Учебная книга: Основы радиохимии и радиоэкологии

Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 31

Учебная книга: Основы радиохимии и радиоэкологии

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет имени В.Н.Каразина

А. П. Красноперова

_____________________________________________________________

Основы радиохимии и радиоэкологии

Учебное пособие для вузов

Харьков

2010

УДК 541.28

Рецензенты: зав. кафедрой

Доктор Коваленко

Красноперова А. П.

Основы радиохимии и радиоэкологии: Учебное пособие для вузов.-

Харьков: Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина

Предисловие

Немного открытий найдется на памяти человечества, которые так круто меняли бы его судьбу, как открытие явления радиоактивности.

Оно помогло раскрыть сложную внутреннюю структуру атома, что привело к пересмотру коренных представлений об окружающем нас мире, к ломке устоявшейся классической картины мира. Квантовая механика была создана специально для объяснения явлений, происходящих внутри атома. Это в свою очередь вызвало пересмотр и развитие математического аппарата физики, изменило лицо самой физики, химии и ряда других наук. Пожалуй, трудно назвать сейчас область науки и техники, на которую не повлияло бы открытие явления радиоактивности.

Это открытие по своему значению так велико, что ХХ век стали называть «атомным веком». Самые современные отрасли промышленности обязаны своим возникновением радиоактивным атомам, и в первую очередь, конечно, атомная энергетика и связанная с ней атомная промышленность.

Радиохимия- ровесница века, получившего название «атомный», одна из тех отраслей знаний, которые в большой степени определили научный и технический прогресс прошлого века. Радиохимии принадлежит ведущая роль в технологии получения новых элементов и новых изотопов, которые находят применение в самых различных областях науки и техники, а также в изучении их физико-химических свойств и поведения в различных средах.Если в начале 900-х годов, к моменту зарождения радиохимии, было известно всего несколько десятков естественно радиоактивных элементов и их изотопов, то сейчас их более 1500, включая значительное число изотопов искусственных элементов.

Настоящее учебное пособие возникло в результате обобщения материала курса лекций по основам радиохимии и радиоэкологии, читаемых автором в Харьковском национальном университете им. В. Н. Каразина на протяжении нескольких лет. Учебное пособие написано в соответствии с программой курса, утвержденной методическим советом химического факультета

Предлагаемая книга написана в виде учебного пособия для вузов и охватывает широкий круг вопросов, относящихся к современной радиохимии и радиоэкологии.

Правила отбора учебного материала для основ радиохимии как общехимической дисциплины, его основную ориентацию, круг выбранных тем, глубину их изложения, были обусловлены тем фактором, что слушатели данного курса после окончания химического факультета не обязательно будут работать в радиохимических лабораториях.

В связи с этим блок лекций по радиохимии содержит сведения общекультурного характера, отвечающие минимальному образовательному цензу, который должен предъявляться выпускнику химического факультета любого университета.

Книга состоит из двух частей. Первая часть посвящена рассмотрению основ радиохимии, вторая - основ радиоэкологии.

В первой главе кратко изложена история радиохимии, ее значение и место среди других разделов химии. Вторая и третья главы посвящены физическим основам радиохимии. Сюда входят сведения о строении ядерной материи, о закономерностях и видах радиоактивного распада, о ядерных излучениях и их взаимодействии с электронной оболочкой и ядром, о ядерных реакциях,

В книге отдельные главы посвящены основным вопросам общей радиохимии: поведению ультрамалых концентраций радиоактивных веществ в различных в растворах, так как именно в таких количествах получаются радионуклиды по ядерным реакциям и в результате распада ядер. В таких же концентрациях радионуклиды содержатся в объектах окружающей среды.

Особое внимание уделено вопросам разделения и очистки радиоактивных изотопов, их идентификации, а также химическим проблемам ядерной энергетики, ядерного топливного цикла и захоронения радиоактивных отходов, что непосредственно примыкает к радиоэкологической части курса.

Опираясь на полученные знания, будущий химик, не имея непосредственного касательства к радиохимии, должен уметь при необходимости корректно поставить задачу, осмыслить полученную информацию и принять правильное решение.

Втора часть учебника посвящена вопросам радиоэкологии. Неблагоприятная радиоэкологическая обстановка в некоторых регионах страны, заметный вес ядерной энергетики в общем энергетическом хозяйстве (5 атомных станции), использование радиоактивных источников в научных исследованиях и медицине, ряд серьезных факторов социально-психологического характера, в частности, широко распространенная радиофобия, заставляют высшую школу обратить внимание на радиоэкологическую грамотность населения. С этой целью в разделе, посвященном основам радиоэкологии, основное внимание уделяется вопросам действия ионизирующего излучения на живые организмы, источники поступления и миграции радиоактивных веществ в окружающей среде.

В книге рассматриваются проблемы безопасной работы атомных станций.

Известно, что одной из основных проблем, возникающих при работе атомных станций, является проблема захоронения радиоактивных веществ, образующихся в результате деления ядерного горючего. Этому вопросу посвящен специальный раздел учебника. Анализируется авария на Чернобыльской АЭС и ее воздействие на окружающую среду.

Серьезное внимание уделяется в курсе нормированию воздействия радиации на живые организмы, физическим и химическим методам защиты от внутреннего и внешнего облучения.

Книга рассчитана на студентов химических и смежных специальностей вузов, а также может быть полезна для специалистов в области химии, биологии, ядерной физики и для всех тех, кто интересуется химией и проблемами выживания человечества в сложных экологических условиях.

ГЛАВА 1. История, предмет и задачи радиохимии

1.1 История радиохимии

Возникновение радиохимии как науки связано с открытием первых естественных радиоактивных элементов и изучением их свойств.

Все началось с открытия немецким физиком Конрадом Рентгеном в 1895 году неизвестного излучения, способного беспрепятственно проникать через различные вещества. К. В. Рентген однажды заметил явление: при прохождении тока высокого напряжения через газоразрядную трубку начинал светиться лежащий на столе экран, покрытый тонким слоем платино-цианистого бария. Возникшее излучение он назвал Х-лучами, которые впоследствии стали называть рентгеновскими. Это историческое открытие было сделано в лаборатории Вюрцбургского университета.

Рис. К. В. Рентген

Заслуга Рентгена состоит в том, что он не только увидел необычное явление, но и попытался дать ему научное объяснение. Современники по достоинству оценили открытие и изучение свойств нового излучения. В 1901 году В. К. Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике. Сегодня мы понимаем, что открытие Рентгена было не просто выдающимся, оно распахнуло дверь в новый таинственный мир, полный неожиданностей, загадок и неведомых для человека и всего живого на земле последствий.

За этим гениальным открытием последовал ряд не менее важных следующих одно за другим открытий. Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований Рентгена.

Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклянных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фосфоресцентное свечение сопровождается испусканием рентгеновского излучения.

Весной 1896 А. Беккерель сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излучения (впоследствии названном радиоактивным), которое испускается солями урана. Для проверки этого предположения он поместил различные фосфоресцирующие вещества на завернутые в черную бумагу фотопластинки и получил неожиданный результат: засвеченной оказалась единственная пластинка с которой соприкасался кристалл соли урана.

Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Сообщения А. Беккереля на современников большого впечатления не произвели, так как всех больше интересовали всепроникающие Х лучи,открытые Рентгеном. Анри Беккерель оставляет свои исследования и начинает заниматься эффектом Зеемана. Исследования А. Беккереля продолжила его ученица Мария Склодовская-Кюри и ее муж физик Пьер Кюри. В 1898 г.

Рис. Анри Беккерель

Пьер и Мария Кюри обнаружили, что источником лучей Беккереля может быть не только уран, но и торий. Это жепрактически одновременно с ними обнаружил немецкий физик Герхардт Шмидт. Результаты, полученные независимо в двух лабораториях, указывали, что свойство испускать такие лучи есть более широкое явление, чем первоначально предполагалось. Свойство излучения вызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методом регистрации применять более удобный электрический метод, что значительно ускорило процесс исследований. Мария Кюри вводит новый термин «радиоактивность» как самопроизвольные превращения атомов химического элемента с испусканием излучения. Начатый Пьером и Марией Кюри систематический поиск новых радиоактивных веществ и изучение свойств их излучения подтвердили догадку Беккереля о том, что радиоактивность урановых соединений пропорциональна числу содержащихся в них атомов урана.Среди обследованных минералов эту закономерность нарушала лишь урановая смоляная руда (уранинит), которая оказалась в четыре раза активнее, чем соответствующее количество чистого урана. Кюри сделали вывод о том, что в уранините должен содержаться неизвестный высокоактивный элемент. Переработав несколько тонн урановой руды, и используя в качестве носителей барий и висмут, они получили два очень радиоактивных осадка: сернокислый барий и гидроокись висмута. В сернокислом барии был найден новый химический элемент, аналог щелочноземельных металлов, названный М. Кюри радием.

Во втором осадке был обнаружен ранее неизвестный элемент, названный в честь родины Марии Кюри полонием. Для получения новых элементов, содержащихся в руде, был разработан новый радиохимический метод носителей, заключающийся в том, что микроколичества этих элементов соосаждались с весовым количеством осадков – носителей. В поисках радиоактивных элементов, содержащихся в урановой руде, зародились первые методы радиохимии, зародился новый раздел химии - радиохимия

Рис.1.1 Мария и Пье р Кюри в лаборатории

При этом указываются два пути идентификации новых радиоактивных элементов: химический (осаждение с носителем стабильных элементов) и физический (по изменению физических характеристик веществ под действием излучения). С этого момента изменилось отношение к открытому Анри Беккерелем явлению. Следует отметить, что свое открытие супруги Кюри не запатентовали, а опубликовали научную статью. Это дало толчок к дальнейшему исследованию явления радиоактивности учеными различных лабораторий и стран.

И так, выдающиеся исследования Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри заложили основы новой области знаний, возникшей на границе физики и химии.

По мере изучения явления радиоактивности и свойств радиоактивных веществ отчетливо начали вырисовываться два тесно взаимодействующих направления исследований в этой области. Одно из них - чисто физическое, изучало природу и свойства радиоактивности, законы радиоактивных превращений и т.д. Развитие этого направления привело к возникновению ядерной физики.

Другое направление первоначально ставило своей основной задачей исследование химической природы радиоактивных веществ и продуктов их превращений. Развитие этого направления привело к развитию радиохимии.

В истории развития радиохимии можно выделить два периода: ранний ( 1898-1933 г. г.) и современный (с 1934 г. и по настоящее время). Каждый из периодов характеризуется качественно различными объектами изучения, процессами, лежащими в основе получения этих объектов, а также круг явлений и проблем, на которых в тот момент концентрировалось основное внимание исследователей.

Раний период характеризуется:

– возникновением и становлением радиохимии как науки, открытием естественных радиоактивных элементов и радиоактивных нуклидов( П. и М. Склодовская-Кюри Кюри, О. Хан, Л. Мейтнер, Г. Дебьерн,1898-1899);

– установлением природы радиоактивности и основных законов радиоактивного распада (М. Склодовская-Кюри и П. Кюри, Ф. Содди, Э. Резерфорд, 1900-1903);

установлением закономерностей изменения химической природы элементов в результате радиоактивного распада и формулировкой закона сдвига ( Ф. Содди и К. Фаянс, 1909-1912);

– открытием и изучением явления изотопии (Ф. Содди, А. Флек, 1911-1913;)

размещением радиоактивных элементов в периодической системе(Ф. Содди и К. Фаянс,1913) и формированием представлений о естественных радиоактивных рядах;

открытием первой ядерной реакции (Э. Резерфорд,1919);

открытием и исследованием процессов изотопного обмена (Д. Хевеши, 1920);

изучением поведения радиоактивных элементов, находящихся в субмикроколичествах, в различных физико-химических процессах и формулировкой правил определяющих их поведение в при выделении твердых фаз из растворов ( К. Фаянс, П. Бэр ,Ф .Панет, А. П. Ратнер, Т. Сведберг, О. Ган и др., 1913-1926);

установлением количественных закономерностей управляющих процессами сокристаллизации ничтожно малых количеств радиоактивных элементов (О. Ган, В. Г. Хлопин, А. Дернер, Д. Хоскинс, 1924-1933);

открытием нейтрона ( Дж.Чэдвик,1932);

разрабтокой термодинамической теории изоморфной сокристаллизации и адсорбции радиоактивных нуклидов (А. П. Ратнер, 1933);

открытием явления радиоколлоидообразования и исследованием электррохимического поведениярадиоактивных нуклидов (Ф. Панет, Т. Годлевский, И. Е. Старик, М. Гайсинский, 1913-1933);

В результате этих исследований возникли такие разделы радиохимии как общая радиохимия, химия радиоактивных элементов и прикладная радиохимия.

