Радиоактивность - самопроизвольное испускание атомным ядром частиц или частей ядра с изменением внутреннего состава или состояния ядра атома. Ядра (нуклиды), которые распадаются за доступное время измерения называются радиоактивными, распад которых не удалось наблюдать - стабильными. Радиоактивный распад всегда идет с выделением энергии.
Ядра одного элемента с различной массой называются изотопами и обозначаются символом элемента и их округленной массой (в а.е.м.), что численно равно числу нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.
Есть изотопы имеющие одинаковый состав нуклонов и одинаковую округленную массу - они называются ядерными изомерами. Ядерные изомеры имеют разную внутреннюю структуру и немного отличаются точной массой. Некоторые изотопы имеют до 6 ядерных изомеров с периодами полураспада более 100 нс. Если брать более неустойчивые изомерные состояния, то их число может измерятся десятками.
Радиоактивность была открыта в 1896 году Антуаном Беккерелем в процессе исследования люминисценции. Освещая различные соли урана солнечным светом Беккерель помещал их в темную бумагу и ложил на фотопластинку для обнаружения люминисцентного рентгеновского излучения. Но однажды из-за плохой погоды на пластинку положили соль урана без облучения. Тем не менее на пластинке все равно остался отпечаток соли. Значит дело не в люминисценции. Таким образом была обнаружена радиоактивность урана. Беккерель открыл и биологическое действие радиоактивного излучения, получив радиоактивный ожог, когда носил радиоактивное вещество в жилетном кармане.
В 1898 году Мария и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория. Позднее они выделили радиоактивные элементы полоний и радий.
В 1903 году Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом был открыт закон радиоактивного распада.
В 1921 году О. Ган открыл изомерию ядер.
В 1934 году Ирен Кюри и Фредериком Жолио была открыта искусственная радиоактивность.
В 1938 году было открыто деление ядер.
В 1982 году была открыта протонная радиоактивность.
В 1984 году был открыт кластерный распад.
Радиоактивные распады подразделяются по виду излучаемых из ядра частиц. Некоторые ядра обладают несколькими видами радиоактивного распада с различной вероятностью.
α-распад (альфа-распад) - разновидность радиоактивного распада при котором из ядра выбрасывается ядро гелия-4. При этом происходит уменьшение заряда ядра на 2 единицы, а массы - на 4 единицы. Характерен для элементов составляющих 3 группы: легкая, состоящая из изотопов He-5, Li-5, Be-6, Be-8 и B-12, средняя, которая начинается с теллура-105 до цезия-118 и самая обширная тяжелая группа - с неодима-144 до конца таблицы Менделеева. Спектр альфа-частиц дискретный.
Кластерный распад - испускание из ядра более тяжелых ядер, чем гелий-4. Обычно излучаются ядра с массовыми числами кратными 4: углерод-12, магний-24 и др. Данный вид распада встречается значительно реже, чем альфа-распад и обычно характерен для очень тяжелых элементов.
β-распад (бета-распад). Имеет довольно большой список разновидностей. Обычно это испускание из ядра электрона (бета-минус-распад) и антинейтрино или позитрона (бета-плюс-распад) и нейтрино. При бета-минус-распаде заряд ядра увеличивается на единицу без изменения массового числа, при бета-плюс-распаде - уменьшается на единицу без изменения массового числа. Вылетающий позитрон почти сразу аннигиллирует с электронами среды порождая аннигиляционное гамма-излучение. Вылетающий электрон обычно тормозится в среде, часто давая рентгеновское или гамма-излучение. Двойной бета-распад дает вылет одновременно двух бета-минус-частиц. Так как в ядре этот процесс очень затруднен, ядра с двойным бета-распадом имеют самые длинные периоды полураспада. Захват электрона формально относят тоже к бета-распадам. Вместо выброса позитрона, ядро может захватить собственный электрон с ближайшей орбиты с тем же результатом. Двойной захват электрона наблюдался для Ba-130. Спектр бета-частиц является непрерывным, из-за уноса лишней энергии нейтрино.
γ-распад (гамма-распад) в чистом виде наблюдается только при изотопном переходе. Чаще всего гамма-распад сопровождает альфа- или бета-распад. Изотопный переход характерен для изомерных изотопов, при этом не меняется ни заряд ядра, ни массовое число, только осуществляется перестройка внутренней структуры. Унос лишней энергии осуществляет обычно гамма-квант. Спектр гамма-частиц дискретный.
