Радиоактивный распад

Сюда перенаправляются «Радиоактивность» и «Радиоактивность». Чтобы узнать о других значениях, см. Радиоактивность (значения) и Радиоактивность (значения) .

Чтобы узнать о распаде частиц в более общем контексте, см. Распад частиц . Дополнительную информацию об опасности различных видов излучения от распада см. в разделе « Ионизирующее излучение» .

Альфа-распад ядра испускает альфа-частицу , состоящую из двух нейтронов и двух протонов; также известное как ядро ​​гелия-4 .

Радиоактивный распад (также известный как ядерный распад , радиоактивность , радиоактивный распад или ядерный распад ) — это процесс, при котором нестабильное атомное ядро ​​теряет энергию из-за излучения . Материал, содержащий нестабильные ядра, считается радиоактивным . Три наиболее распространенных типа распада — это альфа- , бета- и гамма-распад . — Слабое взаимодействие это механизм , ответственный за бета-распад, тогда как два других управляются электромагнетизмом и ядерным взаимодействием .

Радиоактивный распад — случайный процесс на уровне отдельных атомов. Согласно квантовой теории , невозможно предсказать, когда тот или иной атом распадется, независимо от того, как долго он существует. Однако для значительного числа идентичных атомов общая скорость распада может быть выражена как константа распада или период полураспада . Периоды полураспада радиоактивных атомов имеют огромный диапазон; от почти мгновенного до гораздо более продолжительного, чем возраст Вселенной .

Распадающееся ядро ​​называется родительским радионуклидом (или родительским радиоизотопом). ), и в результате этого процесса образуется по крайней мере один дочерний нуклид . За исключением гамма-распада или внутреннего преобразования из ядерного возбужденного состояния , распад представляет собой ядерную трансмутацию, в результате которой образуется дочерний элемент, содержащий другое количество протонов или нейтронов (или того и другого). атом другого химического элемента Когда число протонов меняется, создается .

На Земле существует 28 радиоактивных химических элементов естественного происхождения, состоящих из 35 радионуклидов (семь элементов имеют два разных радионуклида), которые возникли до времени формирования Солнечной системы . Эти 35 известны как первичные радионуклиды . Хорошо известными примерами являются уран и торий , но также сюда входят встречающиеся в природе долгоживущие радиоизотопы, такие как калий-40 .

История открытия

Пьер и Мария Кюри в своей парижской лаборатории, до 1907 года.

Радиоактивность была открыта в 1896 году учёными Анри Беккерелем и Марией Склодовской-Кюри при работе с фосфоресцирующими материалами. Эти материалы светятся в темноте после воздействия света, и Беккерель подозревал, что свечение, создаваемое в электронно-лучевых трубках может рентгеновскими лучами, быть связано с фосфоресценцией. Он обернул фотопластинку черной бумагой и поместил на нее различные фосфоресцирующие соли . Все результаты были отрицательными, пока он не использовал урана соли . Соли урана вызвали почернение пластины, несмотря на то, что она была завернута в черную бумагу. Эти излучения получили название «лучи Беккереля».

Вскоре выяснилось, что почернение пластины не имеет ничего общего с фосфоресценцией, так как почернение вызывают также нефосфоресцирующие соли урана и металлический уран. В результате этих экспериментов стало ясно, что существует форма невидимого излучения, которое может проходить через бумагу и заставлять пластину реагировать так, как будто она подвергается воздействию света.

Поначалу казалось, что новое излучение похоже на недавно открытые рентгеновские лучи. Дальнейшие исследования Беккереля, Эрнеста Резерфорда , Поля Виллара , Пьера Кюри , Марии Кюри и других показали, что эта форма радиоактивности была значительно сложнее. Резерфорд был первым, кто осознал, что все такие элементы распадаются по одной и той же математической показательной формуле. Резерфорд и его ученик Фредерик Содди первыми осознали, что многие процессы распада приводят к превращению одного элемента в другой. Впоследствии был сформулирован закон радиоактивного смещения Фаянса и Содди для описания продуктов альфа- и бета-распада .

Первые исследователи также обнаружили, что многие другие химические элементы , помимо урана, имеют радиоактивные изотопы. Систематический поиск общей радиоактивности в урановых рудах также привел Пьера и Марии Кюри к выделению двух новых элементов: полония и радия . За исключением радиоактивности радия, химическое сходство радия с барием затрудняло различие этих двух элементов.

Исследование радиоактивности Марией и Пьером Кюри является важным фактором в науке и медицине. После того, как исследования лучей Беккереля привели их к открытию радия и полония, они ввели термин «радиоактивность». определить выделение ионизирующего излучения некоторыми тяжелыми элементами. (Позже этот термин был распространен на все элементы.) Их исследования проникающих лучей в уране и открытие радия положили начало эре использования радия для лечения рака. Их исследование радия можно рассматривать как первое мирное использование ядерной энергии и начало современной ядерной медицины .

Ранние

Основная статья: Ионизирующее излучение

Рентгеновский снимок с помощью раннего аппарата с трубкой Крукса в 1896 году. Трубка Крукса видна в центре. Стоящий мужчина рассматривает свою руку через экран флюороскопа ; это был обычный способ установки трубки. Никаких мер предосторожности против радиационного воздействия не принимается; в то время его опасность не была известна.

Опасность ионизирующего излучения, вызванного радиоактивностью и рентгеновскими лучами, не была сразу осознана.

Рентгеновские снимки

Открытие Вильгельмом Рентгеном в 1895 году рентгеновских лучей привело к широкому распространению экспериментов со стороны ученых, врачей и изобретателей. Многие люди начали рассказывать истории об ожогах, выпадении волос и других худших явлениях в технических журналах еще в 1896 году. В феврале того же года профессор Дэниел и доктор Дадли из Университета Вандербильта провели эксперимент с рентгеновским исследованием головы Дадли, в результате которого у него выпали волосы. . Сообщение доктора Х. Д. Хоукса о том, что он получил серьезные ожоги рук и груди во время демонстрации рентгеновских снимков, было первым из многих других сообщений в Electrical Review .

Другие экспериментаторы, в том числе Элиху Томсон и Никола Тесла , также сообщили об ожогах. Томсон намеренно подвергал палец воздействию рентгеновской трубки в течение определенного периода времени, в результате чего он почувствовал боль, отек и образование волдырей. Иногда в причинении ущерба обвиняли и другие воздействия, в том числе ультрафиолетовые лучи и озон. и многие врачи до сих пор утверждали, что рентгеновское воздействие вообще не имело никаких последствий.