Современный период развития радиохимии начался с 1934 г. Все достижения этого периода связаны с открытием супругами Фредериком и Ирен Жолио-Кюри явления искусственной радиоактивности.

Рис. 1. 2. Ирен и Фредерик Жолио‑Кюри в лаборатории

В эти же годы были созданы ускорители заряженных частиц: циклотроны, бетатроны, ускорители Ван – де – Граафа. Эти устройства позволили получить радиоактивные изотопы многих элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Возникла область радиохимии, направленная на химическое изучение ядерных реакий и выделение получаемых радиоактивных продуктов.

Важнейшие события этого периода развития радиохимии:

открытие искусственной радиоактивности и радиохимическая идентификация радиоактивных нуклидов, возникающих в результате протекания ядерных реакций (И. и Ф. Жолио– Кюри, 1934);

открытие и изучение химических эффектов, индуцируемых радиационным захватом нейтронов и радиохимическая идентификация продуктов возникающих при этом ( Л. Сциллард, Т. Чалмерс, 1934);

открытие явления деления под действием медленных нейтронов ядер урана –235 и радиохимическая идентификация образующихся нуклидов (О. Ган, Ф. Штрассман, 1939);

открытие спонтанного деления урана ( Г.Н. Флеров и К.А. Петржак, 1940);

идентификация первого искусственно полученного радиоактивного элемента-технеция ( К. Перрье, Э. Сегре, 1937). Открытие и радиохимическое изучение франция ( М. Перей, 1939)и астата ( Д. Корсон, К. Маккензи, Э. Сегрэ, 1940);

создание первых технологических схем производства плутония и возникновение ядерной энергетики( 1940- 1954);

исследование химических последствий при изомерных переходах и в результате бета-распада атомов в составе молекулярных систем (В. Д. Нефедов, М. А. Торопова, Е.Н. Синотова, 1953-1984);

– синтез и изучение свойств трансурановых элементов( Э. Мак- Миллан, П. Абельсон, Г. Сиборг, 1940) и создание актиноидной теории (Г.Сиборг, 1945-1949);

получение и радиохимическое изучение трансактиноидных элементов вплоть до № 110. Исследования в области сверхтяжелых элементов (Г. Н. Флеров, И. Звара, Ю. Ц. Оганесян, Г. Сиборг, А. Гиорсо, с 1962…)

Благодаря исследованиям, выполненным в этот период, получили интенсивное развитие все ранее сложившиеся области радиохимии и возникли новые области, такие как ядерная химия и химия процессов индуцированных ядерными превращениями. Этот период характеризуется практической реализацией наиболее важных достижений радиохимии.

1.2 Предмет и задачи радиохимии

Термин «радиохимия» был впервые введен английским химиком А. Камероном в 1910г. Камерон определял радиохимию как раздел науки изучающий природу и свойства радиоактивных элементов и продуктов их распада.

В 1911 г. выдающийся английский радиохимик Ф. Содди дал радиохимии определение как науки, которая «занимается преимущественно свойствами продуктов радиоактивных превращений, их разделением и идентификацией». Как следует из истории развития радиохимии, определения А. Камерона и Ф. Содди отвечали уровню ее развития в то время.

В 50-е годы советским ученым Н. Е. Стариком была предложена формулировка: «Радиохимия есть область химии, в которой изучаются химические и физико-химические свойства радиоактивных изотопов».

Современное определение радиохимии: «Радиохимия - область химии, изучающая химию радиоактивных изотопов, элементов и веществ, их физико-химические свойства, ядерные превращения и сопутствующие им физико-химические процессы».

Из этого определения следует, что одной из основных задач радиохимии является исследование химических свойств радиоактивных элементов, не имеющих стабильных изотопов.

С одной стороны, эта задача является общехимической, поскольку каждый элемент обладает индивидуальными химическими свойствами, определяемыми его электронной структурой.

С другой стороны целый ряд особенностей поведения и исследования элементов, не имеющих стабильных изотопов, делает необходимым выделение этой области химии в самостоятельную область знаний

В настоящее время можно выделить четыре основных раздела радиохимии:

1. Общая радиохимия,

2. Химия ядерных превращений,

3. Химия радиоактивных элементов,

4. Прикладная радиохимия.

Общая радиохимия изучает физико-химические закономерности поведения радиоактивных изотопов и элементов.

К этому разделу радиохимии относится изучение состояния радиоактивных изотопов в ультрамалых концентрациях в растворе, газе и твердой фазе, распределение их между фазами в процессах соосаждения, адсорбции, ионного и изотопного обмена, электрохимия радиоактивных элементов.

Химия ядерных превращений (ядерная химия) изучает продукты ядерных превращений и ядерных реакций на изотопном, элементном и молекулярном уровнях. Ядерная химия включает также методы получения, концентрирования и выделения радиоактивных нуклидов, а также химических превращений под действием собственного излучения (авторадиолиз).

Химия радиоактивных элементов - это химия технеция, прометия, астата, урана, тория и продуктов их распада - полония, родона, франция, радия, актиния и протактиния, трансурановых элементов, а также мезоатомов и водородоподобных атомов - мюония, позитрония. К этому разделу условно можно отнести технологию ядерного оружия.

Прикладная радиохимия занимается широким кругом вопросов и включая: химию ядерного горючего, радиохимию АЭС, получение естественных и искусственных активных элементов, изотопов, и синтез меченых ими соединений, применение радиоактивных нуклидов в науке и промышленности в качестве радиоактивных индикаторов и в приборах неразрушающего контроля, экологические проблемы.

Радиационная химия изучает химические превращения в системах при воздействии на них ионизирующих излучений. Радиационная химия близко соприкасается с радиохимией, но не составляет предмета последней. Но поскольку радиохимики и радиоэкологи имеют дело с радиоактивными системами, рассмотрение основных вопросов радиационной химии вполне уместно в курсе радиохимии и радиоэкологии.

1.3 Особенности радиохимии

Характерные особенности радиохимии, отличающие ее от других разделов химии, вытекают из общего свойства всех объектов ее изучения- радиоактивности. Это свойство делает неприменимым одно из фундаментальных положений классической химии- неизменяемость природы химического элемента.

Наиболее важные аспекты явления радиоактивности, обусловливающие особенности радиохимии:

1. Ограниченность времени существования подавляющего большинства радиоактивных элементов и радиоактивных нуклидов;

2. Принципиально иная природа процессов, происходящих в радиоактивных нуклидах, и обусловленные этим огромные масштабы энергетических изменений;

3. Изменение химической природы элемента в результате радиоактивных превращений.

В отличие от объектов исследования классической химии, часть объектов, изучаемых в радиохимии, существует кратковременно. Отсюда в ходе радиохимических исследований исключительно важной становится роль фактора времени (необходимость тщательного планирования эксперимента и отработки всех стадий исследования, использование экспрессных методик и т. д.) С этой особенностью связано также акцентирование внимания на определенных изотопах исследуемого элемента.

Ограниченность времени существования объектов радиохимии влечет за собой необходимость проводить исследования с исключительно малыми количествами и концентрациями радиоактивных веществ.

Необходимость работы с малыми концентрациями диктуется не только не невозможностью получения ряда некоторых радиоактивных элементов в сколько-нибудь значительных количествах, но чрезвычайно большими энергетическими эффектами, сопутствующими радиоактивным превращениям. Эти эффекты на 5-6 порядков превышают соответствующие изменения при обычных химических реакциях.

Характерной особенностью радиохимии является то, что она изучает состояния и законы поведения ультрамалых количеств вещества и имеет свои собственные методы исследования.

Необходимость проведения исследований с ничтожно малыми количествами вещества влечет, в свою очередь за собой целый ряд следствий и прежде всего подверженность радиоактивных элементов сильнейшему влиянию процессов, которые при работе с весовыми количествами веществ не играют сколько - нибудь заметной роли (адсорбция, коллоидообразование).

Физико-химические процессы, происходящие в системах, включающих радиоактивные элементы, несравнимо более сложны, чем в случае стабильных элементов.

Возможность проведения радиохимических исследований с чрезвачайно малыми количествами вещества определяется очень высокой чувствительностью методов детектирования радиоактивных нуклидов

1.4 Значение радиохимии

Значение радиохимии, как и любой науки, определяется влиянием, которое она оказала и оказывает на научно- технический прогресс. Прежде всего, радиохимия сыграла огромную роль в разработке теоретических и экспериментальных основ ядерной промышленности. На основе радиохимических исследований, сделан целый ряд открытий, таких как естественная радиоактивность, превращаемость элементов, ядерная изомерия, изотопия, искусственная радиоактивность и деление тяжелых ядер. Значительная роль принадлежит радиохимии в открытии и получении новых элементов.

Бурное развитие радиохимических исследований, связанное с работами по использованию ядерной энергии, применением радиоактивных изотопов в качестве индикаторов во многих областях науки и техники, а также в приборах неразрушающего контроля вывело радиохимию из ограниченной области знания в разряд ведущих дисциплин.

Одной из важных особенностей радиохимии как пограничной науки является ее высокая продуктивность, обусловленная синтезом идей и методов химии и физики.

1.5 Радиохимия и экология

Радиактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде. В больших количествах образуются искусственные радионуклиды, главным образом в качестве побочного продукта на предприятиях ядерной энергетики и оборонной промышленности. Попадая в окружающую среду они оказывают воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность.

Определение содержания радиоактивных веществ в окружающей среде, наблюдение за путями распространения в ней различных радионуклидов, изучение миграции их по пищевым цепям и проникновения в организм животных и человека, составляют задачу одного из разделов экологии– радиационной экологии.

Радионуклиды, попадающие в окружающую среду, в основном находятся в ультрамалых концентрациях. Поэтому для определения, и в особенности для выделения радиоактивных компонентов, требуется предварительное концентрирование исследуемых радиоактивных веществ, иногда из очень больших объемов первоначального материала. Так, для определения ⁹⁰ Sr, ¹³⁷ Cs, ²³⁸ U, ²³² Th в морской воде требуется отбирать пробы объемом 200-500 л. Изучение концентрации продуктов деления в воздухе нередко требует фильтрации 10⁵ м³ воздуха для получения одной пробы.

Одной из задач радиохимии является исследование форм нахождения радионуклидов в изучаемых объектах.

Поэтому очень важны исследования состояния радионуклидов в почвах, в различных организмах, в воде, особенно в океане, который постепенно становится источником пищевых ресурсов человека.

Радиохимия дает в руки радиоэкологов методы определения малых концентраций радионуклидов.

Глава 2. Физические основы радиохимии

2.1 Элементарные частицы

За последние несколько десятилетий в физику «вошел» новый материальный мир - мир элементарных частиц.

Элементарными частицами называются мельчайшие составные части материи, которые при современном состоянии знания не могут быть разложены на более мелкие частицы. Некоторые из них были открыты в космических лучах, но большинство было создано искусственно с помощью мощных ускорителей заряженных частиц - главнейшего экспериментального орудия физики элементарных частиц. На протяжении всей истории развития естественных наук ученые искали « кирпичики мироздания», то есть неделимые первичные частицы (элементарные частицы), из различных сочетаний которых построен материальный мир.

На определенном этапе развития науки роль этих частиц довольно успешно выполняли атомы. Однако открытие Дж. Дж. Томсоном в 1895 г. электрона, Х-лучей Рентгеном и радиоактивности развенчало представление об атоме как элементарной частице. После открытия в 1932 г. нейтрона Дж. Чедвиком и создания протонно-нейтронной модели структуры ядра Резерфордом элементарными частицами были признаны электрон, протон и нейтрон.

В настоящее время открыто множество других элементарных частиц. Полный список элементарных частиц и античастиц насчитывает сотни названий. Число их значительно больше, чем число химических элементов в таблице Менделеева. Сейчас уже не подлежит сомнению, что многие частицы сами имеют сложную структуру. Например, протон и нейтрон – составные частицы атомного ядра– построены сами из « более элементарных частиц», тем не менее, исторически сложившееся название «элементарные частицы» продолжает существовать. Трудно сказать, есть ли какой-нибудь критерий «элементарности» данной частицы. Однако элементарные частицы, несомненно, имеют такие общие свойства, которые качественно отличают их от сложных частиц или от макроскопических тел.

