Типы радиоактивных превращений. Все известные виды Р. можно разделить на две группы: элементарные (одноступенчатые) превращения и сложные (двухступенчатые). К первым относятся: 1) , 2) все варианты (с испусканием электрона, позитрона или с захватом орбитального электрона), 3) спонтанное деление ядер, 4) протонная Р., 5) двупротонная Р. 116) двунейтронная Р. В случае b-распада достаточно большое время жизни ядер обеспечивается природой слабых взаимодействий. Все остальные виды элементарных радиоактивных процессов обусловлены ядерными силами. Замедление таких процессов до промежутков времени ³ 10 -12сек вызвано наличием (кулоновского и центробежного), которые затрудняют вылет ядер или ядерных частиц.
К двухступенчатым радиоактивным превращениям относят процессы испускания т. н. запаздывающих частиц: протонов, нейтронов, a-частиц, ядер и 3He, а также запаздывающее спонтанное деление. Запаздывающие процессы включают в себя b-распад как предварительную стадию, обеспечивающую задержку последующего, мгновенного испускания ядерных частиц. Т. о., в случае двухступенчатых процессов критерий Р. относительно времени жизни удовлетворяется только для первой стадии, благодаря её осуществлению за счёт слабых взаимодействий.
Историческая справка. Открытие Р. датировано 1896, когда А. обнаружил испускание ураном неизвестного вида проникающего излучения, названного им радиоактивным. Вскоре была обнаружена Р. тория, а в 1898 супруги М. Кюри и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента - и .Работами Э. и упомянутых учёных было установлено наличие 3 видов излучения радиоактивных элементов - a-, b- и g-лучей - и выявлена их природа. В 1903 Резерфорд и Ф. выяснили, что испускание a-лучей сопровождается превращением химических элементов, например превращением радия в .В 1913 К. (Германия) и Содди независимо сформулировали правило смещения, характеризующее перемещение изотопа в при различных радиоактивных превращениях.
В 1934 супругами И. и Ф. была открыта искусственная Р., которая впоследствии приобрела особенно важное значение. Из общего числа (около 2000) известных ныне радиоактивных изотопов лишь около 300 природные, а остальные получены искусственно, в результате ядерных реакций. Между искусственной и естественной Р. нет принципиального различия. В результате изучения искусственной Р. были открыты новые варианты b-распада - испускание позитронов (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) и (Л. , 1938), предсказанный первоначально Х. и С. Сакатой (Япония, 1935). Впоследствии были обнаружены сложные, включающие b-распад, превращения, в том числе испускание запаздывающих нейтронов (Дж. Даннинг с сотрудниками, США, 1939), запаздывающих протонов (В. А. Карнаухов с сотрудниками, СССР, 1962), запаздывающее деление ядер (Г. Н. с сотрудниками, 1966-71). Предсказана возможность существования запаздывающих излучателей ядер 3H и 3He (Э. Е. Берлович, Ю. Н. Новиков, СССР, 1969). В 1935 И. В. с сотрудниками открыли явление изомерии (существование долгоживущих возбуждённых состояний) у искусственно радиоактивных ядер (см. ). В 1940 К. А. Петржак и Флёров открыли спонтанное деление ядер. Существование протонной активности предполагалось ещё Резерфордом. Перспективы обнаружения 4-го типа Р. и основные его характеристики изучались Б. С. Джелеповым (1951, СССР) и др. Экспериментально элементарный акт радиоактивного распада с испусканием протонов (из изомерного состояния) впервые наблюдали Дж. Черны с сотрудниками (США, 1970). В 1960 В. И. предсказал существование двупротонной Р., а в 1971 Гольданский и Л. К. Пекер (СССР) - двунейтронный радиоактивный распад ядер (только из изомерного состояния).