Несмотря на это, были проведены первые систематические исследования опасностей, и уже в 1902 году Уильям Герберт Роллинз почти в отчаянии писал, что его предупреждения об опасностях, связанных с небрежным использованием рентгеновских лучей, не были услышаны ни промышленностью, ни его коллегами. К этому времени Роллинз доказал, что рентгеновские лучи могут убить экспериментальных животных, вызвать аборт у беременной морской свинки и убить плод. Он также подчеркнул, что «животные различаются по восприимчивости к внешнему действию рентгеновского света» и предупредил, что эти различия следует учитывать при лечении пациентов с помощью рентгеновских лучей.

Радиоактивные вещества

Радиоактивность свойственна элементам с большими атомными номерами. Элементы, имеющие хотя бы один стабильный изотоп, показаны голубым цветом. Зелёным показаны элементы, период полураспада наиболее стабильного изотопа которых измеряется миллионами лет. Желтый и оранжевый становятся все менее стабильными, их период полураспада составляет тысячи или сотни лет, вплоть до одного дня. Красный и фиолетовый обозначают чрезвычайно радиоактивные элементы, период полураспада которых наиболее стабильных изотопов измеряется порядка одного дня и намного меньше.

Однако биологические эффекты радиации, вызванной радиоактивными веществами, измерить было труднее. Это дало возможность многим врачам и корпорациям продавать радиоактивные вещества как патентованные лекарства . Примерами могут служить радиевые клизмы и радийсодержащие воды для питья в качестве тонизирующих средств. Мария Кюри протестовала против такого обращения, предупредив, что «радий опасен в неподготовленных руках». Позже Кюри умер от апластической анемии , вероятно, вызванной воздействием ионизирующей радиации. К 1930-м годам, после ряда случаев некроза костей и гибели энтузиастов радиевого лечения, радийсодержащие лекарственные средства были в значительной степени удалены с рынка ( радиоактивное шарлатанство ).

Радиационная защита

Основная статья: Радиационная защита

Смотрите также: Зиверт и ионизирующее излучение.

Всего через год после открытия Рентгеном рентгеновских лучей американский инженер Вольфрам Фукс (1896) дал, вероятно, первый совет по защите, но только в 1925 году был проведен первый Международный конгресс радиологов (ICR), на котором рассматривалась возможность создания международные стандарты защиты. Влияние радиации на гены, в том числе влияние на риск развития рака, было признано гораздо позже. В 1927 году Герман Йозеф Мюллер опубликовал исследование, показывающее генетические эффекты, а в 1946 году был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за свои открытия .

Второй ICR был проведен в Стокгольме в 1928 году и предложил принять на вооружение рентгеновскую установку, а также был сформирован Международный комитет по защите от рентгеновского излучения и радия (IXRPC). Рольф Зиверт был назначен председателем, но движущей силой был Джордж Кэй из Британской национальной физической лаборатории . Комитет собирался в 1931, 1934 и 1937 годах.

После Второй мировой войны увеличение количества и количества радиоактивных веществ, с которыми приходится обращаться в результате военных и гражданских ядерных программ, привело к тому, что большие группы профессиональных рабочих и население потенциально подверглись опасному уровню ионизирующей радиации. Этот вопрос рассматривался на первом послевоенном МКР, созванном в Лондоне в 1950 году, когда нынешняя Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ). была создана С тех пор МКРЗ разработала действующую международную систему радиационной защиты, охватывающую все аспекты радиационной опасности.

В 2020 году Гауптманн и другие 15 международных исследователей из восьми стран, среди которых: Институты биостатистики, Регистрационные исследования, Центры эпидемиологии рака, Радиационной эпидемиологии, а также Национальный институт рака США (NCI), Международное агентство по исследованию рака (IARC) ) и Фонд исследования радиационных эффектов Хиросимы с помощью метаанализа окончательно изучили ущерб, нанесенный «малыми дозами», от которых пострадало население, пережившее атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки , а также в результате многочисленных аварий на атомных станциях, произошедших в мир. Эти ученые сообщили в монографиях JNCI: Эпидемиологические исследования низких доз ионизирующего излучения и риска рака, что новые эпидемиологические исследования напрямую подтверждают повышенный риск рака от низких доз ионизирующего излучения. В 2021 году итальянский исследователь Вентури сообщил о первых корреляциях между радиоцезием и раком поджелудочной железы с ролью цезия в биологии, а также при панкреатите и диабете панкреатического происхождения.

Единицы

Графика, показывающая взаимосвязь между радиоактивностью и обнаруженным ионизирующим излучением.

беккерель ( Единицей радиоактивной активности Международной системы единиц (СИ) является Бк ), названный в честь учёного Анри Беккереля . Один Бк определяется как одно преобразование (или распад, или распад) в секунду.

Более старой единицей радиоактивности является кюри Ки, которая первоначально определялась как «количество или масса эманации радия, находящейся в равновесии с одним граммом радия (элемента)». Сегодня кюри определяется как 3,7 × 10. ¹⁰ распадов в секунду, так что 1 кюри (Ки) = 3,7 × 10 ¹⁰ Бк .В целях радиологической защиты, хотя Комиссия по ядерному регулированию США разрешает использовать единицу кюри наряду с единицами СИ, Директивы Европейского Союза о европейских единицах измерения требовали, чтобы его использование в «целях общественного здравоохранения» было прекращено к 31 декабря 1985 года.

Эффекты ионизирующего излучения часто измеряются в единицах серого для механического повреждения или в зивертах для повреждения тканей.

Типы

Радиоактивный распад приводит к уменьшению суммарной массы покоя после того, как высвободившаяся энергия ( энергия распада ) каким-то образом ускользнула. Хотя энергию распада иногда определяют как разницу между массой продуктов исходного нуклида и массой продуктов распада, это справедливо только для измерений массы покоя, когда некоторая энергия была удалена из системы продуктов. Это верно, потому что энергия распада всегда должна нести с собой массу, где бы она ни появлялась (см. массу в специальной теории относительности ) по формуле E = mc ² . Энергия распада первоначально выделяется как энергия испускаемых фотонов плюс кинетическая энергия массивных испускаемых частиц (то есть частиц, имеющих массу покоя). Если эти частицы приходят в тепловое равновесие с окружающей средой и фотоны поглощаются, то энергия распада преобразуется в тепловую энергию, сохраняющую свою массу.

Энергия распада, следовательно, остается связанной с определенной мерой массы распадающейся системы, называемой инвариантной массой , которая не меняется в ходе распада, даже несмотря на то, что энергия распада распределяется между частицами распада. Энергия фотонов, кинетическая энергия испускаемых частиц, а затем и тепловая энергия окружающего вещества вносят вклад в инвариантную массу системы. Таким образом, хотя сумма масс покоя частиц не сохраняется при радиоактивном распаде, масса системы и инвариантная масса системы (а также полная энергия системы) сохраняются на протяжении любого процесса распада. Это повторение эквивалентных законов сохранения энергии и сохранения массы .

Альфа, бета и гамма-распад

Основные статьи: Альфа-распад , Бета-распад и Гамма-распад.