К общим свойствам элементарных частиц относятся:

1. У многих элементарных частиц существуют свои двойники (частица и античастица). Они имеют одинаковые значения массы, спина и других характеристик, но отличаются знаком электрического заряда. Например, пары: электрон-позитрон, протон- антипротон.

2. Элементарные частицы способны к аннигиляции , одновременному исчезновению при столкновениях с превращением всей их энергии покоя в энергию других частиц или фотонов. Например, при столкновении электрона с позитроном обе эти частицы исчезают и появляются два фотона, которые обычно разлетаются в разных направлениях,

eˉ + e+ =2 γ

3. Основными характеристиками элементарных частиц являются их заряд, масса покоя, механический момент (спин) и магнитный момент ; для нестабильных элементарных частиц указываются дополнительно время жизни и тип распада .

Массы покоя всех известных в настоящее время частиц лежат в интервале от 0 до 2600 m_e (1330 МэВ). Массу покоя обычно выражают в единицах массы покоя электрона m_e или единицах энергии (МэВ). Масса покоя легчайшей частицы- электрона, эквивалентна энергии 0,52 МэВ, тогда как масса покоя наиболее тяжелых частиц превышает 2·10³ МэВ. Обычно массу электрона m_e принимают за единицу измерения массы покоя всех других частиц.

Все известные элементарные частицы в зависимости от их массы покоя можно разделить на три группы ( таблица 2.1):

1. Частицы с массой покоя m ≤ m_e называются лептонами. К лептонам относятся электроны, позитроны, нейтрино, мюоны . К лептонам причисляют также фотоны . Масса покоя фотона равна нулю. Электрон и позитрон - самые легкие заряженные частицы. Масса электрона m_e = 5,48·10^-4 а.е.м(0,52 МэВ). Все лептоны кроме мюонов абсолютно устойчивы. Самыми тяжелыми лептонами являются мюоны . Мюоны распадаются со средним временем жизни около 2·10ֿ⁶ с на другие лептоны( электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино).

μˉ → eˉ + ν̃_е + ν_μ

μ+ → e+ + ν_е + ν̃_μ,

где ν_е и ν_μ –электронное и мюонное нейтрино, а ν̃_е и ν̃_μ – электронное и мюонное антинейтрино. Электронные и мюонные нейтрино являются самыми легкими из лептонов. Не имея массы покоя и не взаимодействуя электрическими и ядерными силами с другими частицами, нейтрино обладают исключительной проникающей способностью. Представление о нейтрино было введено итальянским физиком Энрико Ферми в 1934 г. для объяснения кажущейся потери энергии и углового момента при бета- распаде ядер. В 1956 г. впервые удалось зарегистрировать ядерные реакции, обусловленные нейтрино.

Тогда же было установлено, что есть две разновидности нейтрино: электронное и мюонное, и каждое из них отличается от соответствующей античастицы. Первые реакции, вызванные нейтрино были обнаружены с электронными антинейтрино, которые испускаются из активной зоны ядерного реактора при превращении избыточных нейтронов в протоны в осколках деления ядер урана или плутония. При энергии выше 1,8 Мэв антинейтрино попав на протон, может вызвать реакцию обратную бета-распаду

ν̃_е + p⁺ →n + e⁺

Образовавшиеся позитроны аннигилируют с электронами с образованием двух гамма-квантов, которые при прохождении через сцинтилляторы вызывают две вспышки. Эти вспышки света можно зарегистрировать.

До сих пор не было ни малейшего намека на существование внутренней структуры у лептонов.

2. Частицы с массой покоя m_e < m < 1000m_e относятся к мезонам. Мезонами называются все сильно взаимодействующие между собой и нуклонами частицы. Мезоны рождаются при столкновении нуклонов или при распаде «возбужденных» состояний нуклонов. Мезоны сильно различаются по величине внутренней энергии и среднему времени жизни. Например, пионы обладают внутренней энергией от 134,9 до 135,6 Мэв, а среднее время жизни изменяется от 2,6·10^-8 с до 1,8·10^-16 с. Среднее время жизни омега - мезонов составляет 10^-22 –10^-23 с, внутрення энергия - 783 Мэв.

3. Частицы с массой покоя m >1000m_e относятся к барионам (адронам). Барионы делятся на две группы: нуклоны с массой покояm≈1836-1839m_e и гипероны, масса которых превышает 2000 m_e .

К нуклонам относятся протоны и нейтроны . Протон - стабильная частица – представляет собой ядро атома водорода и не изменяет своих свойств во времени. Нейтрон - вне ядра не стабилен и самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада 12,5 мин. В атомном ядре нейтроны могут существовать вечно.

Гипероны рождаются при столкновении пионов высокой энергии с нуклонами. Гипероны – более тяжелые частицы, чем нуклоны и взаимодействуют между собой и нуклонами. Среднее время жизни гиперонов 10^-10 с. Испуская пионы, гамма-кванты и лептоны они превращаются в протоны. Регистрируют гипероны с помощью пузырьковых камер или в толстых слоях фотоэмульсий. В пузырьковой камере в перегретой жидкости на пути движения заряженной частицы вследствие ионизации образуются пузырьки, фотографируя которые можно фиксировать путь движения частицы. Обычно он составляет 1-2 см.

Мезоны и все барионы (за исключением протонов) являются нестабильными частицами со временем жизни от 10^-20 до 2.10^-6 с.

Таблица 2.1 Элементарные частицы

Группа частиц Элементарные частицы
Обозна-

чение
Заряд
Масса покоя

(МэВ)
Распад Среднее время жизни, с

Лептоны
фотоны γ 0 0 – ∞

Нейтрино ν 0 <2·10^-4 – ∞

Антинейтрино ν̃ 0 0 – ∞

Электрон:

негатрон

позитрон

eˉ, bˉ e^–
0.511
– ∞

e⁺ , b⁺ e⁺ – ∞

Мюоны
μ⁺ e⁺
105.7
e⁺ + ν + ν̃
2,20·10^-6

μˉ e⁺ eˉ+ ν + ν̃

Мезоны

Пионы
π⁺ e⁺
139.6
μ⁺ + ν
2,55·10^-8

πˉ e^– μˉ+ ν̃

π⁰ 0 135.0 2γ 1,1·10^-16

К- частица

Каоны
К⁺ е⁺
493.8

μ⁺ + ν_m , π⁺ π⁰ ,

π⁺ π⁺ πˉ
1.24·10^-8

К^- е^-

К 0
497.8
π⁺ πˉ π⁰ π⁰ 0,89·10^-10

К 0 π e n π m n_m , π⁺ πˉ π⁰ 5.2·10^-8

Барионы

Нуклоны
Протон р⁺ e⁺
938.25
– ∞

Антипротон рˉ e^–

Нейтрон n 0
939.55
р⁺ +eˉ+ ν̃
1,013·10³

Антинейтрон ֿn 0 рˉ+ e⁺ + ν

Гипероны
Ламда-частица Λ⁰ 0 1115.4
р⁺ + πˉ(65%)

n+ π⁰ (35%)

2,4·10^-10

Сигма-частица
Σ⁺ +e 1189.2
р⁺ + π⁰ (~50%)

n+ π⁺ (~50%)

0,77·10^-10

Σ⁰ 0 1192.4 Λ⁰ + ν < 10^-11

Σ ^ˉ e⁺ 1197.3 n+ πˉ 1,61·10^-10

Кси-частица Ξ ^ˉ e^– 1321.0 Λ⁰ + πˉ 1,7·10^-10

Ξ⁰ 0 1314.7 Λ⁰ + π⁰ 2,7·10^-10

Омега-частица Ω^ˉ e^– 1675 Ξ+ π Λ+К_част. 1,3·10^-10

В природе процессы рождения элементарных частиц происходят при взаимодействии с веществом быстрых частиц из состава космического излучения или ускоренных искусственно в специальных установках- ускорителях.

Удивительная особенность элементарных частиц состоит в том, что хотя ни одна частица не может считаться построенной из других элементарных частиц, все они способны к взаимным превращениям. Существует всего несколько четко очерченных типов фундаментальных взаимодействий, которым подвержены элементарные частицы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. Они, прежде всего, резко отличаются интенсивностью, но для них различны также и радиусы действия и присущие им внутренние симметрии. Любая элементарная частица может рождаться и погибать в результате сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий с другими частицами. Самым интенсивным и наиболее симметричным является сильное взаимодействие . Оно лежит в основе ядерных сил, действующих между частицами, входящими в состав атомных ядер,– протонами и нейтронами. Именно оно обусловливает структуру ядра. Частицы, подверженные сильному взаимодействию получили название адронов ( греч. «крупный, массивный). Сильное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях, меньше или равном 10^{-15 м ; на больших расстояниях сильное взаимодействие не проявляется. К группе адронов
относятся входящие в состав ядра протоны и нейтроны, а также большие совокупности мезонов, гиперонов и резонансов. В сильном взаимодействии не участвуют лептоны – группа частиц со спином ½: электрон (е), мюон (μ), тау-лептон(τ) и соответствующие нейтрино
,
,
.Фотоны участвуют только в электромагнитных взаимодействиях. Электромагнитному взаимодействию подвержены также все заряженные частицы. По интенсивности оно в сто раз уступает сильному взаимодействию, но зато радиус его действия не ограничен, как радиус сильного взаимодействия.}

В последние годы были открыты новые частицы и выдвинуты предположения о существовании некоторых бесструктурных частиц - кварков , из которых возможно, состоят все известные элементарные частицы. Однако обсуждение этих вопросов выходит за рамки настоящей книги.

2.2 Протонно-нейтронный состав ядер

Выдающееся открытие Д. И. Менделеевым в 1869 году периодического закона изменения химических свойств элементов послужило руководящей нитью в исследовании структуры атома. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева впервые нашли отражение сложность структуры атома и значимость массового числа А и порядкового номера Z элемента.

В 1911 году Э. Резерфорд обнаружил существование атомного ядра и обосновал планетарную теорию строения атома, согласно которой, атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг ядра электронов, компенсирующих заряд ядра.

В 1913 году Нильс Бор выдвинул квантовую теорию строения электронных оболочек атомов. В последующие годы модель атома Резерфорда- Бора уточнялась и конкретизировалась.

Гипотеза Резерфорда была подтверждена экспериментально Гейгером и Марсденом по рассеянию альфа - частиц при прохождении через различные вещества. Установленный закон рассеяния альфа- частиц позволял определять величину заряда ядер атомов данного элемента, так как интенсивность рассеяния зависит от квадрата заряда ядра . Заряды ядер были впервые определены именно методом рассеяния альфа- частиц, и в результате этой работы было высказано предположение, что номер элемента в периодической системе равен заряду ядра атома, выраженному в единицах заряда электрона . Впоследствии это предположение было подтверждено Мозли, который исследовал рентгеновские спектры элементов. В 1932 г. Д. Иваненко и одновременно с ним В. Гейзенберг впервые высказали предположение, что атомные ядра всех химических элементов имеют сложное строение и состоят из элементарных частиц двух типов: протонов и нейтронов . Вместе протоны и нейтроны атомного ядра называют нуклонами (т.е. ядерные частицы nucleus).

Важнейшими характеристиками протонов и нейтронов, как и других элементарных частиц, являются: масса покоя, заряд, спин (собственный механический момент движения) и среднее время жизни.

Протон (р ) несет положительный электрический заряд, по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду. Нейтрон(n ) - также элементарная частица, масса которого лишь на 0.1% больше массы протона, а электрический заряд равен нулю. Массы протона и нейтрона выражаются в атомных единицах массы (а.е.м.) 1а.е.м. равна 1/12 массы изотопа углерода^-12 и составляет [(1,66035±0,0003)10^-24 г]:

m_p =1,00728а.е.м. = 1,672∙10^-27 кг = 1836 m.е.

m_n = 1,00866а.е.м. = 1,675∙10^-27 к = 1838 m.e.

Протон - стабильная частица – представляет собой ядро атома водорода и не изменяет своих свойств во времени.

Нейтрон - вне ядра не стабилен и самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино:

n = p⁺ + e^- +n

И протон, и нейтрон обладают собственным моментом количества движения ( спином), равным в единицах .