Закон радиоактивного распада. Единицы радиоактивности. Для процессов радиоактивного распада ядер (и элементарных частиц) характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа активных ядер. Этот закон отражает независимость распада отдельного ядра от остальных ядер. Обычно продолжительность жизни радиоактивных ядер характеризуют периодом полураспада - промежутком времени T 1/2 на протяжении которого число радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое. Поскольку продолжительность жизни отдельного ядра оказывается неопределённой, экспоненциальный закон распада выполняется лишь в среднем, причём тем точнее, чем больше полное число радиоактивных ядер.
Основная единица радиоактивности -
, первоначально определялась как активность 1
гRa. В дальнейшем под 1
кюристали понимать активность радиоактивного препарата, в котором происходит 3,7Ч10
10распадов в
сек. Широко используются дробные единицы (например,
мкюри, мккюри) и кратные единицы (
ккюри, Мкюри)
.Другая единица радиоактивности -
, равна
кюри,что соответствует 10
6в
сек.
Альфа-распад представляет собой самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро
. В результате a-распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы, например:
.
Кинетическая энергия вылетающей a-частицы определяется массами исходного и конечного ядер и a-частицы. Если конечное ядро образуется в возбуждённом состоянии, эта энергия несколько уменьшается, и, напротив, возрастает, если распадается возбуждённое ядро (в последнем случае испускаются т. н. длиннопробежные a-частицы). Энергетический спектр a-частиц дискретный. Период полураспада a-радиоактивных ядер экспоненциально зависит от энергии вылетающих a-частиц (см. ). Теория a-распада, основанная на квантовомеханическом описании проникновения через потенциальный барьер, была развита в 1928 Г. и независимо - англ. физиками Р. Гёрни и Э. Коцдоном.
Известно более 200 a-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за Pb, которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z= 82 (см. ). Известно также около 20 a-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь a-распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N= 84, которые при испускании a-частиц превращаются в ядра с заполненной нейтронной ядерной оболочкой ( N= 82) .Времена жизни a-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3Ч10 -7 сек(для 212Po) до (2-5)Ч10 15лет (природные изотопы 142Ce, 144Nd, 174Hf). Энергия наблюдаемого a-распада лежит в пределах 4-9 Мэв(за исключением длиннопробежных a-частиц) для всех тяжёлых ядер и 2-4,5 Мэвдля редкоземельных элементов.
Бета-распад представляет собой самопроизвольное взаимное превращение протонов и нейтронов, происходящее внутри ядра и сопровождающееся испусканием или поглощением электронов (е
-) или позитронов (е
+), нейтрино (n
e) или антинейтрино (
).
1) Электронный b
--распад:
n®
р+
е
-+
; например,
.
2) Позитронный b
+-распад:
p®
; например,
(
).
3) Электронный захват:
p®
; например,
(
).
Захват электронов происходит с одной из атомных оболочек, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват), реже - со следующих, L-и М-оболочек ( L-и М-захваты), b --распад характерен для нейтроноизбыточных ядер, в которых число нейтронов больше, чем в устойчивых ядрах (а для ядер с Z > 83, если число нейтронов больше, чем в b-стабильных ядрах, испытывающих только a-распад). b +-распад и электронный захват свойственны нейтронодефицитным ядрам, более лёгким, чем устойчивые или b-стабильные ядра. Энергия при b-распаде распределяется между 3 частицами: электроном или позитроном, антинейтрино или нейтрино и конечным ядром; поэтому спектр b-частиц сплошной. Бета-радиоактивные изотопы встречаются у всех элементов периодической системы. Особенностью электронного захвата является слабая зависимость его скорости от химического состояния превращающихся атомов. Ядро захватывает электрон с какой-либо из электронных оболочек атома, а вероятность подобного захвата определяется строением не только внутренней оболочки, отдающей ядру электрон, но и (в меньшей степени) более отдалённых оболочек, в том числе и валентных. Изменение заряда ядра при b-распаде влечёт за собой последующую перестройку («встряску») электронных атомных оболочек, возбуждение, ионизацию атомов и молекул, разрыв химических связей. Химические последствия b-распада (и в меньшей степени др. радиоактивных превращений) являются предметом многочисленных исследований (см. ).