Альфа-частицы можно полностью остановить листом бумаги, бета-частицы — алюминиевой защитой. Гамма-лучи можно уменьшить только с помощью гораздо более существенной массы, например, очень толстого слоя свинца .

Ранние исследователи обнаружили, что электрическое или магнитное поле может расщеплять радиоактивные выбросы на три типа лучей. Лучи получили названия альфа , бета и гамма в порядке возрастания их способности проникать в материю. Альфа-распад наблюдается только у более тяжелых элементов с атомным номером 52 ( теллур ) и выше, за исключением бериллия-8 (который распадается на две альфа-частицы). Остальные два типа распада наблюдаются у всех элементов. Свинец, атомный номер 82, является самым тяжелым элементом, изотопы которого устойчивы (до предела измерения) к радиоактивному распаду. Радиоактивный распад наблюдается во всех изотопах всех элементов с атомным номером 83 ( висмут ) или выше. Однако висмут-209 лишь незначительно радиоактивен, его период полураспада превышает возраст Вселенной; радиоизотопы с чрезвычайно длительным периодом полураспада считаются эффективно стабильными для практических целей.

Диаграмма перехода режимов распада радионуклида с нейтронным номером N и атомным номером Z (показаны α, β ^± , п ⁺ и н ⁰ выбросы, EC означает захват электронов ).

При анализе природы продуктов распада по направлению действия электромагнитных сил , приложенных к излучениям внешними магнитными и электрическими полями, было очевидно, что альфа-частицы несут положительный заряд, бета-частицы — отрицательный, а гамма-лучи нейтральны. По величине отклонения было ясно, что альфа-частицы гораздо массивнее бета-частиц . Пропускание альфа-частиц через очень тонкое стеклянное окно и улавливание их в газоразрядной трубке позволило исследователям изучить спектр излучения захваченных частиц и в конечном итоге доказать, что альфа-частицы являются ядрами гелия . Другие эксперименты показали, что бета-излучение, возникающее в результате распада, и катодные лучи представляют собой высокоскоростные электроны . Точно так же гамма-излучение и рентгеновские лучи оказались электромагнитным излучением высокой энергии .

Взаимосвязь между типами распадов также начала изучаться: например, гамма-распад почти всегда оказывался связанным с другими типами распада и происходил примерно в то же время или позже. Гамма-распад как отдельное явление со своим собственным периодом полураспада (теперь называемым изомерным переходом ) был обнаружен в естественной радиоактивности как результат гамма-распада возбужденных метастабильных ядерных изомеров , которые, в свою очередь, были созданы в результате других типов распада. Хотя чаще всего наблюдались альфа-, бета- и гамма-излучения, со временем были обнаружены и другие типы излучений. Вскоре после открытия позитрона в продуктах космических лучей стало понятно, что тот же процесс, который происходит при классическом бета-распаде, может также производить позитроны ( эмиссия позитронов ) наряду с нейтрино (классический бета-распад производит антинейтрино).

Электронный захват

Основная статья: Захват электрона

Было обнаружено, что при захвате электронов некоторые богатые протонами нуклиды захватывают собственные атомные электроны вместо испускания позитронов, и впоследствии эти нуклиды испускают только нейтрино и гамма-кванты из возбужденного ядра (а часто также оже-электроны и характеристические рентгеновские лучи) . , в результате переупорядочения электронов для заполнения места недостающего захваченного электрона). Эти типы распада включают ядерный захват электронов или эмиссию электронов или позитронов и, таким образом, способствуют перемещению ядра в сторону соотношения нейтронов и протонов, которое имеет наименьшую энергию для данного общего числа нуклонов . Следовательно, это приводит к образованию более стабильного (с более низкой энергией) ядра.

Гипотетический процесс захвата позитронов, аналогичный захвату электронов, теоретически возможен в атомах антивещества, но не наблюдался, поскольку сложные атомы антивещества за пределами антигелия экспериментально недоступны. Для такого распада потребуются атомы антиматерии, по крайней мере, столь же сложные, как бериллий-7 , который является самым легким из известных изотопов обычной материи, подвергающимся распаду путем захвата электронов.

Нуклонная эмиссия

Основные статьи: Нейтронная эмиссия , Кластерная эмиссия и Ядерное деление.

Вскоре после открытия нейтрона в 1932 году Энрико Ферми понял, что некоторые редкие реакции бета-распада немедленно приводят к образованию нейтронов в качестве дополнительной частицы распада, так называемое излучение бета-замедленных нейтронов . Эмиссия нейтронов обычно происходит из ядер, находящихся в возбужденном состоянии, например в возбужденном состоянии. ¹⁷ O* образуется в результате бета-распада ¹⁷ N. Сам процесс эмиссии нейтронов контролируется ядерной силой и поэтому является чрезвычайно быстрым, иногда его называют «почти мгновенным». Изолированная эмиссия протонов в конечном итоге наблюдалась у некоторых элементов. Было также обнаружено, что некоторые тяжелые элементы могут подвергаться спонтанному делению на продукты различного состава. Было обнаружено, что в явлении, называемом распадом кластера , из атомов спонтанно испускаются определенные комбинации нейтронов и протонов, кроме альфа-частиц (ядер гелия).

распада

Было обнаружено, что другие типы радиоактивного распада испускают ранее наблюдавшиеся частицы, но по другим механизмам. Примером является внутренняя конверсия , которая приводит к начальной эмиссии электронов, а затем часто к дальнейшему характерному рентгеновскому излучению и эмиссии оже-электронов , хотя процесс внутренней конверсии не включает ни бета-, ни гамма-распад. Нейтрино не испускается, и ни один из испускаемых электронов и фотонов не возникает в ядре, хотя энергия, необходимая для их испускания, действительно возникает там. Внутренний конверсионный распад, такой как гамма-распад изомерного перехода и эмиссия нейтронов, включает выделение энергии возбужденным нуклидом без превращения одного элемента в другой.

Известны редкие события, включающие комбинацию двух событий типа бета-распада, происходящих одновременно (см. ниже). Любой процесс распада, который не нарушает законов сохранения энергии или импульса (и, возможно, других законов сохранения частиц), может иметь место, хотя не все из них были обнаружены. Интересный пример, обсуждаемый в последнем разделе, — бета-распад рения -187 в связанном состоянии . В этом процессе бета-электронный распад родительского нуклида не сопровождается эмиссией бета-электронов, поскольку бета-частица захватывается K-оболочкой излучающего атома. Как и при всех отрицательных бета-распадах, испускается антинейтрино.