Выброс нуклонов. Характерен для сильно протонизбыточных или нейтронизбыточных ядер. Может выбрасываться один или несколько протонов или нейтронов.
Спонтанный распад - это распад ядра на две, обычно неравные, половины; может происходить с выбросом лишних нейтронов. Характерен для тяжелых ядер и изотопа бериллия-8.
Существует 254 изотопа, период полураспада которых слишком большой для измерения современными методами. Эти изотопы называются стабильными. Есть 22 изотопа период полураспада которых более 1 триллиона лет и еще 7 изотопов период полураспада которых составляет от 10 миллиардов до 1 триллиона лет. Эти изотопы можно считать условно-стабильными. Получается, существует всего 286 изотопов, которые можно считать стабильными, остальные являются радиоактивными.
В базе всех изотопов NuBase2020 описано 3340 нуклидов в основном состоянии (без ограничения периода полураспада) и 1938 ядерных изомеров с периодом полураспада более или равно 100 нс. Есть 4 изотопа имеющие по 6 ядерных изомеров с таким ограничением по периоду полураспада.
Существует 21 изотопно-чистый элемент, которые имеют только один природный изотоп.
Современная формулировка закона радиоактивного распада гласит, что число распадов за интервал времени пропорционально числу атомов данного типа в образце: dN/dt = -λN, где λ - постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеет размерность с-1. Знак минус указывает на уменьшение числа ядер со временем. Константа распада ядра в большинстве случаев не зависит от окружающих условий (температуры, давления, химического состава и др.). Изменения константы распада обнаружены для электронного захвата (зависимость от химической формы из-за изменения электронных оболочек) и для некоторых ядер, полностью лишенных электронных оболочек (подробнее ниже). Постоянство радиоактивного распада позволяет использовать его для радиоактивного определения возраста различных образцов.
Чаще всего для характеристики радиоактивного распада используется не константа распада λ, а производные величины - среднее время жизни τ = 1/λ и период полураспада T1/2 = ln2/λ. В справочниках приводятся значения периодов полураспада - периодов времени за которое число ядер уменьшается в 2 раза. Периоды полураспада радиоактивных изотопов меняются в широких пределах - от 91 иоктосекунды для лития-4 до 2,2 иотталет для теллура-128. Некоторые исследователи не принимают во внимание изотопы с периодами полураспада менее 1 наносекунды, как слишком неустойчивые.
Энергия распада изначально запасена в ядре и не выделяется сразу из-за барьера активации. Радиоактивный распад происходит из-за квантового туннельного эффекта, когда частица оказывается за барьером активации и улетает прочь.
Так как ядерный распад идет независимо от химической формы элемента, во время распада меняются химические свойства элемента и могут происходить радиохимические реакции. Например, гидроксид натрия с тритием в качестве водорода, постепенно будет выделять гелий и давать пероксид натрия, фторид трития постепенно выделяет фтор и гелий. Радиоактивное излучение имеет энергию, достаточную, чтоб разорвать практически любую химическую связь. Из-за этого растворы радиоактивных веществ в воде практически все выделяют водород и кислород (могут обрываться и другие связи если они есть в растворенном соединении), а кристаллы радиоактивных солей постепенно приобретают окраску из-за мелкодисперсных фаз продуктов распада и ионизации. В этих процессах легко может меняться валентное состояние элемента, что создает дополнительные проблемы в химии радиоактивных веществ.
Для изотопов с коротким периодом полураспада всегда приходится учитывать тепловыделение ядерного распада. Следует участь, что тепловыделение в ядерных распадах на порядки(!!!) превосходит обычные химические процессы и короткоживущие изотопы при довольно малом количестве уже могут находится в состоянии плазмы. Для некоторых элементов, у которых нет долгоживущих изотопов (Rn, Fr, At) изучение их химии чрезвычайно затруднено из-за постоянного саморазогрева образцов, их загрязнения продуктами распада, ионизационных процессов.