Кроме механического момента, протон обладает собственным магнитным моментом: m_{0 =} (магнетон Бора), который имеет положительный знак и направлен в ту же сторону, что и спин. Оказалось, что измеренный собственный магнитный момент протона в 2,8 раза больше теоретического.

Еще большей неожиданностью оказалось наличие магнитного момента у нейтрона, так как в целом он не имеет электрического заряда.

Объяснение того, что собственный магнитный момент протона почти в 3 раза больше теоретического, а у нейтрона обнаружен магнитный момент, следует искать в их собственной структуре, которая как оказалось только относительно элементарна.

Как показали эксперименты по рассеянию очень быстрых электронов, атомными ядрами нуклоны имеют сложную внутреннюю структуру и не могут претендовать на роль истинно элементарных (бесструктурных) частиц. Согласно теорииЮкавы основная часть массы нуклона (например, у нейтрона-75%) содержится в «ядре» большой плотности и радиусом около 2.10^{-16 м. «Ядро» окружают концентрические оболочки (мантии), образованные двумя быстрыми π – мезонами. Протон и нейтрон содержат положительный и отрицательный электрические заряды; в нейтроне они оба представлены в равных количествах, поэтому средний заряд нейтрона равен нулю, в протоне же имеется излишний положительный заряд.}

Рис. Юкава

2.3 Свойства атомного ядра

Важнейшими характеристиками ядра являются их заряд, масса и размеры.

2.3.1 ЗАРЯД, ЧИСЛО НУКЛОНОВ И МАССА ЯДРА

Заряд атомного ядра равняется количеству протонов в ядре, которое совпадает с порядковым номером элемента (Z) в таблице Д.И. Менделеева. Заряды ядер были впервые определены Резерфордом в 1911 г. методом рассеяния альфа- частиц атомными ядрами.

Рис. Эрнест Резерфорд

В результате этой работы было высказано предположение, что номер элемента в периодической системе равен заряду ядра атома, выраженному в единицах заряда электрона.

В 1913 г. Мозли предложил для определения Z более простой способ определения заряда ядра. Исследовав рентгеновские спектры элементов, Мозли установил зависимость частоты ν характеристического рентгеновского излучения от порядкового номера элемента Z:

ν = const(Z-1)²

Таким образом, экспериментально было установлено, что заряд ядра , выраженный в единицах элементарного заряда, численно совпадает с порядковым номером элемента.

Заряд ядра, в силу нейтральности атома, в свою очередь определяет количество электронов в атоме. Поэтому в конечном итоге можно сделать вывод о том, что химические свойства атома определяются зарядом ядра и не зависят от его массы.

Другой важной характеристикой атомного ядра является его масса.

Массы атомных ядер , выраженные в обычных единицах массы, весьма малы и их обычно выражают в других единицах. В ядерной физике за одну атомную единицу массы (а.е.м.) принята 1/12 часть массы нейтрального изотопа углерода ¹² С, равной 12,000000 а.е.м. Значение а.е.м. в граммах составляет 1,66∙10^-24 г= 1,66∙10^{-27 кг. Точные значения атомных масс экспериментально определяются с помощью масс-спектрометрической техники.}

Так как, согласно уравнению Эйнштейна,

Е=mc² (2.1)

масса эквивалентна энергии, массу ядра можно выразить вместо атомных единиц массы в единицах энергии, принимая, что

1 а.е.м.=1,4923∙10^-10 Дж=931,5 Мэв.

Массу ядра следовало бы вычислять как сумму масс протонов и нейтронов, которые составляют ядро. Однако точное определение массы ядра показало, что экспериментально полученные значения массы всегда меньше значений, вычисленных как сумма масс частиц, составляющих ядро.

При изучении строения ядра следует различать два понятия: масса ядра , выражаемая в атомных единицах массы (а.е.м.) и число нуклонов А . Число нуклонов А равно сумме протонов и нейтронов в ядре.

А= (Sp +Sn) (2.2)

Значения А и Z являются главнейшими характеристиками ядра, определяющими его природу.

И так, символ Z и его числовое значение одновременно обозначают следующие физические величины:

1. Число протонов в атомном ядре;

2. Электрический заряд ядра;

3. Число электронов на всех оболочках атома;

4. Порядковый номер элемента в таблице периодического закона Д.И. Менделеева.

2.3.2 РАЗМЕРЫ ЯДЕР

Первое измерение размеров ядра было выполнено Резерфордом в 1911 году по рассеянию альфа- частиц на ядрах. В дальнейшем были разработаны и другие методы измерений размеров ядра, но все они основаны на наблюдении рассеяния различных частиц (протонов, альфа-частиц, нейтронов) атомными ядрами.

При анализе опытов по рассеянию заряженных частиц или по поглощению нейтронов под радиусом ядра понимается такое расстояние от его центра, на котором помимо сил кулоновского отталкивания, начинают действовать специфические ядерные силы, вызывающие притяжение частицы к ядру . Проведенные измерения показали, что ядра атомов всех элементов имеют размеры порядка 10^-15 −10^{-14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома. Все упомянутые методы позволяют определить то расстояние R от центра ядра, в пределах которого действуют ядерные силы.}

Если ядро в первом приближении считать шарообразным, то согласно экспериментальным данным, его радиус

R=r₀ ּA^1/3 , (2.3)

где А – число нуклонов в ядре, r₀ - постоянная величина равная (1,2-1,5) ּ10^-15 м. Если считать, что объем ядра приблизительно равен

V= R³ , (2.4)

тогда объем V пропорционален массовому числу –A, стало быть, плотность ядра является константой r=A/V, т. е. плотности всех ядер примерно одинаковы. Это указывает на практическую несжимаемость ядерного вещества и плотную упаковку нуклонов в ядре.

2.3.3 ИЗОТОПЫ, ИЗОБАРЫ, ИЗОТОНЫ

Разновидность атомов, ядра которых имеют определенное число нуклонов (протонов и нейтронов), называется нуклидом.

Символическая запись нуклидов включает химический символ ядра Х и индексы слева внизу “Z” ( число протонов в ядре) и “А” слева вверху- полное число нуклонов. Например,

Х, H, Ba, U, Na

В зависимости от содержания нуклонов нуклиды могут быть объединены в различные группы: изотопы, изобары, изотоны.

Изотопными нуклидами (изотопами) называются нуклиды, имеющие одинаковое число протонов. Они различаются только числом нейтронов. Поэтому все изотопы принадлежат одному и тому же химическому элементу. Так, например, изотопы

U , U, U, U, U

являются изотопами одного и того же элемента урана (Z= const).

Поскольку изотопы имеют одинаковое число протонов и одинаковое строение электронных оболочек, то они являются атомами близнецами- их химические свойства практически совпадают. Исключение составляют изотопы водорода - протий Н, дейтерий D, тритий Т, которые из-за слишком большого относительного различия атомных масс существенно отличаются по физико-химическим свойствам (таблица 2.1 ).

Таблица 2.1 Сравнение свойств обычной и тяжелой воды

№ п.п. Свойства Н₂ О D₂ O

1 Температура кипения, ⁰ С 100 101,4

2 Критическая температура,⁰ С 374,2 371,5

3 Плотность жидкости при 298,15 К, кг/ дм³ 997 1105

4 Диэлектрическая проницаемость при 298,15 К 78,5 78,3

5 Температура максимальной плотности, ⁰ С 3,96 11,6

6 Температура плавления, ⁰ С 0 3,82

7 Плотность льда в точке плавления, кг/ дм³ 918 1015

Химические превращения с тяжелым водородом происходят медленнее, чем с его легким изотопом.

Изотонными нуклидами (изотонами) называют нуклиды с одинаковым числом нейтронов и разным числом протонов. Примеры изотонов: Са и Тi, которые относятся к разным нуклидам. Термин этот употребляется крайне редко.

Изобарами называют разновидность нуклидов, ядра которых имеют разное число и протонов и нейтронов, но имеют одинаковое число нуклонов. Пример изобаров: Тi и Са.

Поэтому можно сказать, что нуклиды с одинаковым числом протонов– это разные изотопы одного элемента; нуклиды с одинаковым числом нуклонов– это изобары; нуклиды с одинаковым числом нейтронов – изотоны.

2.4 Энергия ядра

Энергия является одной из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике ее роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохране6ния энергии позволяет делать точные расчеты даже в тех случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными. Применительно к ядру рассмотрим несколько различных форм энергии.

2.4.1 ЭНЕРГИЯ ПОКОЯ

В соответствии с теорией относительности массе атома m можно сопоставить полную энергию покоя

Е₀ =mc²

Если в этой формуле с выражать в метрах на секунду, а m - в килограммах,то Е₀ получится в джоулях. Обозначим через m₀ единицу атомной массы, выраженную в килограммах: m₀ = 1,66∙10^{-27 кг} . Тогда m= m₀ А_r и Е₀ = А_{r ·} m₀ c² . Величину m₀ c² легко вычислить в джоулях, а затем в электрон-вольтах: m₀ c² = 931,5 Мэв. Отсюда

Е₀ =931,5А_r . (2.6)

Здесь А_r -относительная атомная масса, Е₀ _- полная энергия покояатома, МэВ.

2.4.2 ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА

Известно, что любая система стремится перейти в состояние с наименьшим запасом энергии. Это заключение термодинамики применимо и к таким микроскопическим образованиям, как атомные ядра. Исходя из этого, суммарная энергия нуклонов, взятых порознь, должна быть больше энергии ядра, состоящего из того же числа нуклонов.

Действительно, при сравнении массы нуклонов с массой ядра, оказывается, что последняя меньше на 0,005-0,01%, т.е. масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, составляющих это ядро на величину Δ_m :

Δ_m =(Zm_p +Nm_n )-m_я (2.7)

Величина Δ_m называется дефектом массы и служит мерой энергии связи ядра, т.е. той энергии, которая расходуется на взаимосвязь нуклонов в ядре. Поэтому чем больше выделившаяся при образовании ядра энергия, тем прочнее связано ядро. С другой стороны эта энергия является той энергией, которую необходимо затратить для того чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны . Эту энергию называют энергией связи ядра :

Е_св = Δ_m с² , или Е_св = 931,5Δ_m Мэв,

а с учетом ( 2.6) получим

Е_св = 931,5Δ А_r Мэв ( 2.8)

Если разделить Е_св на полное число нуклонов в ядре А, то получится средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре:

e_ср = Е_св /А (2.9)

Отсюда видно, что различные ядра имеют разную энергию связи, так как средняя энергия зависит от числа нуклонов вядре.

Например e_ср ( О)=128 Мэв; e_ср ( Не)=28 Мэв. Наименьшее значение e_ср у тяжелого изотопа водорода e_ср ( Н)=1,1 Мэв.

На рис. 2.1 приведена зависимость экспериментальных значений e_ср от массового числа А.

Рис.2.1. Энергия связи на нуклон в зависимости от числа нуклонов в атомных ядрах.

Исследование кривой энергии связи (рис. 2.1.) показывает, что атомы элементов, имеющих массовое число около 60 , обладают наибольшей стабильностью, так как при их образовании на один нуклон выделяется наибольшее количество энергии. Эти же элементы наиболее распространены в природе.

2.5 Устойчивость ядер

Ядерные силы крепко связывают в атомном ядре нуклоны между собой, благодаря чему самопроизвольный распад ядра на отдельные нуклоны абсолютно невозможен. Если ядро (А, Z) можно представить состоящим из таких двух частей (А₁ , Z₁ ) и (А₂ , Z₂ ), тогда

А_r (А, Z)® А_r (А₁ , Z₁ ) + А_r (А₂ , Z₂ ), (2.7)

то распад исходного ядра на эти две части

А_r (А, Z) > А_r (А₁ , Z₁ ) + А_r (А₂ , Z₂ ), (2.8)

оказывается энергетически выгодным и может происходить самопроизвольно . При этом весь избыток массы переходит в энергию разлетающихся частей.

Если имеет место обратное неравенство

А_r (А, Z) < А_r (А₁ , Z₁ ) + А_r (А₂ , Z₂ ), ( 2.9)

то распад невозможен. Поэтому неравенства типа (2.8 и 2.9) называют условиями устойчивости ядра по отношению к распаду данного вида.

Многие ядра устойчивы по отношению к одним видам распада и неустойчивы к другим. Нуклиды, ядра которых устойчивы по отношению к любым видам распада, называются стабильными.