Если энергетические условия благоприятны, данный радионуклид может подвергаться множеству конкурирующих типов распада, при этом одни атомы распадаются по одному пути, а другие - по другому. Примером является медь-64 , имеющая 29 протонов и 35 нейтронов, которая распадается с периодом полураспада 12,7004(13) часов. Этот изотоп имеет один неспаренный протон и один неспаренный нейтрон, поэтому либо протон, либо нейтрон могут распасться на другую частицу, имеющую противоположный изоспин . Этот конкретный нуклид (хотя и не все нуклиды в этой ситуации) с большей вероятностью распадется через бета-плюс-распад ( 61,52(26) % ), чем за счет электронного захвата ( 38,48(26) % ). Возбужденные энергетические состояния, возникающие в результате этих распадов, которые не могут закончиться в основном энергетическом состоянии, также вызывают более позднюю внутреннюю конверсию и гамма-распад почти в 0,5% случаев.

Список режимов затухания

Режимы затухания в NUBASE2020 скрывать

Режим	Имя	Действие	Изменения ядра
а	альфа-излучение	Альфа -частица ( A = 4, Z = 2), вылетевшая из ядра.	( А - 4, Z - 2)
п	эмиссия протонов	Протон , вылетевший из ядра	( А - 1, Z - 1)
2р	2-протонная эмиссия	Два протона вылетели из ядра одновременно	( А - 2, Z - 2)
н	эмиссия нейтронов	Нейтрон , вылетевший из ядра	( А - 1, Я )
2н	2-нейтронная эмиссия	Два нейтрона вылетели из ядра одновременно	( А - 2, Я )
е	захват электрона	Ядро захватывает вращающийся электрон и испускает нейтрино; дочернее ядро ​​остается в возбужденном нестабильном состоянии	( А , Z - 1)
е+	позитронная эмиссия	Ядерный протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и электронное нейтрино.	( А , Z - 1)
б + е + е +	позитронная эмиссия	В NUBASE2020 ß + относится к совокупной скорости захвата электронов (ε) и эмиссии позитронов (e + ): SS + = е + е +	( А , Z - 1)
б −	б − разлагаться	Ядро испускает электрон и электронное антинейтрино.	( А , Я + 1)
б − б − 2б −	двойной б − разлагаться	Ядро испускает два электрона и два антинейтрино.	( А , Я + 2)
б + б + 2б +	двойной б + разлагаться	Ядро испускает два позитрона и два нейтрино.	( А , Z - 2)
б − н	б − -замедленная эмиссия нейтронов	Ядро распадается на β − излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает нейтрон	( А - 1, Z + 1)
б − 2н	б − -замедленная эмиссия 2-нейтронов	Ядро распадается на β − излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает два нейтрона	( А − 2, Z + 1)
б − 3н	б − -замедленная эмиссия 3-нейтронов	Ядро распадается на β − излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает три нейтрона	( А − 3, Z + 1)
б + п	б + -замедленная эмиссия протонов	Ядро распадается на β + излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает протон	( А - 1, Z - 2)
б + 2р	б + -замедленная эмиссия двух протонов	Ядро распадается на β + излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает два протона	( А - 2, Z - 3)
б + 3р	б + -замедленная эмиссия 3-х протонов	Ядро распадается на β + излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает три протона	( А - 3, Z - 4)
б − а	б − -замедленное альфа-излучение	Ядро распадается на β − излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает α-частицу	( А - 4, Z - 1)
б + а	б + -замедленное альфа-излучение	Ядро распадается на β + излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает частицу	( А - 4, Z - 3)
б − д	б − -замедленная эмиссия дейтронов	Ядро распадается на β − излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает дейтрон	( А - 2, Я )
б − т	б − -замедленное испускание тритона	Ядро распадается на β − излучение в возбужденное состояние, которое затем испускает тритон	( А - 3, Я )
компакт-диск	распад кластера	Ядро испускает ядро ​​определенного типа меньшего размера ( A 1 , Z 1 ), которое больше, чем альфа-частица (например, 14 С, 24 Ne)	( А - А 1 , Z - Z 1 ) & ( А 1 , Z 1 )
ЭТО	внутренний (изомерный) переход	Ядро в метастабильном состоянии переходит в состояние с более низкой энергией, испуская фотон или выбрасывая электрон.	( А , Я )
Сан-Франциско	спонтанное деление	Ядро распадается на два или более меньших ядра и другие частицы, каждая из которых может меняться при каждом распаде.	переменная
б + Сан-Франциско	б + -замедленное деление	Ядро распадается на β + излучение в возбужденное состояние, которое затем подвергается спонтанному делению	β+ и переменная
б − Сан-Франциско	б − -замедленное деление	Ядро распадается на β − излучение в возбужденное состояние, которое затем подвергается спонтанному делению	б − & переменная

Цепочки распада и множественные моды

См. Также: Долина стабильности.

Цепочка распада 237-нептуния

Дочерний нуклид распада также может быть нестабильным (радиоактивным). В этом случае он тоже распадется, производя радиацию. Образующийся второй дочерний нуклид также может быть радиоактивным. Это может привести к последовательности из нескольких событий распада, называемой цепочкой распада (конкретные подробности важных естественных цепочек распада см. в этой статье). В конце концов образуется стабильный нуклид. Любые дочерние элементы распада, являющиеся результатом альфа-распада, также приведут к образованию атомов гелия.

Некоторые радионуклиды могут иметь несколько различных путей распада. Например, 35,94(6) % распада висмута -212 посредством альфа-излучения до таллия-208 , а 64,06(6) % распада висмута -212 посредством бета-излучения до полония-212 . И таллий-208 , и полоний-212 являются радиоактивными дочерними продуктами висмута-212, и оба распадаются непосредственно до стабильного свинца-208 .

Возникновение и применение

См. Также: Ядерная капельная линия

Согласно теории Большого взрыва , стабильные изотопы трех легчайших элементов ( H , He и следы Li ) были произведены очень вскоре после возникновения Вселенной в процессе, называемом нуклеосинтезом Большого взрыва . Эти легчайшие стабильные нуклиды (включая дейтерий ) сохранились до наших дней, но любые радиоактивные изотопы легких элементов, образовавшихся в результате Большого взрыва (таких как тритий ), уже давно распались. Изотопы элементов тяжелее бора при Большом взрыве вообще не образовались, и эти первые пять элементов не имеют долгоживущих радиоизотопов. Таким образом, все радиоактивные ядра относительно молоды по отношению к зарождению Вселенной, образовавшись позже в различных других типах нуклеосинтеза в звездах (в частности, в сверхновых ), а также в ходе продолжающихся взаимодействий между стабильными изотопами и энергичными частицами. Например, углерод-14 , радиоактивный нуклид с периодом полураспада всего 5700(30) лет, постоянно производится в верхних слоях атмосферы Земли в результате взаимодействия космических лучей и азота.