Большинство людей, не интересующихся ядерной физикой, плохо представляют насколько большой объем энергии запасен в атомном ядре. При ядерном делении урана-235 выделяется 81 ГДж/г. Этой энергии достаточно для переведения в пар 31,15 тонн воды с начальной температурой 20°C. Это в 1 800 000 раз больше энергии, чем выделяется при сгорании такого же количества бензина. При обычном альфа-распаде того же урана-235 энергии выделяется меньше - всего 1,94 ГДж/г (хватит на испарение "всего" 746 литров воды, в 43 000 раз больше, чем у бензина).
Изотопы с коротким периодом полураспада самораскаляются. Например, таблетка из оксида кюрия-242 (период полураспада 163 дня) весом в несколько граммов раскаляется так, что ее можно фотографировать в собственном свете, а раствор солей этого изотопа кипит если его не охлаждать.
В отличие от обычного радиоактивного распада, скоростью искусственного деления можно управлять с помощью контроля за потоком нейтронов. Энергию можно выделить как за доли секунды (атомный взрыв), так и в течение многих лет (атомные станции).
Любопытно, что 10% энергии при ядерном делении уносится антинейтрино, которое не вызывает никакой ионизации и проходит через любую толщу вещества практически беспрепятственно. По потоку антинейтрино можно следить за состоянием реактора.
Несмотря на то, что радиоактивный распад обладает высокой стабильностью, есть процессы, которые могут изменить скорость радиоактивносго распада.
В частности обнаружено, что полная ионизация ядра может ускорять бета-распад некоторых ядер (к примеру Re-187 в обычном состоянии распадается за 40 миллиардов лет, а в полностью ионизированном - за 33 года) или даже менять его направление (например, распад Ho-163 в Dy-163 в обычном состоянии, меняется на обратный в полностью ионизированном). Такая ионизация полноcтью исключает возможность такого вида распада, как электронный захват.
Для изотопов технеция с электронным захватом обнаружена небольшая зависимость периода полураспада от химической формы элемента. Аналогично бериллий-7 внутри фуллерена-60 распадается на 1,5% быстрее, чем в металлическом состоянии (Phys. Rev. Lett. 101, 219901 (2008)). Это связано с изменением электронной плотности вокруг ядра и, соответственно, с изменением вероятности захвата электрона.
Для изомерного возбужденного состояния железа-57 удалось ускорить скорость распада с испусканием гамма-кванта в 6 раз за счет специально подобранного окружения (R. Roehlsberger et al., Physical Review Letters, 95, 097601 (22 August 2005)).
Период полураспада изотопов измеряется в единицах времени.
Скорость распада (активность) изотопа измеряется в беккерелях (Бк). 1 беккерель соответствует 1 распаду в секунду в данном образце. 1 Бк = 1 с-1. Используют и более крупные единицы: 1 кюри (Ки) = 37 000 резерфордов (Рд) = 37 000 000 000 беккерелей (это примерно соответствует активности 1 грамма радия-226).
Чтоб соотнести эту активность с количеством вещества, нужно знать период полураспада изотопа. Возьмем к примеру рутений-106, с периодом полураспада 373,59 сут. Переведем период полураспада в секунды: 373,59 * 24 * 3600 = 32 278 176 секунд, т.е. около 3,2 * 107 с. Атомную массу изотопа мы знаем из названия. Отсюда по следствиям из закона Авогадро получаем, что в 106 г изотопа содержится 6,02 * 1023 атомов. Следовательно в 106 г в секунду распадается 6,02 * 1023 / (3,2 * 107 * 2) = 9,4 * 1015 атомов. Значит активность 1 грамма чистого изотопа 8,9 * 1013 Бк = 89 ТБк. Для оценки приведем сравнительные цифры. Естественная радиоактивность (за счет калия-40) 1 банана примерно 19 Бк, 1 тело человека излучает примерно 5 000 Бк (за счет калия-40 и углерода-14). Активность урана-235 около 80 000 Бк/г, природного хлорида калия 16,3 Бк/г. 1 г чистого изотопа рутения-106 излучает на много порядков больше.
Скорости частиц, вылетающих при радиоактивном распаде можно определить из их энергии. Отношение энергии частицы в МэВ к ее массе покоя в МэВ равно отношению скорости частицы к скорости света в квадрате, деленное на 2: E/M = (v/c)2/2. Для альфа-частиц радия-226 энергия частиц составляет 4,8 МэВ, масса покоя частиц 3727 МэВ (6,6 иоктограмм), скорость альфа-частиц 15 200 км/с.