На рис. 2. 2. представлена нейтронно-протонная диаграмма стабильных изотопов. По координатным осям отложены числа протонов и нейтронов в ядре, точками обозначены стабильные изотопы.

Из рисунка видно, что:

1. Стабильные нуклиды располагаются вдоль узкой дорожки.

2. При малом числе нуклонов стабильными оказываются ядра с N ≈ Z, лежащие вдоль биссектрисы координатного угла.

3. По мере увеличения числа нуклонов дорожка стабильных ядер отходит от этой биссектрисы влево, то есть стабильными оказываются ядра с N >Z. У тяжелых изотопов отношение N / Z, при котором они стабильны, достигает 1,6.

Рис.2.2. Диаграмма стабильных изотопов

С увеличением Z все более начинает проявляться разрыхляющее действие протонов, вследствие чего в атомах тяжелых ядер начинает наблюдаться избыток нейтронов. У элементов, начиная с Z>82 ядерные силы притяжения уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер. Такое ядро стремится перейти в стабильное состояние. В результате чего происходят процессы их внутренней перестройки.

Способность ядер или их возбужденных состояний спонтанно, самопроизвольно переходить в другие с меньшей энергией, испуская частицы или кванты, называется радиоактивным распадом , а явление испускания ядрами частиц или гамма - квантов, называется радиоактивностью

При этом при переходе ядра в более стабильное состояние нейтроны переходят в протоны с испусканием электрона (бета-распад). Если в ядре будет недостаток нейтронов (отношение N / Z лежит ниже области стабильности), то неустойчивость ядер определяется кулоновскими силами отталкивания. В этом случае переход в устойчивое состояние обычно реализуется путем испускания ядром альфа - частиц, состоящих из 2 нейтронов и двух протонов. Для более легких ядер переход в более устойчивое состояние ядра может осуществляться путем превращения протона в нейтрон и испусканием позитрона и нейтрино.

2.6 Ядерные силы

Нуклоны в атомных ядрах, несмотря на электростатическое отталкивание существующее между протонами, очень сильно связаны между собой. Об этом свидетельствует высокая стабильность ядер и тот факт, что для расщепления ядра требуется чрезвычайно высокая энергия. Следовательно, при взаимодействии между протонами и нейтронами проявляются особые силы притяжения, намного превосходящие по величине кулоновские. Эти силы называют ядерными силами . Эти силы непохожи ни на какие другие силы в природе (например, силы тяготения или силы электромагнитного поля). Известно, что при равных массах реагирующих веществ, энергия выделяющаяся в типичных ядерных реакциях в миллионы раз больше, чем в химических реакциях. Отсюда следует, что ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре должны быть очень большими по сравнению с силами, связывающими орбитальные электроны в атоме.

Природа ядерных сил составляет одну из важнейших, но до сих пор не решенных проблем современной физики. Тем не менее, уже сейчас можно говорить о некоторых особенностях ядерных сил.

1. Ядерные силы очень велики и действуют на очень коротких расстояниях (радиус их действия ограничен размерами ядер, 10^-15 м);

2. Особенностью ядерных сил является их избирательность. Они действуют только между нуклонами;

3. Каждый нуклон взаимодействует не со всеми нуклонами, находящимися в ядре, а только с несколькими соседними (свойство насыщения). Выражением этого свойства ядерных сил является приближенная формула, связывающая радиус ядра с массовым числом

R=r₀ ּA^1/3 ,

Из данного выражения следует, что плотность нуклонов в ядре постоянна.

Несмотря на очень быстрое возрастание ядерных сил с уменьшением расстояния, нуклоны в ядре не уплотнены до геометрически возможных пределов – ядро проницаемо;

4. Согласно представлениям японского ученого Юкавы нуклоны удерживаются в ядрах короткодействующими силами притяжения, возникающими за счет обменов p-мезонами.

n←→p⁺ + π^- и p⁺ ←→ n + π⁺ или n←→ n + π⁰ и p⁺ ←→ p⁺ + π⁰

Рис. Взаимные превращения нуклонов в ядре

Благодаря обмену мезонами протоны в ядре беспрепятственно превращаются в ядре в нейтроны, а нейтроны в протоны.

Таким образом, ядерные силы принадлежат к так называемым обменным квантово-механическим силам, которые могут действовать только в ядре.

2.7 Ядерные модели

Несмотря на то, что в настоящее время существуют различные модели структуры атомного ядра, стройнаая теоримя атомного ядра отсутствует. В то же время используя модели ядра, можно описать некоторые свойства атомного ядра, а в отдельных случаях также количественно описать их. Однако с помощью одной модели невозможно дать объяснения всем свойствам атомного ядра. Наиболее важными являются модель Ферми-газа, модель жидкой капли и оболочечная модель. Последняя в некоторой степени похожа на оболочечную модель атома Бора, поскольку она допускает, что содержащиеся в ядре протоны и нейтроны распределены по оболочкам.

2.7.1 КАПЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ

Первой моделью ядра была капельная модель, развитая в работах Н. Бора, Дж. Уиллера и Я. Френкеля. В этой модели атомное ядро рассматривается как сферическая капля заряженной жидкости. Основанием для такой аналогии послужило то, что плотность ядерного вещества у всех ядер вблизи линии стабильности приблизительно одинакова, что говорит о его несжимаемости. Кроме того, с жидкостью ядерное вещество сближает и свойство насыщения ядерных сил (энергия связи ядер приблизительно пропорциональна массовому числу). Здесь мы встречаемся с явлениями, напоминающими поверхностное натяжение в жидкостях. Внутри ядра плотность примерно постоянна, на границе его действует большая сила, препятствующая выходу из него нуклонов. Энергию связи нуклонов в атомных ядрах можно сравнить с теплотой испарения жидкостей. В рамках капельной модели удалось объяснить многие свойства атомного ядра и получить полуэмпирическую формулу для энергии связи атомных ядер (формула Вайцзеккера), которая позволила понять некоторые закономерности в - и b- распадах, делении ядер и грубо оценивать массы и энергии связи новых ядер

Капельная модель подтверждается также делением ядер. Наиболее тяжелые ядра (если они возбуждены могут делиться на две части, освобождая при этом большое количество энергии. Однако ядра делятся не на две равные части и не все расщепляются одинаковым образом. С этой точки зрения атомное ядро ведет себя подобно капле жидкости, которая под внешним воздействием приходит в состояние деформационных колебаний и разваливается на две части. По-видимому и ядро в результате возбуждения удлиняется, что в середине его образуется сужение, которое затем разрывается, и ядро оказывается разделенным. Место образования и разрыва перетяжки, то есть размеры продуктов деления, определяются случайными причинами.

2.7.2 МОДЕЛЬ ФЕРМИ-ГАЗА

Согласно этой модели ядро уподобляется разреженному газу, заключенному в определенном объеме. Модель Ферми- газа дает возможность понять некоторые общие закономерности ядерной структуры и прежде всего тот факт, что нуклоны в ядре движутся. Это движение наблюдалось в многочисленных опытах по изучению взаимодействия налетающих частиц с нуклонами ядра.

2.7.3 ОБОЛОЧЕЧНАЯ МОДЕЛЬ

Многие явления, в первую очередь связанные с периодичностью свойств ядер, капельная модель и модель ферми-газа объяснить не в состоянии. Экспериментальным путем доказано, что важные свойства атомных ядер (дефект массы, стабильность, распространенность в природе, энергия связи и др .) периодически изменяются с увеличением числа нуклонов в ядрах. Это позволило создать оболочечную модель структуры ядра, в некоторой степени, аналогичную оболочечной модели атома Бора, поскольку она допускает, что содержащиеся в ядре нейтроны и протоны распределены по оболочкам. Оболочечная модель основана на том, что при определенных числах протонов и нейтронов, равных:

n 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

p 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114

встречается особенно много нуклидов, которые наиболее стабильны, то есть, обладают большой энергией связи. Эти числа называются магическими числами ядерной структуры. Магические числа нейтронов и протонов по аналогии с атомами соответствуют полностью заполненным оболочкам. Различие в магических числах - 126 (для нейтронов) и 114 (для протонов) - обусловлено кулоновским взаимодействием. Действие этих чисел проявляется столь сильно, что при прохождении числа нуклонов через каждое значение магического числа, в ядре изменяется распределение заряда и форма заряда. Самыми стабильными оказались дважды магические ядра, то есть те, у которых количество и протонов и нейтронов равно магическому числу. Это гелий-4, кислород-16, кальций-40, кальций-48 и свинец-208. Если бы свинец не имел дважды магического ядра, он был бы радиоактивным и давно бы распался. Согласно теории оболочек, дважды магические ядра - основа нашего мира. Это пики его стабильности, все остальные элементы не более чем отклонения, которые группируются вокруг пиков. В начале и в середине таблицы Д. И. Менделеева пики расположены столь близко, что возникает непрерывная череда стабильных и долгоживущих изотопов.

При количественной разработке оболочечной модели атомного ядра принимают, что для ядер справедливы с соответствующими видоизменениями принципы установленные Бором, Паули для электронных оболочек. Делались попытки на основе экспериментальных данных разработать теорию периодической системы атомных ядер. Согласно этой теории каждый нуклон в атоме движется в силовом поле, создаваемом другими нуклонами. Состояние отдельных нуклонов определяется четырьмя квантовыми числами (n, l, m , s).

Протоны или нейтроны занимают отдельные энергетические уровни (квантовые состояния) независимо друг от друга. Протонные и нейтронные уровни, соответствующие одинаковым квантовым числам, совпадают не полностью, так как электростатическое отталкивание протонов повышает протонные уровни.

Оболочечная модель удовлетворительно объясняет явления, связанные с периодичностью, однако в других случаях она недостаточно точна. Как мы уже говорили, до сих пор не удалось создать теорию, однозначно объясняющую все известные свойства атомных ядер. Возможно, структура атомного ядра в основном и возбужденном состояниях существенно различается, так что основное состояние ближе к оболочечной модели , а сильно возбужденное состояние отвечает капельной модели .

ВОПРОСЫ

1. Назовите несколько элементарных частиц. Какие общие признаки элементарных частиц?

2. Какое доказательство можно привести для подтверждения того, что атом имеет положительно заряженное ядро, окруженное электронами?

3. Из каких элементарных частиц построено атомное ядро?

4. Какое различие существует между числом нуклонов и массой нуклида.

5. Что такое изобары, изотопы, изотоны?

6. Что такое магическое число?

7. Опишите модель жидкой капли.

8. Как определить заряд ядра атома?

9. Определить примерно число атомов, содержащихся в булавочной головке.

10. Можете ли вы назвать несколько короткодействующих и дальнедействующих сил, наблюдаемых в повседневных явлениях?

11. Опишите несколько простых случаев, в которых вероятностная функция может быть использована для передачи имеющихся данных.

12. Какие из приведенных ядер являются четно-четными, нечетно-четными, четно-нечетными, нечетно-четными: ¹ H, ³ H, ⁴ He, ¹⁶ O, ³² P, ³⁵ S, ⁴⁰ K, ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe, ⁶⁰ Co, ¹³⁷ Cs , ¹⁴⁰ Ba, ¹⁴⁰ La, ²¹⁰ Po, ²³⁵ U, ²³⁸ U?

Глава 3. Радиоактивность

3.1 ЗАКОНЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

Ранее было показано (раздел 2.4), что все ядра стремятся к устойчивости. Ядра, обладающие избытком протонов или нейтронов, становятся неустойчивыми в результате чего они распадаются на более устойчивые ядра. При этом происходит эмиссия из ядер (a-частиц, b-частиц) или происходит захват ядрами К-электронов и выделение энергии(в форме кинетической энергии частиц или g-квантов).

Нестабильность радиоактивных атомных ядер обусловлена их внутренним строением, и их распад происходит с определенной вероятностью. На современном уровне знаний мы не можем предсказать, за какое время распадется тот или иной атом.

В обычных лабораторных условиях на этот процесс не оказывают никакого влияния ни изменение температуры, ни повышение или уменьшение давления, ни магнитные, ни электрические поля. Скорость распада изменяется при непосредственном воздействии на атомные ядра ( космическое излучение, бомбардировка быстрыми частицами), а также при очень высоких температурах.