Нуклиды, образующиеся в результате радиоактивного распада, называются радиогенными нуклидами они сами , независимо от того, стабильны или нет. Существуют стабильные радиогенные нуклиды, образовавшиеся из короткоживущих вымерших радионуклидов в ранней Солнечной системе. О дополнительном присутствии этих стабильных радиогенных нуклидов (таких как ксенон-129 из вымершего йода-129 ) на фоне первичных стабильных нуклидов можно предположить различными способами.

Радиоактивный распад был использован в технике радиоизотопной маркировки , которая используется для отслеживания прохождения химического вещества через сложную систему (например, живой организм ). Образец вещества синтезирован с высокой концентрацией нестабильных атомов. Присутствие вещества в той или иной части системы определяется путем обнаружения мест событий распада.

Исходя из того, что радиоактивный распад действительно случайен (а не просто хаотичен ), он был использован в аппаратных генераторах случайных чисел . Поскольку считается, что механизм этого процесса не сильно меняется с течением времени, он также является ценным инструментом для оценки абсолютного возраста определенных материалов. Что касается геологических материалов, радиоизотопы и некоторые продукты их распада захватываются при затвердевании горной породы, а затем могут быть позже использованы (с учетом многих хорошо известных оговорок) для оценки даты затвердевания. К ним относится проверка результатов нескольких одновременных процессов и их продуктов друг с другом в пределах одной выборки. Аналогичным образом, а также с учетом уточнений, можно оценить скорость образования углерода-14 в различные эпохи, дату образования органического вещества в течение определенного периода, связанного с периодом полураспада изотопа, поскольку углерод-14 попадает в ловушку, когда органическое вещество растет и включает в себя новый углерод-14 из воздуха. После этого количество углерода-14 в органическом веществе уменьшается в соответствии с процессами распада, которые также можно независимо проверить другими способами (например, проверкой углерода-14 в отдельных древесных кольцах).

Эффект Сциларда-Чалмерса

Эффект Сциларда-Чалмерса представляет собой разрыв химической связи в результате кинетической энергии, передаваемой в результате радиоактивного распада. Он действует путем поглощения нейтронов атомом и последующего испускания гамма-лучей, часто со значительным количеством кинетической энергии. Эта кинетическая энергия, согласно третьему закону Ньютона , отталкивает распадающийся атом, что заставляет его двигаться с достаточной скоростью, чтобы разорвать химическую связь. Этот эффект можно использовать для разделения изотопов химическими методами.

Эффект Силарда-Чалмерса был открыт в 1934 году Лео Силардом и Томасом А. Чалмерсом. Они заметили, что после бомбардировки нейтронами разрыв связи в жидком этилиодиде позволяет удалить радиоактивный йод.

Происхождение радиоактивных нуклидов

Основная статья: Нуклеосинтез

Радиоактивные первичные нуклиды, обнаруженные на Земле, представляют собой остатки древних взрывов сверхновых , произошедших до образования Солнечной системы . Это фракция радионуклидов, сохранившаяся с того времени, за счет образования первичной солнечной туманности , за счет аккреции планет , и до настоящего времени. Встречающиеся в природе короткоживущие радиогенные радионуклиды, обнаруженные в современных горных породах , являются дочерьми этих радиоактивных первичных нуклидов. Другим второстепенным источником встречающихся в природе радиоактивных нуклидов являются космогенные нуклиды Земли , которые образуются в результате бомбардировки космическими лучами материала в атмосфере или коре . Распад радионуклидов в породах мантии и коры Земли вносит значительный вклад во внутренний тепловой баланс Земли .

Тарифы

Скорость распада , или активность , радиоактивного вещества характеризуется следующими не зависящими от времени параметрами:

• Период полураспада — это время , t _1/2 за которое активность данного количества радиоактивного вещества распадется до половины своего первоначального значения.
• Константа распада , λ « лямбда », обратная величина среднего времени жизни (в с ⁻¹ ), иногда называемый просто скоростью затухания .
• Среднее время жизни , τ « тау », среднее время жизни (1/ е жизни) радиоактивной частицы до распада.

Хотя это константы, они связаны со статистическим поведением популяций атомов. Как следствие, предсказания с использованием этих констант менее точны для крошечных выборок атомов.

В принципе, период полураспада, третий период жизни или даже (1/√2)-период можно использовать точно так же, как период полураспада; но средний период жизни и период полураспада t _1/2 были приняты как стандартные времена, связанные с экспоненциальным затуханием.

Эти параметры могут быть связаны со следующими параметрами, зависящими от времени:

• Полная активность (или просто активность ), A , — это количество распадов радиоактивного образца в единицу времени.
• Число частиц N в образце.
• Удельная активность a — это количество распадов в единицу времени на количество вещества образца в момент времени, установленный равным нулю ( t = 0 ). «Количество вещества» может быть массой, объемом или молями исходного образца.

Они связаны следующим образом:

${\begin{aligned}t_{1/2}&={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)\\[2pt]A&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}=\lambda N={\frac {\ln(2)}{t_{1/2}}}N\\[2pt]S_{A}a_{0}&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}{\bigg |}_{t=0}=\lambda N_{0}\end{aligned}}$

где N ₀ - исходное количество действующего вещества - вещества, которое имеет тот же процент нестабильных частиц, что и при образовании вещества.

Математика

Математические детали экспоненциального затухания в общем контексте см. в разделе « экспоненциальный распад» .

Соответствующие выводы с некоторыми дополнительными подробностями см. в разделе Период полураспада .

Аналогичную математику химических реакций 1-го порядка см. в разделе « Последовательные реакции» .

Универсальный закон

Математика радиоактивного распада основана на ключевом предположении, что ядро ​​радионуклида не имеет «памяти» или способа перевода своей истории в свое нынешнее поведение. Ядро не «стареет» с течением времени. Таким образом, вероятность его распада не увеличивается со временем, а остается постоянной, независимо от того, как долго существует ядро. Эта постоянная вероятность может сильно различаться между одним типом ядра и другим, что приводит к множеству различных наблюдаемых скоростей распада. Однако какой бы ни была вероятность, она не меняется со временем. Это резко контрастирует со сложными объектами, которые действительно стареют, такими как автомобили и люди. У этих стареющих систем действительно есть вероятность выхода из строя в единицу времени, которая увеличивается с момента их существования.

Совокупные процессы, такие как радиоактивный распад куска атомов, для которого вероятность реализации одного события очень мала, но в котором количество временных интервалов настолько велико, что, тем не менее, существует разумная частота событий, моделируются с помощью распределение Пуассона , которое является дискретным. Радиоактивный распад и реакции ядерных частиц являются двумя примерами таких совокупных процессов. Математика процессов Пуассона сводится к закону экспоненциального распада , который описывает статистическое поведение большого количества ядер, а не одного отдельного ядра. В следующем формализме количество ядер или популяция ядер N , конечно, является дискретной переменной ( натуральное число ), но для любого физического образца N настолько велико, что его можно рассматривать как непрерывную переменную. Дифференциальное исчисление используется для моделирования поведения ядерного распада.