Спонтанное деление представляет собой самопроизвольный распад тяжёлых ядер на два (реже - 3 или 4) осколка - ядра элементов середины периодической системы. Спонтанное деление и a-распад ограничивают возможности получения новых .
Протонная и двупротонная Р. должны представлять собой самопроизвольный распад нейтронодефицитных ядер с испусканием 1 или одновременно 2 протонов, проникающих сквозь кулоновский барьер путём .Причиной возможности двупротонной Р. служит спаривание в ядре протонов с противоположно направленными спинами, сопровождающееся выделением энергии около 2 Мэв.В результате этого испускание из ядра одновременно пары протонов может потребовать затраты меньшей энергии, чем отрыв одного из них от другого, а в ряде случаев может идти даже с выделением энергии (причём за время > 10 -12 сек), тогда как испускание одиночного протона потребовало бы, наоборот, затраты энергии.
Трудности наблюдения протонной и двупротонной Р. обусловлены как коротким (по сравнению с др. типами Р.) временем жизни р- и 2р-радиоактивных ядер, так и тем, что эти ядра характеризуются очень сильным дефицитом нейтронов и потому могут быть получены в ядерных реакциях, сопровождающихся вылетом большого числа нейтронов и поэтому маловероятных. Протонную Р. до сих пор удалось наблюдать (см. выше) лишь при распаде не основного, а возбуждённого (изомерного) состояния ядра 53MCo. Двупротонная Р. так же, как и двунейтронный распад, экспериментально пока не обнаружены.
Гамма-лучи. Ядерные изомеры. Испускание g-квантов сопровождает Р. в тех случаях, когда «дочерние» ядра образуются в возбуждённых состояниях. Время жизни ядер в таких возбуждённых состояниях определяется свойствами ( , , энергией) данного уровня и нижележащих уровней, на которые могут происходить переходы с испусканием g-квантов. Длительность g-переходов резко возрастает с уменьшением их энергии и с увеличением разности моментов исходного и конечного состояний ядра. В ряде случаев эта длительность существенно превышает 10 -10-10 -9 сек,т. е. наряду с основным состоянием данного стабильного или радиоактивного ядра может относительно долго (иногда годы) существовать его метастабильное возбуждённое (изомерное) состояние. Для многих ядерных изомеров наблюдается явление внутренней электронной конверсии: возбуждённое ядро, не излучая g-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие чего один из электронов вылетает из атома. После внутренней конверсии возникает вторичное излучение рентгеновского и оптического диапазона вследствие заполнения одним из электронов освободившегося места и последующих переходов. Участие электронных оболочек в конверсионных переходах приводит к тому, что время жизни соответствующих изомеров зависит (хотя и очень слабо) от химического состояния превращающихся атомов.
Известны изомеры, для которых преобладает не g-излучение с образованием др. состояния того же изотопа, но распад по какому-либо из основных типов Р. Так, изомер
(
T
1/2= 3,7
ч) испытывает, как и основной изотоп
, b-распад; изомер
(
T
1/2= 45
сек)
,как и основной изотоп
, - a-распад; изомер
(
T
1/2= 14
мсек)
-спонтанное деление.
Радиоактивные ряды (семейства). Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными и тогда образованию стабильного изотопа предшествует цепочка из нескольких актов радиоактивного распада. Примерами таких цепочек являются радиоактивные ряды природных изотопов тяжёлых элементов, которые начинаются нуклидами 238U, 235U, 232Th и заканчиваются стабильными изотопами свинца 206РЬ, 207РЬ, 208РЬ. Многие радиоактивные изотопы могут распадаться по 2 или нескольким из перечисленных выше основных типов Р. В результате такой конкуренции разных путей распада возникают разветвления радиоактивных превращений. Для природных радиоактивных изотопов характерны разветвления, обусловленные возможностью a- и b --распадов. Для изотопов трансурановых элементов наиболее распространены разветвления, связанные с конкуренцией a -(реже b --) распадов и спонтанного деления. У нейтронодефицитных ядер зачастую наблюдается конкуренция b +-распада и электронного захвата. Для многих изотопов с нечётными Zи чётными Аоказываются энергетически возможными два противоположных варианта b-распада: b --распад и электронный захват или b -- и b +-распады.