Распады любых атомных ядер одного и того же нуклида равновероятны. Поэтому, если таких ядер достаточно много, общая скорость распада (т.е. число ядер dN, распадающихся за время dt) пропорциональна числу N атомов, имеющихся в наличии.

(3.1)

Коэффициент пропорциональности l называется постоянной распада , представляет собой долю распадающихся ядер в единицу времени dtи имеет смысл вероятности распада каждого отдельного ядра в единицу времени .

(3.2)

Знак «-« говорит об уменьшении числа ядер. Иногда вместо постоянной распада пользуются обратной величиной, которую называют средним временем жизни и обозначают буквой t .

t = 1/ l (сек^-1 ).

Постоянная распада и соответственно среднее время жизни радиоактивного элемента зависит только от его порядкового номера и числа нуклонов и не зависит от его количества, поэтому она является одной из характеристик данного радиоактивного нуклида.

Выражение 3.1 представляет собой основной закон радиоактивного распада в дифференциальной форме. .

Если нужно установить число радиоактивных ядер, не распавшихся (оставшихся) по истечении промежутка времени t, то пользуются интегральной формой основного закона распада, которую получают в результате интегрирования формулы (3.1), при условии, что в начальный момент времени t = 0, число ядер составляло N₀ , тогда:

, или ln

и соответственно число оставшихся ядер (N_t ) будет равно:

N_t = N_o e^- ^l ^t (3.3)

Экспоненциальный закон уменьшения со временем числа радиоактивных ядер представляет собой математическую запись того, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, вероятность которого постоянна и не зависит от времени.

Если необходимо установить число распавшихся ядер к моменту времени t, то записывают:

N_р = N_o - N_t , или

N_р = N_o (1- e^- ^l ^t ), (3.4)

где N_р - число распавшихся ядер к моменту времени t.

3.2 Абсолютная радиоактивность

Скорость радиоактивного распада называется абсолютной радиоактивностью и обозначается:

а = = lN, (3. 5)

а в интегральной форме:

а = а_о exp(-lt) (3. 6)

Итак, активность уменьшается во времени по такому же экспоненциальному закону, что и число ядер N .

В соответствии с определением – радиоактивность измеряется числом распадов в 1с. Единицей активности в СИ является беккерель(Бк).

До введения СИ применялись и другие единицы радиоактивности: кюри(Ки) и резерфорд(Рд).

Ки – 3,7 10¹⁰ расп/сек, Рд – 1 10⁶ расп/сек.

Отметим, что 1г чистого²²⁶ Ra имеет активность 1Ки .

В практической работе абсолютная радиоактивность препаратов, как правило, не определяется непосредственно. Измерительные приборы обычно дают величину, пропорциональную а , ее называют регистрируемой активностью I, которая связана с абсолютной радиоактивностью через коэффициент j :

I= а ּ j , ( 3.7)

где j - коэффициент пропорциональности, или коэффициент регистрации.

Регистрируемая активность также следует основному закону распада:

I_t = I_o exp(- l t). ( 3.8)

3.3 Период полураспада

Кроме величины радиоактивной постоянной и средней продолжительности жизни, устойчивость радиоактивного ядра можно характеризовать также с помощью периода полураспада Т_1/2 .

Периодом полураспада Т_1/2 называется промежуток времени, в течение которого распадается половина наличного количества ядер данного изотопа .

Число ядер N, абсолютная активность а, регистрируемая активность I, за время, равное периоду полураспада уменьшается в двое. Заменив в выражении (3.3 ) N_t на N_о /2 , а t на Т_1/2 получим

N_о /2 = N_o e ^- ^l ^Т _1/2 или = e ^- ^l ^Т _1/2 (3.9)

,

Отсюда следует, что

, (3.10)

Так же как и постоянная распада l, Т_1/2 не зависит от внешних факторов и одинаков для всех радиоактивных ядер данного вида не зависимо от того в какие соединения они входят.

Уравнения (3.8) и (3. 9) позволяют быстро рассчитать степень распада радиоактивного вещества за данный промежуток времени, выражаемый числом периодов полураспада n =t/ Т. В этом случае

= . (3.11)

В общем случае по истечении n периодов полураспада в образце останется (1/2)ⁿ первоначального числа ядер. Из (3.12) следует так называемое правило десяти периодов полураспада, т.е. промежутка времени, когда практически все вещество распадется (останется меньше 0,1 % от исходного количества). Теоретически же радиоактивный образец никогда не распадается целиком, так как выражение ехр(- l t) не превращается в нуль ни при каких значениях t. Следует отметить, что это правило имеет относительный характер, так как при больших исходных количествах радиоактивного вещества конечная величина также будет большой.

3.4 Радиоактивное равновесие

Экспоненциальный закон радиоактивного распада в дифференциальной и интегральной формах справедлив, если количество радиоактивных ядер только уменьшается за счет распада.

Часто в результате распада образуется ядро нестабильного нуклида. В этом случае оно со временем также распадается, затем может последовать третий распад и т.д., пока не возникнет ядро стабильного нуклида.

Схематично цепочку последовательных распадов можно изобразить:

А ® В ® С ® . . . S(стаб.)

Совокупность нуклидов, связанных между собой взаимными радиоактивными превращениями называют радиоактивными семействами. При этом при любом акте распада А ® В, нуклид А называется материнским по отношению к В, а В - дочерним по отношению к А.

В этих случаях, закон радиоактивного распада имеет более сложный вид. Обозначим числа ядер материнского вещества А через N₁ , а дочернеговещества В через N_{2 .} Каждый акт распада ядер материнского вещества А приводитк образованию ядер дочернего вещества В, также радиоактивного.Запишем систему уравнений реакций распада и накопления материнского и дочернего вещества. Для материнского вещества А скорость распада:

(3.12)

Для дочернего вещества В скорость изменения числа ядер выражается уравнением

(3.13)

Откуда можно записать:

dN₂ = l₁ N₁ dt - l₂ N₂ dt (3.14)

Проинтегрировав выражение (3.15) и приняв, что в первоначальный момент количество ядер дочернего элемента было N₂ = 0 , а период полураспада материнского вещества намного больше периода полураспада дочернего: (Т_1/2 )₁ » (Т_1/2 )₂ , т. е. l ₁ « l ₂ и t « (Т_1/2 )₁ , получим:

l₁ N₁ =l₂ N₂ ( 3.15)

Такое состояние системы, содержащей материнский нуклид и связанные с ним дочерние нуклиды, при котором соотношение количества материнского и дочерних ядер не меняется с течением времени , называют радиоактивным равновесием или вековым равновесием.

Вековое равновесие позволяет определять периоды полураспада долгоживущих радионуклидов по определенным экспериментально периодам полураспада дочерних элементов.

3.5 Радиоактивные семейства

Как было отмечено выше, радиоактивные нуклиды, возникающие друг за другом, вследствие распада одного материнского вещества, образуют радиоактивное семейство , последний элемент которого представляет собой стабильный не радиоактивный элемент.

Переход одних элементов в другие осуществляется путем a и b - распада. Массовые числа при a - распаде меняются сразу на 4, заряд ядра меняется на 2 единицы:

Х ® Х + Не

и новый элемент отстоит в этом случае на две клеточки влево в периодической системе, например:

Ra Rn

При b - распаде массовые числа не меняются вовсе, а заряд увеличивается на 1 и новый элемент сдвигается вправо в периодической системе:

Х X + e

Очевидно, например, что все продукты распада изотопа тория ²³² Th , массовое число которого кратно четырем ( 4n), тоже должны иметь делящиеся на четыре массовые числа: А= 232, 228, 224 и т. д. Соответственно все продукты распада урана ²³⁸ U (4n+2) будут иметь массовые числа А= 238, 234, 230, и т.д., деление которых на 4 дает 4n+2. Поэтому, в принципе, в природе могут существовать 4 независимых семейства радиоактивных элементов с массовыми числами 4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3, где n - целое число. Фактически в природе найдено три ряда радиоактивных семейств. Это ряд тория( 4n), ряд урана (4n+2) и ряд актиния (4n+3) .

Четвертое семейство с формулой 4n + 1 (семейство нептуния) не было обнаружено в природе, так как оно состоит из нуклидов со сравнительно короткими периодами полураспада. Поэтому за время существования Земли все они давно распались.

Для любого члена радиоактивного ряда справедливо выражение

l₁ N₁ =l₂ N_2. = l_і N_і , (3,16)

где l_i N_i постоянная распада и число ядер i-того члена радиоактивного семейства. Исходя из этого выражения, можно вычислить содержание любого дочернего элемента, зная содержание материнского и наоборот.

Таблица 3.1. Некоторые данные о четырех радиоактивных семействах

Структура массового ядра Название семейства Материнское ядро Период полураспада замыкающее стабильное ядро

А = 4n ториевое 1,39× 10¹⁰ лет

А = 4n+1 нептуниевое 2,2× 10⁶ лет

А = 4n+2 урано-радиевое 4.5× 10⁹ лет

А = 4n+3 урано-актиниевое 7.18× 10⁸ лет

Кроме представленных в таблице четырех радиоактивных семейств слабо выраженной радиоактивностью обладают еще ряд естественно радиоактивных изотопов:

(a) Т_1/2 5 ·10¹¹ лет

²⁴⁴ Pu (a) Т_1/2 = 8,2 10⁷ лет

(b^- , b⁺ , K-захват) Т_1/2 = 1.27 ·10⁹ лет

V(b^- , K-захват) Т_1/2 = 6· 10¹⁵ лет

(b^- ) Т_1/2 = 5.7 ·10¹⁰ лет

(b^- ) Т_1/2 = 5.0 ·10¹⁴ лет

( K-захват) Т_1/2 = 1.2·10¹³ лет

(b^- , K-захват) Т_1/2 = 1.1 ·10¹¹ лет

(a) Т_1/2 = 2.4 ·10¹⁵ лет

(a) Т_1/2 = 1.1 ·10¹¹ лет

(a) Т_1/2 = 2.0 ·10¹⁵ лет

(b^- ) Т_1/2 = 3.6 ·10¹⁰ лет

(b^- ) Т_1/2 = 6.0 ·10¹⁰ лет

(a) Т_1/2 = 7.0 ·10¹¹ лет

ВОПРОСЫ

1.Сформулируйте закон радиоактивного распада в диффереренциальной форме.

2.Сформулируйте закон радиоактивного распада в интегральной форме.

3. Как определить число распавшихся и оставшихся ядер по истечении времени t?

4.Дайте определение абсолютной радиоактивности радионуклида и единицы радиоактивности.

5. Дайте определение периода полураспада радиоактивного вещества.

6. Дайте определение радиоактивного равновесия.

7. Что собой представляют радиоактивные семейства?

Глава 4. Типы ядерных превращений

После открытия явления радиоактивного распада, Э. Резерфорд, сосредоточил внимание на изучении этого явления. В 1899 г. Э. Резерфорд установил, что излучение урана состоит из двух компонент, обозначенных впоследствии первыми буквами греческого алфавита и , спустя год П. Вийар открыл гамма-излучение (γ).

Рис.4.1.Отклонение альфа-, бета- и гамма-лучей в электрическом и магнитном полях

В 1903 г Резерфордом и Содди была предложена теория радиоактивного распада атомов, согласно которой в результате радиоактивного распада происходит превращение одного химического элемента в другой. В процессе эмиссии радиоактивного излучения вещество претерпевает ряд изменений. При этом довольно быстро было обнаружено, что разные ядра распадаются по-разному с испусканием различных частиц в зависимости от комбинации частиц в ядре или его состояния.

В 1913 г. Содди и Фаянс независимо друг от друга сформулировали правило смещения при различных видах радиоактивного распада.

Радиоактивные превращения обладают двумя особенностями, делающие их более простыми по сравнению с химическими превращениями.

Первая особенность заключается в том, что для всех типов радиоактивных превращений справедлив один кинетический закон.

Вторая особенность состоит в том, что количество типов радиоактивных превращений очень ограничено.

В настоящее время известно семь основных типов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, гамма-распад, спонтанное деление, испускание запаздывающего нейтрона и запаздывающего протона.

Испускание каждой частицы или g-кванта переводит ядро с энергетически более высокого уровня на новый более низкий уровень. Разность между исходным и конечным энергетическим уровнем (за вычетом энергии, связанной с массой покоя вылетающей частицы) характеризуют полную энергию распада.

