — 600—800 мбэр/год.

Искусственно радиоактивные изотопы получаются путем бомбардировки стабильных изотопов нейтронами или заряженными частицами в результате различных ядерных реакций, в качестве источников заряженных частиц используются различные типы ускорителей.

Об измерениях потоков и доз различных видов ионизирующих излучений — см. Дозиметрия, Дозы ионизирующих излучений, Нейтрон.

Вследствие того что большие дозы радиации вредно отражаются на здоровье людей, при работе с источниками излучений и радиоактивными изотопами применяются специальные меры защиты (см. Противолучевая защита).

В медицине и биологии изотопы используют для изучения обмена веществ, в диагностических и терапевтических целях (см. Лучевая терапия). Содержание радиоактивных изотопов в организме и динамику их обмена определяют при помощи счетчиков внешнего излучения от человека.