Заключение. Открытие Р. оказало огромное влияние на развитие науки и техники. Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры вещества. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности и многих др. областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям. За работы, связанные с исследованием и применением Р., было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии, в том числе А. Беккерелю, П. и М. Кюри, Э. , Э. Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д. , О. , Э. и Г. , У. и др.
Лит.:Кюри М., Радиоактивность, пер. с франц., 2 изд., М. - Л., 1960; Мурин А. Н., Введение в радиоактивность, Л., 1955; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Гайсинский М. Н., Ядерная химия и ее приложения, пер. с франц., М., 1961; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961; Учение о радиоактивности. История и современность, М., 1973.
В. И. Гольданский, Е. М. Лейкин.
Радиоактивность атмосферы
Радиоакти'вность атмосфе'ры,обусловлена присутствием в атмосфере радиоактивных газов и аэрозолей, попадающих в неё в результате процессов, происходящих в природе, и деятельности человека. Соответственно различают естественную и искусственную Р. а. Естественные радиоактивные газы являются изотопами радона: 222Rn - радон, 220Rn - торон, 219Rn - актинон, и образуются вследствие радиоактивного распада 238U, 232Th и 235U (см. ). Они поступают в атмосферу с почвенным воздухом при обмене его с атмосферным (т. н. эксхаляция) или путём диффузии. При радиоактивном распаде изотопов Rn образуются аэрозольные продукты их распада (см. ), т.к. возникающие при этом химические элементы относятся к металлам и не летучи при обычных условиях (Po, Bi и др.). При этом 232Rn (период полураспада T 1/2= 3,8 сут) распространяется в пределах тропосферы, а его долгоживущие продукты распада 210Pb (RaD), 210Bi (RaE), 210Po (RaF) обнаружены в стратосфере. Содержание 222Rn в воздухе над океанами на 2 порядка ниже, чем над материками, а концентрация над земной поверхностью уменьшается примерно вдвое на каждый кмвысоты. Торон и актинон вследствие малого значения T 1/2(54 секи 3,9 сек) присутствуют только у земной поверхности. Продукт распада торона 212Pb (ThB) с T 1/2=10,6 чобнаруживается в нижней тропосфере. В воздухе над океанами 220Rn, 210Rn и их продукты распада практически отсутствуют.
Основная масса естественных радиоактивных изотопов 7Be, 10Be, 35S, 32P, 33P, 22Na, 14C, 3H), возникающих при взаимодействии космического излучения с ядрами атомов химических элементов, входящих в состав воздуха, образуется в стратосфере, где и отмечаются наибольшие их концентрации.
Искусственные радиоактивные аэрозоли образуются при ядерных взрывах. Через несколько десятков секпосле взрыва они содержат ~ 100 различных радиоактивных изотопов; наиболее токсичными из них считаются 90Sr, 137Cs, 14C, 131I. Высота заброса в атмосферу радиоактивных аэрозолей зависит от мощности и высоты ядерного взрыва, а характер их распространения - от размеров частиц и от высоты заброса их в атмосферу. Наиболее крупные частицы (сотни мкми выше) быстро выпадают из атмосферы, распространяясь всего на сотни кмот места взрыва (локальные выпадения). Однако в случае взрывов мощных ядерных бомб (эквивалентных десяткам мегатонн тринитротолуола) они попадают в стратосферу и, прежде чем выпадут на поверхность Земли, могут пройти в атмосфере тысячи км.Мелкие аэрозоли (размером не более нескольких мкм), попавшие при взрыве в верхнюю тропосферу, обычно распространяются вдоль зонального пояса широт с запада на восток, а заброшенные в стратосферу выпадают на поверхность Земли в пределах всего полушария, а в некоторых случаях - в обоих полушариях, поэтому выпадения этих аэрозолей называются глобальными.