Радиоактивный распад в общем виде можно записать уравнением:

А ® В + Х + DЕ, где:

А - материнский нуклид,

В - дочерний нуклид,

Х - испускаемая частица или квант,

DЕ - кинетическая энергия испускаемых частиц или гамма- квантов.

Рассмотрим основные типы ядерных превращений.

4.1 Альфа - распад

Альфа распадом, называются ядерные превращения, при котором из ядра вылетает a-частица, являющаяся ядром атома гелия Не и движущаяся со скоростью 1,4×10³ -2,6×10³ км/с. Пробег в воздухе 2,5 - 9 см.

Превращения с испусканием a-частиц характерны в основном для ядер атомов тяжелых элементов, исключение составляют ядра Ве, практически мгновенно распадающиеся на две a-частицы, а также искусственно получаемого изотопа ¹⁵² Sm.

С огласно правилу смещения Фаянса и Соддии a -распад всегда приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на две клетки левее от исходного элемента в периодической системе и имеющего на четыре единицы меньшее массовое число.

Образуется Возникшее при альфа – распаде ядра находятся в возбужденном состоянии и постепенно переходят в основное состояние, испуская γ – кванты .

А ® В + α + γ + DЕ ( 4.1)

Ро ® Рb + Не.

Часть энергии при a-распаде может быть выделена в виде фотона:

U ® Th + Не + g.

Как правило, испускаемый γ – квант в реакции не записывается. Энергетический баланс этой реакции можно записать в следующем виде

Е_общ = Е_α + Е_γ + Е_отд

Схематично a-распад можно записать

или (А,Z) ® (А - 4, Z - 2) + a.

Если обозначить массу исходного (материнского) ядра М, массу дочернего М и массу a-частицы m_a , то энергетическое условие самопроизвольного a-распада может быть записано как:

МС² > МС² + m_a С² , (4. 2)

Таким образом, a -распад происходит тогда, когда масса исходного ядра превышает массу конечного, более чем на массу одной a -частицы или разница в дефектах масс материнского и дочернего ядер больше дефекта массы альфа- частицы:

Δ _m ( A,Z)- Δ _m (A-4, Z-2)> Δ _m ( α) (4.3)

Нетрудно подсчитать, что эти условия одновременно выполнимы для элементов периодической системы, начиная с А>120.

По современным представлениям альфа- частиц в ядре постоянно не существует, Они образуются при встрече двух протонов и двух нейтронов, т.е. при избытке протонов и нейтронов. В то же время, чтобы альфа- частица могла покинуть ядро, ей необходимо преодолеть ядерные силы, потенциальный барьер, величина которого 25 – 30 Мэв. На самом деле энергия альфа-частиц покидающих ядро лежит в пределах 4-9 Мэв. Это несоответствие объясняется квантовой механикой, согласно которой, альфа - частицам присущи волновые свойства.

Важное свойство a - распада заключается в том, что периоды полураспада исходного ядра меняются в громадных пределах, а энергия всех измеряемых частиц лежит в сравнительно узком интервале приблизительно от 4 до 9 Мэв.

Установлено также, что чем меньше период полураспада, тем больше энергия a-частиц.

Гейгер и Неттол вывели эмпирическое уравнение, описывающее с хорошей точностью большинство случаев a-распада:

lgT_1/2 = A - BE_a ( 4. 4)

4.2 Бета - распад

Бета распадом называется процесс самопроизвольного превращения нейтрального ядра в ядро - изобар с зарядом отличным на DZ = ±1. Скорость, испускаемых при бета-распаде b - частиц близка к скорости света.

Как и a-излучение, b - излучение отклоняется в магнитном и электрическом полях, но в противоположную сторону и на большее расстояние. Это указывает на то, что бета-излучение является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению e/m Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны.

Согласно правилу смещения Фаянса-Содди b - распад приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на одну клетку правее от исходного элемента без изменения массового числа.

Для того, чтобы отличать электроны, возникающие при ядерных превращениях, их стали называть бета-частицами . Несмотря на то, что обычно говорится об испускании электронов ядрами, атомные ядра в чистом виде не содержат электроны. Бета – частица образуется в самом акте ядерного превращения.

Известны три вида b-распада: электронный b -распад, позитронный b ⁺ -распад и электронный К-захват электрона ядром с одной из ближайших к ядру оболочек.

При бета-распаде массовые числа ядер не изменяются, а изменяется лишь заряд, на единицу больше в случае b^- -распад и на единицу меньше в случае b⁺ -распада и К-захвата. Согласно правилу сдвига Фаянса-Содди , для этих типов распада можно записать:

Все три вида b-распада сводятся к следующим видам взаимного превращения нуклонов в ядре.

b^- -распад – n^o ®р⁺ + e^- + ; Р ® S + e^- + ; (b -распад);

b⁺ -распад – р ® n^o + е⁺ + ; С ® В + е⁺ + (b⁺ -распад);

К-захват – р⁺ + e^- ® n + ; Cs + e^- ® Xe + ( К- захват)

Таким образом, электроны и позитроны не находятся в ядре, а возникают в момент перехода одного нуклона в другой. Как видно из схем b- превращений, характерной чертой всех видов превращений является испускание нейтрино или антинейтрино .

Впервые понятие о нейтрино ввел В. Паули в 1930 году для объяснения «потерянной» части энергии при радиоактивном распаде с испусканием электрона. Суммарная энергия частиц и гамма квантов, оказывалась несколько меньшей энергии частиц, вступающих во взаимодействие. Паули предположил, что недостающая часть энергии улетает с частицей, которую он назвал «нейтрино». Нейтрино – незаряженная элементарная частица обладает массой покоя, близкой к нулю. Нейтрино обладает исключительной проникающей способностью. Его крайне трудно обнаружить, так как прохождение нейтрино через материальную среду практически не сопровождается каким-либо эффектом. Такими же свойствами обладает и антинейтрино.

Как видно из схем превращений при электронном бета-распаде один из нейтронов превращается в протон, и материнское ядро испускает электрон и антинейтрино. Схематически этот процесс представляется таким образом:

С

+
Электронный бета-распад может сопровождаться также гамма- излучением. Это происходит в том случае, когда в процессе распада, образуется ядро, находящееся не в основном, а в возбужденном состоянии. Примером такого распада служит превращение стронция в иттрий:

+ + g

Обратный процесс превращения протона в нейтрон в свободном состоянии невозможен, поскольку масса нейтрона больше массы протона. Однако ядра, расположенные в координатах N и Z ниже линии стабильности, в результате перегруппировки нуклонов, могут перейти из менее стабильного состояния в более стабильное состояние путем замены одного протона на нейтрон. При этом протон теряет свой заряд, превратившись в нейтрон и позитрон (е⁺ ), частицу несущую положительный заряд, но обладающую массой электрона. Так как при испускании позитрона происходит захват электрона с электронной оболочки, обеспечивающий сохранение электронейтральности атома, позитронный распад может протекать в случае, если разность энергий в конечном и исходном состояниях превышает 1,02 МэВ, то есть больше массы покоя двух электронов. При позитронном распаде позитрон немедленно покидает ядро, и после замедления его масса аннигилирует вместе с массой электрона. О наличии позитронного распада свидетельствует регистрация двух гамма - квантов с энергиями 0,51 МэВ. Этот процесс идет с поглощением энергии, так как масса нейтрона больше массы протона.

При аннигиляции позитрона с электроном их масса полностью превращается в энергию двух g - квантов. Эта энергия образуется за счет перестройки остального ядра:

е^_ + е⁺ ® 2g + 1,02 Мэв

Позитронная эмиссия очень редка у естественных радионуклидов и встречается в основном у искусственно полученных радионуклидов с помощью ускорителей частиц:

О ® N + e⁺ ; Fe ® Mn + e⁺ + g

Если значение энергии превращения меньше 1,02 Мэв, то эмиссия позитронов не возможна. В этом случае материнский нуклид переходит в дочерний путем захвата электрона так называемого К-захвата .

Для ядер тяжелых элементов с недостатком нейтронов (нейтронодефицитное ядро), превращения протонов в нейтроны происходит только по механизму электронного К-захвата. Поскольку в атоме К-электроны в среднем находятся наиболее близко к ядру, то существует некоторая вероятность захвата ядром электрона с К – оболочки.

Так как масса нейтрона больше суммарной массы протона и электрона, для реализации этой реакции нужна дополнительная энергия. Эта энергия берется за счет увеличения энергии связи у вновь образовавшегося ядра. Для атомов тяжелых элементов К-захват более вероятен, чем позитронная эмиссия.

Захват электрона ядром всегда сопровождается рентгеновским излучением , так как на освободившееся место на нижнем энергетическом уровне сразу переходят орбитальные электроны из оболочек расположенных выше.

Кроме того, К-захват сопровождается испусканием электронов Оже с возбужденных электронных оболочек атома.

Для ядер легких элементов распространены все три варианта b - распада.

As Se +e^- +

As Ge +e⁺ +

As+ e^- Ge +

Бета-распад энергетически возможен, если масса покоя системы в начальном состоянии больше ее массы покоя в конечном.

Поскольку масса покоя нейтрино (антинейтрино) равно 0, энергетические условия b- превращений имеют вид:

М(Z,A) > М(Z + 1), A + m_e- (b ) - распад

М(Z,A) > М(Z - 1), A + m_e+ (b⁺ ) распад

М(Z,A) + m_e > М(Z - 1), A -К захват

Из этих условий видно, что К- захват энергетически более выгодный, чем позитронный распад.

Так как энергия возбуждения, которая уносится из ядер при b - распаде перераспределяется между электроном и антинейтрино или между позитроном и нейтрино и подчиняется закону случайностей, b - распад имеет непрерывный энергетический спектр. Сумма энергий b - частицы и нейтрино (антинейтрино) всегда равна постоянной величине, характерной для данного изотопа и называется максимальной энергией b - спектра.

Э. Ферми вывел эмпирическое уравнение, связывающее максимальную энергию b- излучения с постоянной распада, λ :

λ = k E

Максимальная энергия бета- частиц лежит в интервале 0,015 – 15 МэВ, а периоды полураспада изменяются от 0.3 с до 6.10¹⁴ лет

4.3 Гамма - излучение ядер (изомерный переход)

Под гамма - излучением понимается электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях.

Гамма - излучение является вторичным процессом, сопровождающим процессы a - и b -распада. Гамма- кванты испускаются не непосредственно радиоактивным веществом, а дочерним нуклидом, который находится не в основном, а в возбужденном состоянии. Переход дочернего ядра из возбужденного состояния в основное приводит к эмиссии g - квантов.

При испускании гамма - квантов в ядре не изменяется ни число нуклонов А, ни его заряд Z.

Так как время жизни ядер в возбужденных состояниях очень мало (t < 10^-10 с), то при a- и b- распадах g-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Поэтому обычно этот процесс не выделяют в самостоятельный вид распада, а говорят лишь о гамма - излучении, сопутствующем другим видам распада :

Th ® Ra + He + g ;

Cl ® Ar + b^- + g

Pa + e^- ® Th + g

Однако в некоторых случаях, из-за квантово - механических запретов время жизни ядра в возбужденном состоянии может оказаться весьма большим.

Внешне распад таких возбужденных ядер выглядит как обычный радиоактивный распад с испусканием только g-квантов, т.е. как g-распад.

Уровни ядер с аномально большими временами жизни t> 10 ^-10 с называют метастабильными уровнями, а ядро находящееся в метастабильном состоянии, называется изомером к ядру, находящемся в основном состоянии.

В случае изомерных переходов интенсивность g-излучения убывает во времени по обычному экспоненциальному закону с периодом полураспада данного метастабильного уровня. Например: Bа образуется при позитронном распаде La:

La ^m Bа,

который затем путем эмиссии гамма- квантов с периодом полураспада 38,9 ч переходит в

¹³³ Ba:

^m Bа Bа

Гамма-излучение имеет ту же природу, что и радиоволны, рентгеновские, видимый, ультрафиолетовый, инфракрасный цвет все эти виды излучения различаются условиями образования и свойствами (энергией, частотой, длиной волны). В таблице 4. 1 приведены основные виды электромагнитного излучения в зависимости от энергии фотонов и длины волны.