Однораспадный процесс

Рассмотрим случай, когда нуклид A распадается на другой B в результате некоторого процесса A → B (испускание других частиц, таких как электронные нейтрино
н
_e и электроны e ⁻ как и при бета-распаде , в дальнейшем не имеют значения). Распад нестабильного ядра совершенно случайен во времени, поэтому невозможно предсказать, когда распадется конкретный атом. Однако он с равной вероятностью распадется в любой момент времени. Следовательно, для данного образца конкретного радиоизотопа количество событий распада −d N, которые, как ожидается, произойдут за небольшой интервал времени d t, пропорционально количеству присутствующих атомов N , то есть

$-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\propto N$

Отдельные радионуклиды распадаются с разной скоростью, поэтому каждый имеет свою константу распада λ . Ожидаемое затухание −d N / N пропорционально приращению времени d t :

$-{\frac {\mathrm {d} N}{N}}=\lambda \mathrm {d} t$

Знак минус указывает на то, что N уменьшается с увеличением времени, поскольку события распада следуют одно за другим. Решением этого дифференциального уравнения первого порядка является функция :

$N(t)=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}$

где N ₀ — значение N в момент времени t = 0, с константой затухания, выраженной как λ

У нас есть на все времена т :

$N_{A}+N_{B}=N_{\text{total}}=N_{A0},$

где Nобщ _, — постоянное число частиц на протяжении всего процесса распада, равное исходному числу нуклидов А поскольку это исходное вещество.

Если число нераспавшихся ядер А равно:

$N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}$

тогда число ядер B (т.е. количество распавшихся ядер A ) равно

$N_{B}=N_{A0}-N_{A}=N_{A0}-N_{A0}e^{-\lambda t}=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).$

Число распадов, наблюдаемых за данный интервал, подчиняется статистике Пуассона . Если среднее количество распадов равно ⟨ N ⟩ , вероятность данного количества распадов N равна

$P(N)={\frac {\langle N\rangle ^{N}\exp(-\langle N\rangle )}{N!}}.$

Процессы цепного распада

Цепочка двух распадов

Теперь рассмотрим случай цепочки из двух распадов: один нуклид A распадается в другой B в результате одного процесса, затем B распадается в другой C в результате второго процесса, т. е. A → B → C. Предыдущее уравнение неприменимо к цепочке распада, но его можно обобщить следующим образом. Поскольку A распадается на B , затем B распадается на C , активность A добавляется к общему количеству нуклидов B в текущем образце, прежде чем эти нуклиды B распадутся и уменьшат количество нуклидов, что приведет к образованию более позднего образца. количество ядер второго поколения B увеличивается в результате распада ядер первого поколения A и уменьшается в результате собственного распада на ядра третьего поколения C. Другими словами , Сумма этих двух слагаемых дает закон цепочки распада двух нуклидов:

${\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A}.$

Скорость изменения NB _может , то есть dNB , _A / dt связана с изменениями количества , и и B. , NB _B увеличиваться по мере того, как производится из A уменьшаться по мере того B производит C. как

Переписываем с использованием предыдущих результатов:

${\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A0}e^{-\lambda _{A}t}$

Нижние индексы просто относятся к соответствующим нуклидам, т.е. N _A — количество нуклидов типа A ; N _{A 0} — исходное число нуклидов типа А ; λ _A константа распада для A – и аналогично для нуклида B. – Решение этого уравнения для N _B дает:

$N_{B}={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right).$

В случае, когда B — стабильный нуклид ( λ _B = 0), это уравнение сводится к предыдущему решению:

$\lim _{\lambda _{B}\rightarrow 0}\left[{\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right)\right]={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{0-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-1\right)=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda _{A}t}\right),$

как показано выше для одного распада. Решение можно найти методом коэффициента интегрирования , где коэффициент интегрирования равен e ^{λ _Б т} . Этот случай, пожалуй, наиболее полезен, поскольку он позволяет более непосредственно вывести как уравнение одного распада (вверху), так и уравнение для цепей многократного распада (ниже).

Цепочка любого количества распадов

Для общего случая любого количества последовательных распадов в цепочке распадов, т.е. A ₁ → A ₂ ··· → A _i ··· → A _D , где D — количество распадов, а i — фиктивный индекс ( i = _{1, 2, 3, ... D} ), каждую популяцию нуклидов можно найти через предыдущую популяцию. В этом случае N ₂ = 0 , N ₃ = 0 , ..., N _D = 0 . Используя приведенный выше результат в рекурсивной форме:

${\frac {\mathrm {d} N_{j}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{j}N_{j}+\lambda _{j-1}N_{(j-1)0}e^{-\lambda _{j-1}t}.$

Общее решение рекурсивной задачи дается уравнениями Бейтмана :

«Уравнения Бейтмана»

${\begin{aligned}N_{D}&={\frac {N_{1}(0)}{\lambda _{D}}}\sum _{i=1}^{D}\lambda _{i}c_{i}e^{-\lambda _{i}t}\\[3pt]c_{i}&=\prod _{j=1,i\neq j}^{D}{\frac {\lambda _{j}}{\lambda _{j}-\lambda _{i}}}\end{aligned}}$

Альтернативные режимы

Во всех приведенных выше примерах исходный нуклид распадается только на один продукт. Рассмотрим случай одного исходного нуклида, который может распадаться на любой из двух продуктов, то есть A → B и A → C параллельно. Например, в образце калия-40 89,3% ядер распадаются до кальция-40 и 10,7% до аргона-40 . У нас есть на все времена т :

$N=N_{A}+N_{B}+N_{C}$

который является постоянным, поскольку общее количество нуклидов остается постоянным. Дифференцирование по времени:

${\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} N_{A}}{\mathrm {d} t}}&=-\left({\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\mathrm {d} N_{C}}{\mathrm {d} t}}\right)\\-\lambda N_{A}&=-N_{A}\left(\lambda _{B}+\lambda _{C}\right)\\\end{aligned}}$

определяя полную константу распада λ через сумму частичных констант распада λ _B и λ _C :

$\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}.$

Решение этого уравнения для N _A :

$N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}.$

где N _{A 0} — исходное число нуклида A. При измерении образования одного нуклида можно наблюдать только полную константу распада λ . Константы распада λ _B и λ _C определяют вероятность того, что распад приведет к образованию продуктов B или C следующим образом:

$N_{B}={\frac {\lambda _{B}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right),$

$N_{C}={\frac {\lambda _{C}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).$

потому что фракция λ _B / λ ядер распадается на B, а доля λ _C / λ ядер распадается на C .

Следствия законов

Приведенные выше уравнения также можно записать с использованием величин, связанных с количеством нуклидных частиц N в образце;

• Деятельность: A = λN .
• Количество вещества : n = N / N _A. ​
• Масса ​ : m = Mn = MN / NA _​ .