Основной механизм очищения атмосферы от радиоактивных аэрозолей - выпадение осадков (см. ). Среднее время t пребывания радиоактивного аэрозоля в нижней тропосфере (до момента его выпадения на земную поверхность) порядка нескольких сут, а в верхней тропосфере 20-40 сут.Радиоактивные аэрозоли, попавшие в нижние слои стратосферы, имеют t порядка года и выше. Величина t растет с увеличением высоты заброса в стратосферу. Обычно бо'льшая часть радиоактивных продуктов деления остаётся в пределах того полушария, где проведён взрыв ядерной бомбы.
Концентрация продуктов деления в тропосфере растет с высотой. Особенно большой рост отмечается при переходе через тропопазу. В стратосфере максимум концентрации продуктов деления по измерениям до осени 1961 отмечался на высоте 19-23 км(примерно на той же высоте, что и слой максимальной концентрации нерадиоактивного аэрозоля). Радиоактивное загрязнение атмосферы от предприятий атомной промышленности имеет чаще всего локальный характер; однако 85Kr распределён по всей тропосфере.
Изучение распространения в атмосфере естественных радиоактивных аэрозолей, а также продуктов ядерных взрывов позволило получить некоторые характеристики физики атмосферы: скорость вымывания аэрозолей из атмосферы, оценку коэффициента макротурбулентной диффузии и скорости обмена между атмосферами полушарий, а также между стратосферой и тропосферой и т.д.
Лит.:Метеорология и атомная энергия, пер. с англ., под ред. Н. Л. Бызовой и К. П. Махонько, Л., 1971; Кароль И. Л., Радиоактивные изотопы и глобальный перенос в атмосфере, Л., 1972; Израэль Ю. А., Мирные ядерные взрывы и окружающая среда, Л., 1974.
С. Г. Малахов.
Радиоактивность вод
Радиоакти'вность вод,обусловлена присутствием в водах радиоактивных веществ, поступающих из атмосферы и вымываемых из почв и горных пород. В водах присутствуют как естественные радиоактивные изотопы ( 40K, 222Rn, 226Ra, 238U и др.), так и искусственные (в основном 90Sr, 90Y и 137Cs), возникшие вследствие ядерных взрывов. Содержание естественных радиоактивных веществ в водах в зависимости от их происхождения колеблется в значительной степени (см. табл.).
| Происхождение воды | Концентрация в 10 -12 кюри/л | |||
| 40K | 226Ra | 222Rn | 238U | |
| Подземные воды Источники и ручьи Речные воды Озёрные воды Морская вода | - - 8 13 300 | 4 (до 26) до 140 0,2 (до 0,8) 1 (до 8) 0,08 (до 45) | до 200 до 3-10 40,2-0,3 - - | 2,4 (до 40) до 4 0,2 (до 20) 3 0,7 |
Искусственные радиоактивные вещества в воды поступают вместе с осадками из атмосферы (см. ). Так, в результате испытаний ядерного оружия концентрация 90Sr в природных водах до 1968 непрерывно возрастала, достигая в отдельных случаях 10 пкюри/ л.Другой основной источник попадания искусственных радиоактивных веществ в водоёмы - сбросные воды предприятий по производству ядерного топлива.
Лит.:Белоусова И. М., Штуккенберг Ю. М., Естественная радиоактивность, М., 1961; Вопросы ядерной метеорологии. Сб. ст., М., 1962, с. 259-71; Радиоэкология водных организмов, [в. 1-2], Рига, 1972-73.
Г. А. Середа.