Таблица 4.1. Основные виды электромагнитного излучения в зависимости от энергии фотонов и длины волны

Вид излучения Энергия фотонов, эВ Длина волны, см

Радио (до УВЧ) < 0,00001 (10^-5 ) > 10

Микроволновое 1×10^-5 -1×10^-2 0,01 - 10

Инфракрасное 0,01 - 1 0,0001 - 0,01

Видимое 1 - 6 10^-5 - 10^-4

Ультрафиолетовое 6 – 10³ 10^-7 -2×10^-5

Рентгеновское 10³ -10⁵ 10^-9 - 10^-7

Собственно g-излучение > 10⁵ 10^-8 - 10^-12

Как видно из таблицы, радиоволны, видимый свет, УФ и g - излучения имеют одну и ту же природу, но различаются условиями образования и свойствами (энергией или частотой).

Во многих процессах g-кванты проявляют себя как частицы, которые называются фотонами. Масса покоя их равна нулю. Скорость распространения гамма - квантов равна скорости света. Энергия фотона зависит от частоты n или от длины волны l гамма-излучения связь между которыми дается соотношением:

E_g = hn = h , где с - скорость света, h - постоянная Планка.

4.4 Спонтанное деление

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом справедлива даже для очень тяжелых элементов, вплоть до 176 элемента. Однако до настоящего времени столь тяжелых атомов никто не находил ─ значительно раньше ядро самопроизвольно распадается на две части. Это явление ─ спонтанное (самопроизвольное) деление урана-238 обнаружили в 1940 г. советские физики Г.Н. Флеров и К.А. Петржак. Период полураспада был ими оценен приблизительно в 10¹⁵ -10¹⁶ лет.

Спонтанное деление это процесс радиоактивного распада, при котором материнское ядро распадается в основном состоянии и без всякого влияния извне на два осколка с близкими массами. Например, при делении ядра урана могут образовываться осколочные ядра Ba и Kr, La , Br и так далее.

Процесс спонтанного деления принято обозначать буквой f.

Спонтанное деление атомных ядер особый процесс, характерный только для самых тяжелых ядер, начиная от тория и дальше в сторону больших Z. Обнаружено, что периоды полураспада спонтанного деления изотопов уменьшаются с увеличением порядкового номера Z ( табл.4.2).

Таблица 4.2. Периоды полураспада спонтанного деления тяжелых ядер

Ядро U Pu Cm Cf Fm

Т_1/2 , 3.0 ·10¹⁷ лет 7.4 ·10¹⁰ лет 6.0·10⁶ лет 5 час 2.6 час с

Для нечетных ядер значение периода полураспада спонтанного деления в среднем на 3-4 порядка больше, чем среднее значение периодов полураспада соседних четно-четных рядов.Для нуклидов с числами протонов и нейтронов близкими к магическим числам Z=114 и N=184, рассчитаны очень большие периоды полураспада спонтанного деления, что является предпосылкой для поиска еще не известных сверхтяжелых элементов.

Спонтанное деление, как и альфа-распад, можно объяснить с помощью туннельного эффекта, который наблюдается только у самых тяжелых ядер (Z>90, А>230 ). Известно лишь небольшое число нуклидов (²⁵⁰ Cm, ²⁵⁴ Cf, ²⁵⁶ Fm, ²⁶⁰ Rf), для которых спонтанное деление преобладает над другими видами распада.

Спонтанное деление хорошо описывается моделью жидкой капли. Делению способствует кулоновское отталкивание между протонами, энергия которого (U_кул ) в сферическом ядре с радиусом R пропорциональна Z² / R; делению препятствует, стремящееся сохранить сферическую форму ядра поверхностное натяжение, его энергия(U_п.н. ) пропорциональна R² . В результате способность ядер к делению возрастает с увеличением отношения U_кул /U_п.н. , пропорционального Z² / R³ , а тем самым параметру деления Z² /А, поскольку объем ядра пропорционален числу содержащихся в ядре нуклонов А.

Согласно капельной модели атомного ядра периоды полураспада спонтанного деления уменьшаются с ростом отношения Z² /А и нуклиды с Z² /А>44,8 должны быть вообще нестабильными к спонтанному делению. Энергетической выгодности спонтанного деления отвечает условие Z² /А 16, мгновенному делению - Z² /А 47.

Каждый акт спонтанного деления сопровождается испусканием одного или нескольких нейтронов. Осколки деления оказываются перегруженными нейтронами и испытывают последовательно ряд b - распадов:

стаб.

Cf +3n

Для каждого типа ядер характерно среднее число нейтронов, выделяемое в процессе каждого акта спонтанного деления. Например, для U это число равно 2.30, для Pu - 2.28, Cm - 2.59, Cf - 3.84 и Fm - 4.05.

Чаще всего спонтанное деление составляет лишь небольшую часть от общего альфа - распада.

Спонтанное деление и вслед за ним – альфа - распад есть основные виды радиоактивного распада, ограничивающие перспективы получения новых трансурановых элементов.

Именно спонтанное деление определяет границы существования химических элементов, составляющих наш мир.

4.5 Испускание запаздывающего протона

Испускание запаздывающего протона было обнаружено в 1962 году Г. Флеровым у искусственных радионуклидов - продуктов ядерных реакций при высоких энергиях. Этот тип распада характерен только для дочерних ядер, имеющих избыток протонов и претерпевающих позитронный распад. Позитронный распад приводит к образованию ядра – продукта в возбужденном состоянии, практически мгновенно (за время <10^-12 с) испускающего протон. Здесь позитронный распад сопровождается протонным распадом, причем периоды полураспада для обоих распадов одинаковы. Такое сложное радиоактивное превращение возможно в тех случаях, когда энергия позитронного распада превышает энергию связи протона в дочернем ядре-продукте распада. В качестве «предшественников» испускания таких запаздывающих протонов были идентифицированы b⁺ - активные изотопы ¹⁷ Ne ( t_1/2 =0.1 c) и ²¹ Mg( t_1/2 =0.13 c).

Испускание запаздывающего протона приводит к уменьшению заряда и массового числа образовавшегося ядра на единицу.

Так, например, Ne распадается с периодом полураспада 0.7 с путем β⁺ - эмиссии, образуя F в сильно возбужденном состоянии, который, испуская протон, за время < 10^-12 с переходит в дважды магическое ядро O.

Ne F* O+ p

Трудности обнаружения протонной радиоактивности обусловлены как короткими временами жизни протоноактивных 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 потому маловероятных.

Во всех имеющихся до сих пор наблюдениях радиоактивных распадов с испусканием протона задержка испускания протона была обусловлена не протонной радиоактивностью, а предшествующим b ⁺ - распадом, возбужденные продукты которого мгновенно испускали запаздывающий протон.

4.6 Испускание запаздывающего нейтрона

Помимо нейтронов, непосредственно сопутствующих делению в ядерном реакторе наблюдается также испускание так называемых запаздывающих нейтронов . Эти нейтроны для отличия от нейтронов, образующихся в момент деления ядер, называют запаздывающими нейтронами. Такой тип распада имеет место тогда, когда энергия возбуждения осколочного ядра, претерпевшего b ^- –распад превышет энергию связи нейтрона в ядре. В этом случае процесс b^- - распада сопровождается испусканием нейтронов, причем периоды полураспад обоих процессов равны. Эмиссия запаздывающих нейтронов чаще всего наблюдается при числе нейтронов, превышающем магическое число. Так, например I после отдачи одного нейтрона переходит в I с магической нейтронной оболочкой N = 82:

Te I* I +n

Запаздывающие нейтроны играют важную роль в управлении ядерными реакторами, так как они придают реактору некоторую инерцию и тем самым делают его легко управляемым.

Процесс испускания запаздывающих нейтронов подчиняется экспоненциальному закону

Периоды полураспада этих процессов колеблются от 0,114 с до 2 ч.

ВОПРОСЫ

1.В каком случае возможен радиоактивный распад?

2. Как меняются при различных ядерных превращениях масса и заряд ядра?

3. Каким образом в ядре, состоящем из протонов и нейтронов образуются бета-частицы?

4. Почему бета-спектры непрерывны?

5. Какие ядерные превращения сопровождаются испусканием электронов?

6. При каких условиях возможна эмиссия позитронов при бета-распаде?

7. Назовите типы распадов, которые приводят к образованию одинаковых нуклидов.

8. Какие ядерные превращения сопровождаются испусканием электронов?

9. При каких превращениях испускается электромагнитное излучение?

10. Назовите причины, обусловливающие необходимость эмиссии антинейтрино при бета- распаде.

11. Для каких ядер характерно спонтанное деление?

12. Чем обусловлена эмиссия запаздывающих протонов и запаздывающих нейтронов?

13. Назовите причины обусловливающие необходимость эмиссии антинейтрино при бета- распаде.

14. Укажите энергетические условия всех типов бета-распада.

Глава 5. Взаимодействие ядерного излучения с веществом

Как отмечалось раньше, при радиоактивном распаде из ядер вылетают альфа- частицы, электроны и гамма - кванты. Потоки испускаемых при радиоактивном распаде частиц называют радиоактивным излучением. Но радиоактивный распад- не единственный источник быстрых частиц. Космическое пространство пронизывают потоки различных частиц- протонов, альфа - частиц, ядер более тяжелых элементов, электронов, фотонов, энергии которых достигают колоссальных значений вплоть до 10²⁰ эВ ( 1 Дж= 6,24·10¹⁸ эВ).Это- космическое излучение . Мощные потоки быстрых заряженных частиц получают с помощью ускорителей. Ядерные реакторы также являются источником различных частиц, в том числе нейтронов. При взаимодействии быстрых частиц с веществом возникают новые нестабильные частицы- мезоны, гипероны и др. Потоки всех частиц, возникающих при естественных процессах и получаемых искусственно, объединяют под общим названием ядерного излучения .

Все виды ядерного излучения , как корпускулярные, так и электромагнитные, могут быть обнаружены только по их взаимодействию с веществом.

Излучение высокой энергии возникает при распаде ядер томов или получается с помощью ускорителей заряженных частиц. Его энергия на много порядков выше энергии химических свяей. Взаимодействте такого излучения с веществом подчиняется закону Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии.

Различают два типа взаимодействия ядерного излучения с веществом – упругое и неупругое.

При упругом взаимодействии сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц (или фотонов и частиц) не изменяется, происходит лишь перераспределение энергии между участниками взаимодействия. При этом сами частицы изменяют направление своего движения, т.е. происходит процесс рассеяния. Это взаимодействие так и называется - упругое рассеяние . Такие процессы не представляют интереса, кроме случая, когда в результате упругого взаимодействия часть энергии гамма-кванта передается свободному электрону.

При неупругом взаимодействии сумма кинетических энергий участников взаимодействия уменьшается, так как часть кинетической энергии переходит в другие формы (энергию возбуждения, энергию разрыва связей (ионизацию) и, в конечном счете рассеивается в виде теплоты и длинноволнового излучения.

Заряженные частицы – протоны, электроны, мезоны, ядра гелия и ядра более тяжелых элементов взаимодействуют с электронами атомных оболочек и ядрами встречных атомов главным образом в результате действия электростатических (кулоновских) сил . При близких столкновениях тяжелых частиц, в том числе и нейтронов, с ядрами, в действие вступают ядерные силы.

Гамма-кванты воздействуют на атомные электроны и ядра своим электромагнитным полем. Взаимодействие гамма- квантов со средой приводит к образованию относительно небольшого числа электронов (в некоторых случаях и позитронов) которые вызывают дальнейшую ионизацию среды. Поэтому гамма-излучение часто называют косвенно ионизирующим .

Ионизирующее излучение характеризуютвеличиной удельной ионизации - числом пар ионов, образуемых частицей или гамма - квантом на единицу пути.

Ионизирующее действие излучений широко используется для их регистрации .

С ионизирующим действием связан ряд вторичных эффектов, которые также используются для регистрации излучения или измерения доз, создаваемых радиоактивными веществами. Например, возбужденные атомы и молекулы, которые вместе с ионами образуются вдоль пути ионизирующей частицы, могут переходить в основное состояние, испуская электромагнитное излучение.

У некоторых веществ часть спектра лежит в видимой или в УФ - областях, при этом прохождение излучения через такие вещества, сопровождается вспышкой (сцинтилляцией). На этом принципе основано действие сцинтилляционных детекторов.

Все эти виды взаимодействия имеют разную природу и по-разному проявляются для внешнего наблюдателя. В то же время общим для всех видов взаимодействия ядерного излучения с веществом является то, что энергия падающих частиц передается атомам вещества. Соответственно, по мере углубления в среду