Основные виды радиоактивного распада

11.09.2012

α-распад. В этом случае от ядра отщепляется фрагмент, состоящий из двух протонов и двух нейтронов. Отщепляемая α-частица является по сути ядром гелия (Не). Заряд ядра в результате α-распада снижается на 2 единицы, следовательно, продукт такого превращения становится ядром нового элемента, находящегося в таблице Менделеева на 2 клетки влево от исходного. Масса ядра нового изотопа меньше исходной на 4 единицы, α-распад характерен для элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, после свинца, это почти исключительно естественные радиоактивные элементы - U, Th, Ra. Rn, Bi, Po и др. Среди легких элементов α-распадающиеся изотопы не встречаются.
β-распад бывает у нестабильных изотопов как легких, так и тяжелых элементов. Он известен в трех видах - β-, β+ и электронный захват, которые объединены в одну группу, так как все они связаны с взаимопревращениями нуклонов (нейтрона в протон или, наоборот, протона в нейтрон, табл. 2.6). Возможность таких превращений «элементарных частиц обусловлена тем, что на самом деле они состоят из еще более простых, «фундаментальных» частиц (как стало известно сравнительно недавно, нейтроны и протоны построены из различающихся наборов трех кварков, связанных глюонами и образующих глюонно-кварковый «конденсат»).

β- -распад характерен для ядер с относительной избыточностью нейтронов, диспропорция в соотношении протонов и нейтронов снижается вследствие превращения одного из «лишних» нейтронов в протон (который остается в ядре) и электрон (вылетающий из ядра).
β+-распад, наоборот, происходит у ядер с избытком про тонов (недостатком нейтронов). В этом случае происходит обратное превращение протона в нейтрон с испусканием положительно заряженного позитрона (последний можно рассматривать как античастицу электрона).
Образование при β-распаде электрона или позитрона необходимо для выполнения закона сохранения заряда: при β- -распаде положительный заряд появившегося протона уравновешивается отрицательным зарядом электрона, а при β+ -распаде заряд исчезающего протона переходит к позитрону (см. табл. 2.6).
Вместе с электроном или позитроном при β-распаде возникает и покидает ядро еще одна частица с крайне малой массой, о которой уже шла речь в разделе 2.3, - нейтрино (в паре с позитроном) или антинейтрино (в паре с электроном). Их еще называют позитронное и электронное нейтрино.
Если энергии неустойчивого ядра недостаточно для испускания позитрона, возможен еще один путь снижения избытка протонов в ядре, получивший название электронный захват (ЭЗ). Такое внутриядерное превращение начинается с захвата ядром одного из орбитальных электронов (как правило, из ближайшей к ядру К-оболочки). Электрон проваливается в ядро, и один из протонов преобразуется в нейтрон с одновременным испусканием нейтрино. Образовавшаяся вакансия в К-оболочке сразу же заполняется электроном с L-оболочки, что сопровождается характерным рентгеновским излучением (с энергией, равной разности энергий связи L- и K-электронов).
Изомерный переход (ИП) - это тип радиоактивного превращения, связанный только с β-излучением (никаких других видимых изменений в ядре при этом может не происходить). При радиоактивных превращениях иногда возможно существование ядра в нескольких дискретных состояниях, каждое из которых характеризуется определенным значением энергии. Любые переходы ядра из одного состояния в другое сопровождаются выделением кванта энергии в виде фотонного (β-излучения. Такие переходы могут наблюдаться и совместно с другими ядерными превращениями (по другим типам распада). В случае, когда время существования возбужденных атомов очень невелико (Т1/2 - 10в-15 - 10в-2 с), γ-фотоны появляются практически одновременно с другими частицами, т. е. γ-излучение довольно часто сопровождает α- или β-распад ядер.
Чистый ИП соответствует случаю, когда возбужденное ядро задерживается в этом состоянии на какое-то время. В таких случаях можно говорить о существовании радиоактивных изотопов в виде изомеров, для которых возможны непосредственные переходы из возбужденного состояния в основное, с меньшей энергией, при этом энергия γ-излучения определяется разницей уровней этих двух состоянии.
Оба изомера, возбужденный (метастабильный) и основной, имеют одни и те же значения зарядового и массового чисел, но из-за особенностей в структуре ядра различаются не только по энергии, но и по другим свойствам, например, типом распада. Чтобы их различать, принято добавлять m к массовому числу у метастабильного изотопа.
Зачастую радиоактивны оба изомера, основной и метастабильный, но с разной скоростью распада, например 110nAg (T1/2 = 250 сут.) и 110Ag (T1/2 = 25 с). Однако встречаются и такие пары изомеров, в которых только один является радиоактивным, например; 137mВа (T1/2 = 2,55 мин) и 137Ва (стабильный). Изотопные изомеры могут распадаться также и другими путями, помимо ИП.
Внутренняя конверсия (ВК). Энергия возбуждения ядра (см. выше) не всегда испускается с фотоном, в некоторых случаях она может передаваться одному из орбитальных электронов, т. е. происходит внутренняя конверсия. Испускаемый конверсионный электрон будет иметь энергию меньшую, чем энергия γ-фотона, на величину энергии связи электрона на К- или L-орбите (где он до этого находился). Как и при ЭЗ, после потери электрона на электронных оболочках атома должна произойти перестройка, которая обычно сопровождается характерным рентгеновским излучением.
Долю энергетических переходов, которые заканчиваются вылетом электронов конверсии, называют коэффициентом внутренней конверсии, выраженным в % от общего числа γ-квантов, которые могут в таких переходах образовываться.
Осколочное деление тяжелых ядер (в справочных данных обозначается обычно буквой F - fission) - еще один тип радиоактивного распада, который наиболее важен с точки зрения радиоэкологии, так как в результате него образуется большинство искусственных радионуклидов при техногенных загрязнениях окружающей среды.
Самые тяжелые из известных ядер (с зарядовым числом 90 и выше) крайне неустойчивы, так как имеют очень большой избыток нейронов (в ядре 238U на 92 протона приходится 238 - 92 = 146 нейтронов).
Кроме распада по α-типу, они могут также самопроизвольно (спонтанно) расщепляться на два крупных фрагмента, которые называются осколками деления, при одновременном выделении 2-3 нейтронов и большого количества энергии (до 200 МэВ на одно деление). Правда, вероятность спонтанного деления природных нуклидов очень невелика (у 238U, например, - 1 распад в сутки в 1 кг урана), во такое же расщепление можно спровоцировать дополнительным облучением нейтронами. Попадание еще одного нейтрона в ядро, и без того сильно ими перегруженное, приводит к возбуждению и затем (практически сразу) к делению составного ядра по той же схеме, что и при спонтанном делении. Некоторые из нуклидов, например 235U и 239Рu, особенно эффективно распадаются на осколки в цепных реакциях деления от захвата тепловых (медленных) или быстрых нейтронов. На данном свойстве основано действие атомного оружия и энергетического реактора.
Расщепление ядер при осколочном делении происходит случайным образом, но чаще всего массы двух осколков соотносятся как - 3:2, т. е. один из осколков примерно в 1,5 раза крупнее второго. Практически наблюдаются две области масс осколочных нуклидов, около 85-105 (83Кr, 90Вr, 99Мо, 95Zr, 103,106Ru) и 130-150(131I, 133Xe, 140Ba, 141,144Ce). Ядра первичных осколков деления обычно тоже избыточны по количеству нейтронов и в свою очередь претерпевают несколько последовательных β-распадов. образуя цепочки вторичных продуктов:

