15. Виды радиоактивного распада

15. Виды радиоактивного распада

Обычно радиоактивный распад сопровождается испусканием альфа и бета-частиц, а также гамма квантов. Другими возможными видами распада являются испускание позитрона и очень редко нейтрона. Рентгеновское излучение не является непосредственным продуктом распада, но может испускаться как результат перестройки атомных оболочек при радиоактивном распаде.

2.4.1       Альфа распад

Альфа-частицы испускаются с высокими энергиями в пределах от 1 до 11 МэВ. Энергия излучения строго определена и характерна для конкретного радионуклида.

Когда радионуклид испускает альфа-частицу, его атомный номер (Z) уменьшается на два (вследствие потери двух протонов), и его массовое число уменьшается на четыре (вследствие потери двух протонов и двух нейтронов). На диаграмме  нуклидов, альфа-распад (обозначенный a) сдвигает радионуклид по диагонали вниз и налево на две ячейки.

Используйте вашу диаграмму нуклидов, чтобы выяснить, что происходит с полонием-216, когда он распадается с испусканием альфа-частицы. Какова энергия этого распада?

Если Вы передвинетесь по диагонали вниз и налево на две ячейки, Вы попадете в ячейку свинца-212. Энергия альфа распада указана в ячейке полоний-216 и составляет 6,7785 МэВ.

Этот распад может быть записан в виде уравнения распада следующим образом:

+

Или обычно как:

a

Отметим, что альфа-частицы обычно испускаются ядрами тяжелых элементов, таких как уран и радий.

2.4.2       Испускание бета-частицы

Бета-частица испускается ядром с распределением энергии, максимум которой зависит от конкретного радионуклида. Рис. 1 показывает распределение энергии бета-частиц, испускаемых ядром фосфора-32.

Энергия, отвечающая максимуму распределения, обозначена как .

Рис. 1

Распределение энергии бета-частицы

Когда радионуклид испускает бета-частицу, его атомное число увеличивается на один (так как в ядре появляется еще один протон), но массовое число остается тем же самым (так как нейтрон превратился в протон). Бета-распад (обозначаемый b-) сдвигает радионуклид по диагонали вверх на одну ячейку влево на диаграмме нуклидов.

Используйте Вашу диаграмму нуклидов, чтобы найти, какой нуклид образуется при бета распаде фосфора-32. Какова энергия продуктов распада?

Если Вы передвинетесь вверх и на одну ячейку влево, вы обнаружите там серу-32, являющуюся стабильным нуклидом. Энергия распада приведена в ячейке фосфора-32 и составляет 1,709 МэВ.

Этот распад может быть записан в виде уравнения распада следующим образом:

+ b-

Или обычно как:

b-

Бета распад имеет место для нуклидов, имеющих избыток нейтронов, таких, как радионуклиды, производимые в ядерном реакторе. Нуклиды, богатые нейтронами, находятся справа от дорожки стабильности на протонно-нейтронной диаграмме (диаграмме нуклидов).

2.4.3       Испускание гамма квантов

Гамма кванты испускаются в результате высвобождения избытка энергии ядром радионуклида, которое становится стабильным. Они обычно испускаются вслед за альфа- или бета-распадом и, так как не испускается частиц, при излучении гамма-квантов атомное и массовое числа радионуклида не изменяются. Следовательно, не происходит никаких сдвигов на диаграмме нуклидов.

Взгляните снова на диаграмму нуклидов и найдите радон-220. Этот радионуклид претерпевает альфа распад в полоний-216. Заметьте, что под записью об альфа-распаде в ячейке радона-220 приведена запись об испускании гамма кванта (обозначенного g). Хотя это уравнение распада можно записать в виде, подобном уравнению альфа распада в разделе 2.3.2, более детально запись этого уравнения выглядит следующим образом:

++ g

Заметим, что гамма кванты, испускаемые ядром, имеют четко определенные энергии в пределах до нескольких МэВ. Эти высвобождаемые энергии являются характерными для излучающего ядра и могут использоваться для идентифицирования радионуклида.

2.4.3.1            Изомерные переходы

Испускание гамма квантов обычно происходит сразу после начального распада (приблизительно за время 10-10 с). Однако некоторые радионуклиды не избавляются так быстро от этой избыточной энергии, и промежуток времени между распадом и испусканием гамма квантов может длиться несколько минут или даже часов и лет. В этом случае, радионуклиды известны как метастабильные радионуклиды и обозначаются буквой m после значения массового числа. После некоторого промежутка времени гамма-квант, наконец, испускается, и этот процесс известен как изомерный переход.

Радионуклиды, которые проявляют метастабильные состояния, показаны на диаграмме нуклидов как вертикально разделенная ячейка. Левая часть ячейки показывает свойства метастабильного состояния, тогда как правая часть показывает свойства нормального радионуклида. При изомерном переходе (обозначаемым IT от слов isomeric transition, или и.п. по-русски) радионуклид сдвигается в правую часть ячейки на диаграмме нуклидов.

Используйте Вашу диаграмму нуклидов, чтобы найти технеций-99. Заметьте, что ячейка разделена на две части, указывая на то, что этот радионуклид может существовать в метастабильном состоянии (Tc-99m). На левой стороне, форма распада обозначена символами IT. Это говорит о том, что Tc-99m может подвергнуться изомерному переходу к Tc-99. Этот изомерный переход сдвинет радионуклид от левой стороны ячейки (Tc-99m) к правой стороне (Tc-99).