Эффективность взаимодействия частиц в ядерной физике выражается эффективным сечением реакции, которое имеет размерность площади и обычно измеряется в барнах. 1 барн = 10-28 м2 = 10-24 см2. Для расчета числа взаимодействующих атомов можно использовать формулу: N = jnSlo, где j - плотность потока частиц (см-2*с-1), n - число ядер в единице объема (см-3), S - облучаемая площадь мишени (см2), l-толщина мишени (см), o - эффективное сечение (см2).
Естественная радиоактивность обусловлена долгоживущими природными изотопами и короткоживущими изотопами природных радиоактивных рядов. Радиоактивность человеческого тела, всех растений и животных в основном обуславливается изотопом калия-40, который присутствует в природном калии и, в меньшей степени, углерода-14. Радиоактивность минералов и горных пород (например, гранита) чаще всего обусловлена изотопами урана и продуктами распада, входящими в их радиоактивные ряды. Одним из изотопов уранового радиоактивного ряда является радиоактивный газ радон, который отвечает за радиоактивность приземного слоя воздуха (и воздуха невентилируемых подземных помещений).
Искуственное деление ядер - это вынужденное деление ядра, при поглощении нейтрона. Для данного процесса в основном используются четно-нечетные ядра (с четным числом протонов и нечетным числом нейтронов), так как у них низкий барьер деления под действием тепловых нейтронов. Природные изотопы тория-232 и урана-238 из-за низкого сечения захвата нейтронов не могут делится ни медленными, ни быстрыми нейтронами.
Искуственное деление ядер имеет очень важное значение, так как на его основе функционируют атомная энергетика и атомное оружие.
Понятие критической массы, которое кратко дается в школе, очень упрощено. Правильнее говорить критические условия. Это связано с тем, что критическая масса зависит от геометрической формы, физико-химического окружения (наличие атомов-замедлителей или поглотителей, внесенных в виде прослоек или окружающих элемент в виде химического соединения, а также растворителя), плотности, наличия загрязнений (т.е. степени очистки), вида изотопа элемента, формы и материала сосуда. Критические массы для чистых шарообразных моноизотопных элементов обычно являются абстракцией и получаются расчетом. Критические условия существуют только для изотопов, которые делятся под действием нейтронов с испусканием добавочных нейтронов. При превышении критических условий энерговыделение становится так велико, что это тепло нельзя отвести никакими техническими приемами. При этом не происходит ядерного взрыва (как многие думают), а просто кусок или раствор вещества превращаются в расплав или пар и выходят из критических условий. Для возникновения ядерного взрыва необходимо удержать делящееся вещество в надкритических условиях некоторое время. Чем больше время удержания делящегося вещества в надкритических условиях, тем большая часть делящегося материала успеет выделить энергию. Способы удержания вещества в надкритических условиях в ядерных устройствах обычно являются военной тайной.
Критические массы изотопов в виде металлов в шарообразной форме обычно единицы-десятки килограммов. Для урана-235 в виде металлического шара без отражателей она составляет 52 кг, для плутония-239 - 10 кг, калифорния-252 - 2,73 кг.
Низкими критическими массами обладают концентрированные растворы их солей в воде в шарообразных сосудах. Это связано с хорошим замедлением нейтронов водой. Для растворов солей урана-233 критическая масса 591 г, солей урана-235 = 856 г, солей плутония-239 - чуть более 500 г. Критические массы изотопов плутония в различных условиях можно прочитать в 4 томе Брауэра (стр. 1375).
Радиоактивное излучение может повреждать вещества клетки. Защита организма справляется с повреждениями, пока дозы облучения не превысят природный фон в сотни и тысячи раз. Более высокие дозы ведут к острой лучевой болезни и увеличивают на 10% вероятность заболевания раком. Дозы в десятки тысяч раз выше фона смертельны. Таких доз в повседневной жизни не встречается.