Первичные и вторичные продукты осколочного деления в сумме образуют широкий (более 200) набор радионуклидов в диапазоне масс примерно от 70 до 170 (кривая распределения имеет два пика - у масс примерно 90 и 140). По порядковому номеру в таблице Менделеева радиоактивные продукты входят в область от 30(Zn) до 66(Dy), включая ряд элементов переходной группы и лантаноидов, а также большое число радиоактивных изотопов двух инертных газов - Кr и Хе.
При любых изменениях в ядре электронные оболочки атома сразу же «приспосабливаются» к новому заряду ядра, образуя и результате атомы соответствующего элемента со своими химическими свойствами. Каждому типу распада соответствуют определенные правила сдвига, т. е. перемещения распадающегося элемента X по таблице Менделеева в клетку, соответствующую продукту распада Y (табл. 2.7).

Довольно часто радиоактивные атомы распадаются не по одному, а одновременно по нескольким типам превращений. Например, атомы 64Сu превращаются в атомы 64Zn по β-типу (39%), или в атомы 64Ni по β-типу (19%), или по типу электронного захвата (42%). Такой случай называют ветвлением распада, а числа в скобках показывают среднюю вероятность распада (в %) по каждому из механизмов. Более наглядное представление о всех возможных внутриядерных перестройках у радиоактивных изотопов дают схемы распада (рис. 2.4), на которых отмечают также значения энергий излучений. Стрелки, отображающие ядерные превращения, например для α- или β- -распадов, принято показывать влево вниз или вправо вниз от исходного ядра в соответствии с тем, куда согласно правилам сдвига смещается ядро в таблице элементов после радиоактивного превращения. ИП и другие переходы, реализующиеся γ-излучением, показывают на этих схемах вертикально (вниз).

Использование схем распада облегчает подбор наиболее эффективных способов детектирования или идентификации нуклидов с учетом условий и конкретных обстоятельств. В качестве примера рассмотрим ситуацию с одним из важнейших в радиоэкологическом отношении нуклидов 137Cs, схема распада которого приведена на рис. 2.5. В зависимости от имеющейся аппаратуры и характера проб (толщина и плотность образцов) радиоактивность 137Cs можно измерять по β- или по γ-излучению. В первом случае следует отметить, что в составе β- -излучения преобладает мягкая компонента с максимальной энергией 0,514 МэВ (92% всех распадов), жесткое излучение с Еmax = 1,176 МэВ не вносит существенного вклада (всего 8%). Это важно помнить в связи с почти неминуемыми погрешностями измерения, связанными с эффектом самопоглощения в образце. При спектрометрических измерениях по γ-излучению используется обычно линия спектра с энергией 0,662 МэВ. Фактически эти измерения основываются на излучении не от 137Cs, а от метастабильного 137mВа. Измерение по конверсионным электронам (е-) или по рентгеновскому излучению (X) нецелесообразно из-за их малого вклада, т. е. вследствие низкой эффективности счета.