Файл: Баранов, В. И. Радиогеология учебник.pdf

Г Л А В А I

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОАКТИВНОСТИ

Название «радиоактивность» впервые предложено Кюри для обозначения способности некоторых веществ самопроизвольно ис­ пускать характерные излучения. В дальнейшем это слово стали применять в более широком смысле, а именно:

1. Радиоактивность — способность неустойчивых атомных ядер самопроизвольно переходить в более устойчивые состояния за ко­ нечный промежуток времени. Этот переход всегда сопровождается выделением энергии и подчиняется статистическому закону. В этом

электронов для нейтрального атома равно величине положитель­

численно равен порядковому номеру элемента в периодической

массовому числ^ А. Радиус атомных ядер растет, как корень куби­ ческий из числа нуклонов, т. е. плотность ядер приблизительноодинакова и равна 1,3-10й г/см3. Радиус ядра R приблизительно» равен

9

loCa).

Для изменения нормального состояния электронных оболочек

них электронными оболочками сопровождаются испусканием кван­ тов электромагнитного излучения. При переходе электронов на внешних оболочках атома испускается свет от инфракрасного до ультрафиолетового, энергия квантов которого порядка единиц элек­ трон-вольт. При переходах на ближайших к ядру оболочках излу­ чаются характеристические лучи Рентгена. При удалении элект­ рона из атома получаются атомы, имеющие положительный электрический заряд, — это явление ионизации. При переходе электронов в пределах, связанных с ядром электронных оболочек, происходит процесс возбуждения атома. Химические реакции воз­ никают при взаимодействии электронов, находящихся на внешних оболочках. При всех указанных процессах атом сохраняет свою химическую индивидуальность, которая полностью определяется местом элемента в периодической системе, или, что то же самое, зарядом ядра.

Превращение элемента возможно только тогда, когда удается изменить величину заряда ядра. До открытия радиоактивности не­ однократные попытки превращения химических элементов были безуспешны, так как применяемые воздействия могли повлиять лишь на электронные оболочки атома и не могли .изменить заряд ядра. Искусственно изменить заряд ядра, а следовательно, осуще­ ствить превращение элементов, можно при помощи частиц, про­ никающих внутрь ядра и вызывающих в нем изменения. Радио­ активные ядра способны изменяться самопроизвольно.

Искусственное превращение ядер может быть экзотермическим и эндотермическим. Естественный радиоактивный распад может быть только экзотермическим, т. е. сопровождаться выделением энергии. Следовательно, энергия радиоактивного ядра до распада должна быть больше энергии ядра после распада. При ядерных превращениях выделяется или поглощается настолько большая энергия, что в энергетическом балансе ядерных реакций суще­ ственное значение имеет изменение массы согласно закону взаимо­ связи массы (т) и энергии (Е): Е = тс1, где с — скорость света.

Неустойчивы те атомные ядра, которые имеют больший запас энергии, чем продукты их возможного превращения. К настоящему времени обнаружены следующие самопроизвольные превращения неустойчивых ядер: а-распад, $~- и р+ -распад, £-захват, спонтан-

10

мое деление. Кроме того, возможен так называемый изомерный переход на более низкий уровень энергии с испусканием у-кванта или «конверсионного электрона» без изменения заряда ядра. Для

частицы. Устойчизыми могут быть атомные ядра только сравни­ тельно узких пределов вариаций массового числа при данном по­

4) электронный захват, при котором ядро захватывает элект­ рон из ближайшей к ядру электронной оболочки.

У всех элементов периодической системы могут существовать неустойчивые радиоактивные изотопы, большинство которых полу­ чается искусственным путем: облучением заряженными частицами высокой энергии, преодолевающими потенциальный барьер ядра, или нейтронами, свободно проникающими благодаря отсутствию электрического заряда внутрь ядра. При бомбардировке атомного ядра какой-либо частицей достаточно высокой энергии ядро в мо­ мент удара может выбросить одну или несколько элементарных частиц. При этом может измениться как заряд, так и масса ядра.

11

Ядро может выйти за пределы устойчивой дорожки и в дальней­ шем претерпеть превращение по указанной выше схеме.

Неустойчивое ядро может иметь массу большую, чем масса двух соседних ядер, тогда ядро может распадаться двумя путями. Примером может служить ядро изотопа калия —4 0 К . Это ядро может самопроизвольно превратиться двумя путями: путем р~-рас-

масса 4 0 Са = 39,9625889; масса 4 0 Аг = 39,9623842.

До открытия искусственной радиоактивности каждый естест­ венный радиоактивный изотоп, занимавший определенное место в ряду распада урана или тория, получал собственное название, на­ пример радиоторий (RaTh), радиоактиннй (RaAc) и т. д. Поэтому был смысл говорить- о радиоактивных элементах как определен­ ных индивидуальных веществах. После получения многих сотен искусственных радиоактивных изотопов им не давали собственных названий, а обозначали общепринятым для изотопов способом. Например, 2°Со или 'бС В связи с этим термин «радиоактивный элемент» потерял в большинстве случаев свой смысл, и целесооб­

в ряде случаев характерными компонентами природных соедине­ ний, то иногда удобнее сохранить для них собственные названия. Например, можно говорить о содержании в водах мезотория, ра­ диотория и тория-Х вместо 2 2 8 Ra, 2 2 8 Th, 2 2 4 Ra, но общее название «радиоактивный элемент» необходимо заменить названием «радио­ активный изотоп».

Иногда считают, что методически неправильно различать изо­ топы стабильные и радиоактивные, так как между ними разница не качественная, а лишь количественная. Это надо понимать та­ ким образом, что неустойчивость — общее свойство атомных ядер, но методы исследования недостаточно чувствительны для обнару­ жения радиоактивности так называемых стабильных изотопов. В свете опытных данных и теории атома разделение изотопов на

ся затрата внешней энергии. Среди радиоактивных изотопов могут быть изотопы с ничтожно малой вероятностью превращений. Их

12