Радиоактивность горных пород
Радиоакти'вность го'рных поро'д,определяется содержанием в них радиоактивных элементов - членов
,
,
и радиоактивного изотопа
. Содержание др. радиоактивных изотопов (
,
и др.) существенно не влияет на общую Р. г. п., так как скорость их радиоактивного распада крайне мала. Среднее содержание обоих изотопов урана в земной коре (до глубины 16
км) составляет около 2,5Ч10
-4% (весовых), тория 1,3Ч10
-3%, радиоактивного изотопа калия 0,029%. Кроме того, в горных породах присутствуют продукты распада радиоактивных элементов, которые иногда мигрируют в окружающие породы и образуют в земной коре струи подземных газов (Не, Ar и т.д.). В почвах накапливается Rn, имеющий радиогенное происхождение.
Среди изверженных горных пород наибольшей радиоактивностью обладают кислые (U - 3,5 Ч10 -4; Th - 1,8Ч10 -3), наименьшей - ультраосновные породы (U - 3Ч10 -7; Th - 5Ч10 -7). В кристаллических горных породах радиоактивные элементы частично входят в состав , , , , , сфена и др., а также частично присутствуют в форме окислов, химически не связанных с определёнными минералами.
Содержание радиоактивных элементов в осадочных горных породах (U - 3,2Ч10 -4; Th - 1,1Ч10 -3) определяется их происхождением; максимальные концентрации в органогенных осадках обусловлены присутствием углерода органического происхождения, фосфатов и др. веществ, являющихся важными осадителями урана (напротив, хемогенные осадки - гипс, каменная соль - отличаются низкой радиоактивностью).
В почвах отношение Th к U значительно выше, чем в коренных (массивных) породах, что связано с накоплением Th в неразрушаемых остатках пород и миграцией легкоподвижного U.
В молодых глубоководных морских отложениях наблюдается значительное накопление иония (изотопа Th, члена радиоактивного ряда
), в десятки раз большее по сравнению с равновесным его содержанием в уране. Это обусловлено химическими особенностями иония, благоприятствующими выпадению его из воды с осадками, в отличие от U, удерживающегося в растворе.
Кристаллические породы Луны (базальты, анортозиты) заметно обеднены радиоактивными элементами (U - 0,24Ч10 -4, Th - 1,14Ч10 -4), а породы Венеры характеризуются соотношениями U (2,2Ч10 -4) и Th (6,5Ч10 -4), близкими земным (каменные метеориты соответственно содержат U - 1,5Ч10 -6и Th - 4Ч10 -6).
Английский геолог Дж. Джоли впервые (1905) обратил внимание на то, что Р. г. п. имеет важное значение как источник тепловой энергии Земли. Расчёты показали, что если бы концентрация радиоактивных элементов в объёме всей Земли была такой, как в её поверхностном слое, то суммарное количество тепла, образующегося в результате радиоактивного распада, в несколько десятков раз превышало бы потерю Землёй тепла путём излучения его в мировое пространство; из этого следовал вывод, что все радиоактивные элементы сосредоточены только в верхней зоне земной коры. Такое предположение получило частичное подтверждение в 1970-е гг. после измерения концентрации U и Th (10 -6%) в образцах пород из мантии, извлечённых со дна океанов.
Норвежский учёный В. М. Гольдшмидт показал (1923-27), что содержание радиоактивных элементов в основном в верхней (гранитной) оболочке Земли связано с химическими особенностями (изоморфным вхождением U и Th в их структуру). Выплавление силикатной земной коры из мантии по принципу неизбежно приводит к обогащению коры U, Th и щелочными элементами.
В начальную стадию развития Земли выделение
(см.
), по расчётным данным советского геофизика Е. А. Любимовой, было в 5 раз больше, чем в современную эпоху. Это было связано с большей Р. г. п. вследствие более высокого содержания радиоактивных элементов (главным образом
и
), а также, вероятно, полностью исчезнувших трансурановых элементов. См. также