где N _A = 6,022 140 76 × 10 ²³ моль ⁻¹ – константа Авогадро , M – молярная масса вещества в кг/моль, количество вещества n – в молях .

Время распада:

Постоянная времени и средний срок службы

Для однораспадного решения A → B :

$N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!$

уравнение показывает, что константа распада λ имеет единицы измерения t ⁻¹ , и поэтому может быть также представлен как 1/ τ , где τ — характерное время процесса, называемое постоянной времени .

В процессе радиоактивного распада эта постоянная времени также является средним временем жизни распадающихся атомов. Каждый атом «живет» в течение конечного периода времени, прежде чем он распадется, и можно показать, что это среднее время жизни является средним арифметическим временем жизни всех атомов и что оно равно τ , которое снова связано с константой распада следующим образом: следует:

$\tau ={\frac {1}{\lambda }}.$

Эта форма также верна для процессов двух распадов одновременно A → B + C , вставляя эквивалентные значения констант распада (как указано выше)

$\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}\,$

в раствор распада приводит к:

${\frac {1}{\tau }}=\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}={\frac {1}{\tau _{B}}}+{\frac {1}{\tau _{C}}}\,$

Моделирование множества идентичных атомов, подвергающихся радиоактивному распаду, начиная с 4 атомов (слева) или 400 (справа). Число вверху указывает, сколько периодов полураспада прошло.

Период полураспада

Более часто используемым параметром является период полувыведения Т _1/2 . Для образца определенного радионуклида период полураспада — это время, необходимое для распада половины атомов радионуклида. Для случая ядерных реакций одного распада:

$N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!$

период полураспада связан с константой распада следующим образом: установите N = N ₀ /2 и t = T _1/2, чтобы получить

$t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \ln 2.$

Такая связь между периодом полураспада и константой распада показывает, что высокорадиоактивные вещества быстро расходуются, а слаборадиоактивные сохраняются дольше. Периоды полураспада известных радионуклидов варьируются почти на 54 порядка: от более чем 2,25(9) × 10 ²⁴ лет ( 6,9 × 10 ³¹ сек) для очень почти стабильного нуклида ¹²⁸ 8,6 , до (6) × 10 ⁻²³ секунды для крайне нестабильного нуклида ⁵ Х. ​

Множитель ln(2) в приведенных выше соотношениях является результатом того факта, что концепция «периода полураспада» — это просто способ выбора другого основания, отличного от естественного основания e, для выражения времени жизни. Постоянная времени τ представляет собой период полураспада радионуклида e   -1   , время, пока не останется только 1/ e , около 36,8%, а не 50% в период полураспада радионуклида. Таким образом, τ длиннее t _1/2 . Можно показать, что следующее уравнение справедливо:

$N(t)=N_{0}\,e^{-t/\tau }=N_{0}\,2^{-t/t_{1/2}}.\,\!$

Поскольку радиоактивный распад является экспоненциальным с постоянной вероятностью, каждый процесс можно было бы легко описать с помощью другого постоянного периода времени, который (например) дал его «(1/3)-жизнь» (как долго останется только 1/3) или «(1/10)-жизнь» (период времени, пока не останется только 10%) и так далее. Таким образом, выбор τ и t _1/2 для времени маркера осуществляется только для удобства и по соглашению. Они отражают фундаментальный принцип только в той мере, в какой они показывают, что одна и та же пропорция данного радиоактивного вещества будет распадаться в течение любого выбранного периода времени.

Математически n ^й жизнь для описанной выше ситуации можно найти тем же способом, что и выше, — установив N = N ₀ /n , t = T _{1/ n} и подставив их в решение распада, чтобы получить

$t_{1/n}={\frac {\ln n}{\lambda }}=\tau \ln n.$

Пример для углерода-14

Углерод-14 имеет период полураспада 5700(30) лет. и скорость распада 14 распадов в минуту (dpm) на грамм природного углерода.

Если обнаружено, что радиоактивность артефакта составляет 4 dpm на грамм нынешнего содержания углерода, мы можем определить приблизительный возраст объекта, используя приведенное выше уравнение:

$N=N_{0}\,e^{-t/\tau },$

где:

${\begin{aligned}{\frac {N}{N_{0}}}&=4/14\approx 0.286,\\\tau &={\frac {T_{1/2}}{\ln 2}}\approx 8267{\text{ years}},\\t&=-\tau \,\ln {\frac {N}{N_{0}}}\approx 10356{\text{ years}}.\end{aligned}}$

Изменение ставок

Известно, что режимы радиоактивного распада электронного захвата и внутренней конверсии малочувствительны к химическим воздействиям и воздействиям окружающей среды, изменяющим электронную структуру атома, что, в свою очередь, влияет на наличие 1s- и 2s -электронов, участвующих в процессе распада. Затрагивается небольшое количество нуклидов. Например, химические связи могут в небольшой степени (как правило, менее 1%) влиять на скорость захвата электронов в зависимости от близости электронов к ядру. В ⁷ Между периодами полураспада в металлической и изолирующей среде наблюдалась разница в 0,9%. Этот относительно большой эффект обусловлен тем, что бериллий представляет собой небольшой атом, чьи валентные электроны находятся на 2s- атомных орбиталях , которые подвергаются захвату электронов в ⁷ Потому что (как и все атомные орбитали во всех атомах) они естественным образом проникают в ядро.

В 1992 году Юнг и др. из Дармштадтской группы по исследованию тяжелых ионов наблюдали ускоренное β ⁻ распад ¹⁶³ Те ⁶⁶⁺ . Хотя нейтрально ¹⁶³ Dy — стабильный изотоп, полностью ионизированный ¹⁶³ Те ⁶⁶⁺ подвергается β ⁻ распадается на оболочки K и L до ¹⁶³ К ⁶⁶⁺ с периодом полураспада 47 дней.

Рений-187 — еще один яркий пример. ¹⁸⁷ Re обычно подвергается бета-распаду до ¹⁸⁷ Ос с периодом полураспада 41,6×10. ⁹ годы, но исследования с использованием полностью ионизированного ¹⁸⁷ Атомы Re (голые ядра) обнаружили, что это время может уменьшиться всего до 32,9 лет. Это связано с « связанным состоянием β ⁻ распад » полностью ионизованного атома – электрон вылетает в «К-оболочку» ( 1s атомную орбиталь), чего не может произойти для нейтральных атомов, у которых все низколежащие связанные состояния заняты.

Пример суточных и сезонных изменений отклика детектора гамма-излучения.

