Л.И. Баюров
Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии
Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2009. – 112 с.

Лекция 3. Ядерные превращения

1. Типы ядерных превращений

Ядра многих изотопов являются неустойчивыми из-за нарушения энергии связи между нуклонами. Обладая излишком энергии, такие ядра претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется их первоначальный состав. Ядро атома материнского элемента превращается в ядро другого (дочернего) атома, имеющего новые физико-химические свойства. Переход нестабильных ядер в устойчивое состояние сопровождается α-, β- и γ-излучениями.

Существует три типа ядерных превращений:

1) α-распад. Теория альфа-распада была разработана в 1928 г. независимо друг от друга советским (а затем американским) физиком Георгием (Джорджем) Гамовым, английским ученым Р. Гёрни и американским физиком Эдвардом Кондоном.

При этом типе происходит испускание лучей ядром нестабильного атома, представляющих собой поток α-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей 2p и 2n ядро материнского элемента превращается в ядро дочернего, в котором заряд (порядковый номер) уменьшается на 2, а массовое число — на 4 единицы.

Например:  ₈₈Ra²²⁶ ® ₂He⁴+ ₈₆Rn²²² + Q

В результате α-распада может образоваться дочерний элемент с также неустойчивым ядром. В таком случае он вновь претерпевает либо α, либо другой тип распада.

В основном альфа-распад наблюдается у большинства тяжелых по массе элементов как естественного, так и искусственного происхождения. Известно более 200 α-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за свинцом, которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z=82.

2) β-распад. Этот тип встречается у легких и средних по массе ядер. При этом существуют β⁺ (позитронный) и β^— (электронный) распады. Бета-распад имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости изотопа. Известно около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102).

Позитронный распад происходит с ядрами тех элементов, в которых количество нейтронов меньше, чем в ядрах стабильных изотопов. При этом один из протонов превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон остается в ядре дочернего элемента, а позитрон и нейтрино вылетают из него.

Поэтому в новом ядре образованного при этом элемента будет на один протон меньше и на один нейтрон больше при равной атомной массе.

Например:   ₆C¹¹® ₅B¹¹ + e⁺ +υ +Q

Данный тип распада наблюдается также у N¹³, O¹⁵, F¹⁸, Na²², Co^56,58 и др.

Позитроны были открыты в 1932 г. в потоке космических лучей американским физиком Карлом Андерсоном (Нобелевская премия по физике, 1936).

Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое время из-за аннигиляции с электроном. Так, например, в свинце позитроны аннигилируют, в среднем, за 5×10^-11 сек.

В физике термин «аннигиляция» буквально означающий «исчезновение», «уничтожение» (лат. annihilatio от ad — «к» и nihil — «ничто») принят для наименования процесса, в котором частица и отвечающая ей античастица превращаются в электромагнитное излучение — фотоны или кванты физического поля иной природы. Так, при соударении электрона и его античастицы — позитрона — оба могут исчезнуть, образовав два фотона (γ-кванта).

Электронный распад наблюдается у изотопов тех элементов, в ядрах которых имеется большее число нейтронов в сравнении со стабильными изотопами. В этом случае один из нейтронов превращается в протон, электрон и антинейтрино. При этом протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино вылетают из него. Таким образом, в ядре нового элемента при той же атомной массе будет на один протон больше и на один нейтрон меньше, чем у материнского.

Например:   ₁₅P³²® ₁₆ S³² + e^— +υ^~ + Q

Такой тип распада присущ также радиоизотопам Be¹⁰, Mg²⁷, Si³¹, Cl³⁶, Zr⁸⁶ и др.

3) электронный (K-, L-, М-) захват был открыт в 1937 г. американским физиком Луисом Альваресом (Нобелевская премия по физике, 1968), хотя был предсказан еще в 1935 г. японскими учеными Х.Юкавой и С.Сакатой.

Он происходит в том случае, когда масса (в единицах энергии) материнского атома больше массы дочернего атома на величину, большую энергии связи захватываемого электрона. Если это превышение больше, чем 2 mc² =1,02 МэВ (где m — масса покоя электрона, а с — скорость света), то с электронным захватом начинает конкурировать позитронный, т.е. β⁺— распад.

При этом типе распада происходит захват ядром атома электрона с одной из ближайших орбит. К-захват происходит в 100 раз чаще, чем L. Захваченный ядром электрон, соединяясь с протоном, превращается в нейтрон, а из ядра вылетает нейтрино.

Освободившееся место на К-, L— или М— орбите сразу же заполняется электроном с более отдаленной от ядра орбиты, а сам атом дополнительно испускает квант характеристического рентгеновского излучения.

Например:   ₂₅Mn⁵⁴ + e^—_K ® ₂₄Cr⁵⁴ +υ + C-квант + Q

Такой тип распад присущ также Na²², Al²⁶, Ca⁴¹, Fe⁵², Zn⁶² и ряду др.

Ядра некоторых изотопов могут одновременно подвергаться нескольким типам распада. Так, у самого распространенного на Земле радиоизотопа К⁴⁰ наблюдаются электронный и позитронный распады:

₁₉K⁴⁰ ® ₂₀Ca⁴⁰ + υ^~  + +Q     или     ₁₉K⁴⁰ ® ₁₈Ar⁴⁰ + e⁺ + υ + Q