Фундаментальная радиохимия

Бетенеков Николай

(1) некоторые элементы имеют в своем составе как стабильные, так и природные радиоактивные изотопы, например, калий, который наряду со стабильными изотопами ³⁹K и ⁴¹K, содержит радиоактивный ⁴⁰K, или рубидий, являющийся смесью стабильного ⁸⁵Rb и радиоактивного ⁸⁷Rb;

(2)

искусственные радионуклиды, синтезированные ядерно-физическими методами (иногда их называют ядерно-химическими), известны у всех элементов; но, если, например, доля ⁴⁰K, в природном калии составляет 0,0119% по массе, то она постоянна и не зависит от места нахождения калия как элемента в природе (опять-таки в исследованной части вселенной);

искусственные радионуклиды всегда возникают в ограниченном объеме биосферы (завод, лаборатория), но, несмотря на возможное рассеяние, их доля в общей массе соответствующего элемента никогда не достигает значения некоей глобальной константы (как у ⁴⁰K);

(3) искусственным же образом были получены радионуклиды, заполнившие две вакансии в периодической системе – технеций и прометий; эти элементы не имеют ни стабильных, ни природных радиоактивных изотопов и представлены только искусственными (у прометия известны 14 изотопов, у технеция – 15).

Итак, общим свойством радионуклидов является нестабильность, проявлением которой и служит радиоактивный распад. В свою очередь распад (который представляет собой превращение определенного радионуклида в другой) обязательно обнаруживает себя излучением ядерного происхождения.

Существуют две разновидности распада, которые связаны с возникновением трех видов излучения. Это – альфа-распад, сопровождающийся вылетом -частиц (которые являются ядрами изотопа гелия ⁴₂He) и бета-распад, реализующийся тремя способами: а) собственно бета-распад, сопровождающийся излучением ^– частиц, т.е. электронов ядерного происхождения; б) позитронный распад, когда ядро излучает ⁺– частицы, т.е. положительно заряженные электроны; в) электронный захват (чаще всего K– захват), когда некий радионуклид превращается в другой нуклид путем «захвата» ядром одного из орбитальных электронов.

Вылет из ядра – или -частиц представляет собой корпускулярное излучение, т.к. его формируют либо сами элементарные частицы (электрон, позитрон), либо некоторая их устойчивая комбинация (-частица, представляющая собой «квартет» нуклонов: два протона и два нейтрона).

Наряду с корпускулярным излучением радиоактивные ядра при распаде в подавляющем большинстве случаев испускают гамма-кванты. Это – поток фотонов электромагнитного излучения, как правило, более «жесткого», чем рентгеновского. Но -излучение иногда не сопутствует – или -распаду. Есть несколько примеров распада, когда -излучение отсутствует. Так, радионуклиды тритий (³₁H), радиоуглерод (¹⁴C), стронций-90 и некоторые другие, являются «чистыми» бета-излучателями, у них нет сопутствующего -излучения.

1.3.2. Общие сведения о радиоактивном распаде

В общем случае радиоактивный распад можно описать следующим образом: И₁– > И₂ + x + E.

То есть: «материнский» радионуклид -> «дочерний» нуклид + испущенная частица ( или ) + выделившаяся энергия. Здесь под «энергией» понимается кинетическая энергия испускаемых частиц ( и ) и излучаемых гамма-квантов. Помимо этого можно вычислить суммарную энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, на основании закона, связывающего энергию и массу E=mc². Эта энергия определяется разностью масс распадающегося (материнского) радионуклида и продуктов, образующихся вследствие распада, в основном состоянии:

Q = mc² = (m_и1 – m_и2 – m_X) • c²;

Здесь c – скорость света в вакууме.

Значение энергии Q не равно сумме энергии излучаемых частиц и гамма-квантов, так как оно включает энергию отдачи, переданную образовавшемуся (дочернему) нуклиду. Следовательно, радиоактивный распад как самопроизвольный процесс возможен лишь тогда, когда сумма масс всех продуктов предполагаемого распада меньше массы материнского радионуклида.

Рассмотрим подробнее важнейшие виды радиоактивного распада.

Альфа-распад

При этом виде распада испускаются альфа-частицы (ядра гелия ⁴₂He). Массовое число распавшегося нуклида уменьшается на четыре единицы, а заряд ядра – на две.

Например:

т.е. 238–4 = 234; 92–2 = 90.

Полная энергия распада (Q) в этом случае равна:

Q = E + E_отд + E_возб,

где E – кинетическая энергия испущенной альфа-частицы; E_отд – энергия отдачи; E_возб – энергия возбуждения образовавшегося (дочернего) ядра.

Для относительно легких четно-четных радионуклидов, имеющих массовое число менее 240, как правило, характерен альфа-распад с образованием дочернего нуклида в основном состоянии. При распаде ядер других типов чаще всего образуются нуклиды с возбужденным состоянием дочернего ядра.

В первом случае радионуклиды, например, ²¹⁰Po, испускают альфа-частицы с определенной энергией. Во втором случае радионуклид обычно испускает группу альфа-частиц с несколько различными, но вполне определенными значениями энергии. Таким образом, спектры излучения альфа-частиц являются дискретными.

Помимо ядер гелия -активные радионуклиды, как правило, излучают еще и -кванты («жесткое» электромагнитное излучение), порождаемое возбужденными дочерними ядрами. Спектр -излучения тоже дискретен.

Примером радионуклида, имеющего сложный дискретный спектр – и -излучения, является один из природных изотопов тория, ²²⁸Th (рис.1).

Диапазон энергий альфа-частиц, испускаемых радионуклидами, довольно широк: от 1,83 МэВ у ¹⁴⁴Nd до 11,7 МэB у ²¹²Po, но у подавляющего числа -активных радионуклидов эта энергия находится в интервале значений 4–9 МэВ. За небольшими исключениями значения периодов полураспада – активных ядер лежат внутри громадного диапазона: ~10–⁷с < T_1/2< – 10¹⁰ лет, но, например, у ¹⁴⁴Nd даже T_1/2 = 5•10¹⁵ лет.