Ряд экспериментов показал, что на скорость распада других видов искусственных и естественных радиоизотопов с высокой степенью точности не влияют внешние условия, такие как температура, давление, химическая среда, а также электрические, магнитные или гравитационные поля. Окло Сравнение лабораторных экспериментов за последнее столетие, исследований природного ядерного реактора (который иллюстрировал влияние тепловых нейтронов на ядерный распад) и астрофизических наблюдений за спадом светимости далеких сверхновых (которые произошли так далеко, что свет принял например, очень много времени, чтобы достичь нас), убедительно указывают на то, что скорости невозмущенного распада были постоянными (по крайней мере, в пределах небольших экспериментальных ошибок) как функция времени.

Недавние результаты предполагают возможность того, что скорость распада может иметь слабую зависимость от факторов окружающей среды. Было высказано предположение, что измерения скоростей распада кремния-32 , марганца-54 и радия-226 демонстрируют небольшие сезонные колебания (порядка 0,1%). Однако такие измерения весьма чувствительны к систематическим ошибкам, и в последующей статье не нашел никаких доказательств таких корреляций в семи других изотопах ( ²² что, ⁴⁴ Из, ¹⁰⁸ В, ¹²¹ Сн, ¹³³ Нет, ²⁴¹ Являюсь, ²³⁸ Pu) и устанавливает верхние пределы размера любого такого эффекта. распад радона-222 демонстрирует большие сезонные колебания в 4% от пика к пику (см. график). Когда-то сообщалось, что которые, как предполагалось, были связаны либо с активностью солнечных вспышек , либо с расстоянием от Солнца, но подробный анализ недостатков конструкции эксперимента, а также сравнения с другими, гораздо более строгими и систематически контролируемыми экспериментами опровергают это утверждение.

Аномалия GSI

Основная статья: Аномалия GSI

Неожиданная серия экспериментальных результатов по скорости распада тяжелых высокозаряженных радиоактивных ионов, циркулирующих в накопителе, спровоцировала теоретическую активность в попытках найти убедительное объяснение. Обнаружено, что скорости слабого распада двух радиоактивных частиц с периодами полураспада около 40 с и 200 с имеют значительную колебательную модуляцию с периодом около 7 с. Наблюдаемое явление известно как аномалия GSI , поскольку накопительное кольцо находится на базе Центра исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI в Дармштадте , Германия . Поскольку в процессе распада образуется электронное нейтрино , некоторые из предлагаемых объяснений наблюдаемых колебаний скорости ссылаются на свойства нейтрино. Первоначальные идеи, связанные с колебаниями вкуса, были встречены скептицизмом. Более недавнее предложение касается различий в массах между собственными массами нейтрино .

Теоретическая основа

Нейтроны и протоны, составляющие ядра, а также другие частицы, приближающиеся к ним достаточно близко, управляются несколькими взаимодействиями. Ядерная сила (также известная как остаточная сильная сила ), не наблюдаемая в привычном макроскопическом масштабе, является самой мощной силой на субатомных расстояниях. Электростатическая сила почти всегда значительна, а в случае бета-распада слабое ядерное взаимодействие также участвует .

Совместное действие этих сил приводит к ряду различных явлений, в которых энергия может высвобождаться за счет перестановки частиц в ядре или же превращения одного типа частиц в другие. Эти перестройки и превращения можно энергетически затруднить, чтобы они не произошли немедленно. Период полураспада радиоактивного распада нуклидов измерялся во временных масштабах 54 порядков, от 8,6(6) × 10 ⁻²³ секунд (для водорода-5 ) до 7,10(28) × 10 ³¹ секунды (для теллура-128 ). Границы этих временных рамок определяются только чувствительностью приборов, и не существует известных естественных пределов того, насколько кратковременны или может быть продолжительным период полураспада радиоактивного распада радионуклида.Радиоактивное ядро ​​(или любая возбужденная система в квантовой механике) нестабильно и, таким образом, может спонтанно стабилизироваться в менее возбужденную систему. Возникающее в результате преобразование изменяет структуру ядра и приводит к испусканию либо фотона, либо высокоскоростной частицы, имеющей массу (например, электрон, альфа-частица или другой тип).

Предупреждающие знаки опасности

• 
  Символ трилистника, используемый для предупреждения о присутствии радиоактивных материалов или ионизирующего излучения.
• 
  радиоактивной опасности ISO 2007 года, Символ предназначенный для источников МАГАТЭ категорий 1, 2 и 3, определяемых как опасные источники, способные привести к смерти или серьезным травмам.
• 
  Один из нескольких знаков классификации опасных грузов при перевозке радиоактивных материалов.

См. также

• Актиниды в окружающей среде
• Фоновое излучение
• Чернобыльская катастрофа
• Преступления, связанные с радиоактивными веществами
• Цепь распада
• Коррекция затухания
• Убежище от радиоактивных осадков
• счетчик Гейгера
• Наведенная радиоактивность
• Списки ядерных катастроф и радиоактивных происшествий
• Национальный совет по радиационной защите и измерениям
• Ядерная инженерия
• Ядерная аптека
• Ядерная физика
• Атомная энергетика
• Ядерная цепная реакция
• Распад частиц
• Пуассоновский процесс
• Лучевая терапия
• Радиоактивное загрязнение
• Радиоактивность в биологии
• Радиометрическое датирование
• Стохастический
• Переходное равновесие

Портал ядерных технологий Физический портал

Ссылки

Общие

• «Радиоактивность» , Британская энциклопедия. 2006. Британская энциклопедия Интернет . 18 декабря 2006 г.
• Радиоактивность, Эрнест Резерфорд, доктор философии, Британская энциклопедия, одиннадцатое издание.

Внешние ссылки

• Поиск ядерных данных Лунда / LBNL - содержит табличную информацию о типах и энергиях радиоактивного распада.
• Номенклатура ядерной химии
• Конкретная деятельность и связанные с ней темы .
• Живая карта нуклидов – МАГАТЭ
• Интерактивная диаграмма нуклидов. Архивировано 10 октября 2018 г. на Wayback Machine.
• Веб-сайт общественного образования Общества физики здоровья
• Бич, Чендлер Б., изд. (1914). «Лучи Беккереля» . Справочник нового студента   . Чикаго: FE Compton and Co.
• Аннотированная библиография по радиоактивности из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос. Архивировано 7 октября 2010 г. в Wayback Machine.
• Стохастический Java-апплет о распаде радиоактивных атомов. Архивировано 13 августа 2011 года в Wayback Machine Вольфгангом Бауэром.
• Стохастическое Flash-моделирование распада радиоактивных атомов Дэвида М. Харрисона.
• «Анри Беккерель: открытие радиоактивности», статьи Беккереля 1896 года, опубликованные в Интернете и проанализированные на BibNum [нажмите «à télécharger», чтобы открыть английскую версию] .
• «Радиоактивное изменение», статья Резерфорда и Содди (1903 г.), онлайн и проанализирована на Bibnum [нажмите «télécharger», чтобы открыть английскую версию]