При распаде атомных ядер высвобождается большая энергия, способная отрывать электроны от атомов окружающего вещества. Этот процесс называется ионизаций, а несущее энергию излучение – ионизирующим. Ионизированный атом меняет свои физические и химические свойства. Следовательно, изменяются свойства молекулы, в которую он входит. Чем выше уровень радиации, тем больше число актов ионизации, тем больше будет поврежденных клеток. Для живых клеток наиболее опасны изменения в молекуле ДНК. Поврежденную ДНК клетка может «починить». В противном случае она погибнет или даст измененное (мутировавшее) потомство. Погибшие клетки организм замещает новыми в течение дней или недель, а клетки-мутанты эффективно выбраковывает. Этим занимается иммунная система. Но иногда защитные системы дают сбой. Результатом в отдаленном времени может быть рак или генетические изменения у потомков, в зависимости от типа поврежденной клетки (обычная или половая клетка). Ни тот, ни другой исход не предопределен заранее, но оба имеют некоторую вероятность.
Степень повреждения молекул зависит от условий, наиболее сильное разрушение наблюдается в водных растворах в присутствии кислорода, так как радиактивное излучение создает из воды и кислорода активные радикалы, которые также могут разрушать молекулы. Выход разложения тимина в 10 мМ водном растворе без наличия кислорода составляет 2,5 моль/100 эВ. Выход разложения аденина в бескислородной среде 0,65 моль/100 ЭВ, а в присутствии кислорода = 1,3 моль/100 эВ. Основными продуктами радиохимического разрушения нуклеотидов являются их гидрокси- и гидро-производные.
При больших дозах радиации основные трудности организма связаны не с измененными клетками, а с быстрой гибелью важных для организма тканей. Организм не справляется с восстановлением нормального функционирования самых уязвимых органов, в первую очередь, красного костного мозга, который относится к системе кроветворения. Появляются признаки острого недомогания - острая лучевая болезнь. Если радиация не убьет сразу все клетки костного мозга, организм со временем восстановится. Выздоровление после лучевой болезни занимает не один месяц, но дальше человек живет нормальной жизнью. Вылечившись после лучевой болезни, люди на несколько процентов чаще, чем их необлученные сверстники болеют раком. В отличие от симптомов острой лучевой болезни, которые проявляются через часы или дни, рак возникает не сразу, а может быть, через 5, 10 или 20 лет. Для разных локализаций рака скрытый период разный. Быстрее всего, в первые пять лет, развивается лейкоз (рак крови). Именно это заболевание считается индикатором радиационного воздействия при дозах облучения в сотни и тысячи раз выше фона.
Разовое облучение дозой 0,25 Гр не приводит к видимым изменениям в организме. Острая лучевая болезнь легкой степени развивается при общем внешнем облучении 1-2 Гр, средней тяжести - при 2-4 Гр, тяжелой степени - при 4-10 Гр, кишечная форма острой лучевой болезни - при 10-100 Гр. При внешнем облучении 120 Гр происходит "смерть под лучом" - практически мгновенная гибель. Поступление в организм молодых продуктов ядерного деления (1-2 сут) в количестве 740-2220 МБк вызывает лучевую болезнь легкой степени. Хроническое облучение дозой 0,5 Зв/год может привести к хронической лучевой болезни. Облучение дозой 0,05 Зв/год не позволяет выявить радиационных поражений современными методами. Естественная годовая доза облучения населения от всех источников составляет 0,005 Зв/год.
Для того, чтоб узнать, какую дозу радиации получит человек от того или иного изотопа используют понятие гамма-постоянной изотопа (или для современных единиц СИ - керма-постоянной изотопа). Таблицу гамма-постоянных для распространенных изотопов можно посмотреть в "Новом справочника химика и технолога. Радиоактивные вещества", стр. 304 и далее.
Для рутения-106 находим гамма-постоянную в равновесии с продуктами распада равную 1,152 Р * см2 * ч / мКи, что означает мощность экспозиционной дозы гамма-излучения в 1,152 рентген/час на расстоянии 1 см от источника с активностью 1 милликюри. В единицах СИ это будет 7,550 аГр * с / (м2 * Бк). Отношение массовых коэффициентов поглощения энергии фотонов в ткани и воздухе составляет 1,09, откуда мощность эквивалентной дозы будет отношением H = 1,09 * А * Г / R^2, где А - активность источника в беккерелях, Г - гамма-постоянная в единицах СИ, R - расстояние до источника в метрах и H - мощность эквивалентной дозы в аЗв/с.