Технеций-99m фактически является результатом бета-распада молибдена-99, и весь процесс можно описать следующим уравнением:

+ b- + g

IT
b-

или в такой записи:

2.4.4       Испускание позитрона

Позитронный распад обычно происходит только в ядрах, которые имеют избыток протонов. Когда радионуклид подвергается позитронному распаду, его атомный номер уменьшается на единицу (так как на один протон в ядре стало меньше), но атомная массы остается той же самой (замена протона на нейтрон). Позитронный распад (обозначенный символом b+) сдвигает радионуклид по диагонали вниз на одну ячейку направо на диаграмме  нуклидов. Это – противоположно сдвигу, который происходит при бета-распаде.

Взгляните на вашу диаграмму нуклидов. Вы увидите радионуклиды с большим числом протонов слева дорожки стабильности. Найдите нуклид кислорода-15. Какова его наиболее вероятная форма распада и во что он превращается?

Из диаграммы нуклидов обычная форма распада кислорода-15 – это испускание позитрона. Если Вы сдвинетесь вниз по диагонали на одну ячейку направо, Вы найдете там азот-15, который образуется в результате распада кислорода-15 с излучением позитрона.

Уравнение распада выглядит следующим образом:

+ b+

Или в более общепринятой записи:

b+

Заметьте, что позитроны (подобно бета-частицам) испускаются в диапазоне энергий до некоторого максимума.

2.4.5       Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение не испускается самопроизвольно без других процессов, происходящих в атоме. Рентгеновское излучение связано с такими формами распада, как внутренняя конверсия и электронный захват, но не является формой распада как таковой. Испускание рентгеновского излучения обычно связано с искусственным получением в рентгеновских генераторах (смотри раздел 5.2.1), чем с радиоактивным распадом.

2.4.6       Внутренняя конверсия

Внутренняя конверсия является другим процессом, служащим для сброса энергии, и представляет собой альтернативу испусканию гамма-кванта. Процесс внутренней конверсии заключается в передаче избыточной энергии электрону, находящемуся на внутренних оболочках атома (либо K, либо L оболочки). Этот электрон испускается атомом, подобно бета-частице, но он имеет строго определенную энергию, а не широкий спектр. Испущенный электрон оставляет вакансию во внутренней оболочке, которая заполняется электроном с внешней оболочки, при переходе которого энергия высвобождается в форме характеристического рентгеновского излучения. Следовательно, при внутренней конверсии испускаются электрон и рентгеновское излучение вместо гамма-кванта.

Внутренняя конверсия, подобна испусканию гамма кванта, не влияет на атомное и массовое числа, но уменьшает энергию атома. Внутренняя конверсия обозначается символом e- на диаграмме нуклидов.

2.4.7       Электронный захват

Электронный захват – это процесс, который происходит в атомах с избытком протонов в ядре. При электронном захвате, электрон из наиболее близкой к ядру оболочки (оболочка K) захватывается протоном в ядре и формирует нейтрон. Поскольку электрон удаляется из K-оболочки, электрон из внешней оболочки перейдет на его место. При изменении состояния внешнего электрона с большей энергией на состояние с меньшей, его энергия высвобождается в виде рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение, испускаемое в результате электронного захвата, характерно для дочернего нуклида, а не для исходного радионуклида, который подвергся распаду.

Когда радионуклид подвергается электронному захвату, его атомное число уменьшается на один (так как исчезает один протон в ядре), но атомное массовое число остается тем же (протон с электроном превратились в нейтрон). Следовательно, электронный захват подобен испусканию позитрона в том, что радионуклид перемещается по диагонали вниз на одну ячейку направо на диаграмме нуклидов. Электронный захват обозначают как e на диаграмме нуклидов (или э.з. в русскоязычной литературе).

Посмотрите на Вашу диаграмму нуклидов, и найдите снова кислород-15. Вы заметите, что его альтернативная мода распада – электронный захват. Во что превращается этот радионуклид посредством электронного захвата?

Дочерний нуклид – азот-15, как и при позитронном распаде.

Обратите внимание, что все испускающие позитрон нуклиды также способны распасться электронным захватом.

2.4.8       Испускание нейтронов

Хотя некоторые побочные продукты ядерных реакторов способны к испусканию нейтронов, излучение нейтронов обычно не связывается с радиоактивным распадом. Вместо этого, испускание нейтронов чаще связывается с искусственным производством их в ядерных реакторах или в специально изготовленных нейтронных источниках (см. Раздел 5.2.3). Испускание нейтронов обсуждается в этом разделе только для придания завершенности теме, и Вы должны помнить, что нейтронное испускание при радиоактивном распаде является весьма редким.

Испускание нейтронов при радиоактивном распаде очень редко. Оно более часто связывается с искусственным производством нейтронов в ядерных реакторах или в специально изготовленных нейтронных источниках.

Когда радионуклид подвергается испусканию нейтронов, его атомное массовое число (A) уменьшается на единицу, так как пропадает один нейтрон в ядре. Следовательно, радионуклид сдвигается на одну ячейку влево на диаграмме нуклидов. Нейтронный распад представлен на диаграмме нуклидов символом n.