РАДИОАКТИВНОСТЬ

РАДИОАКТИВНОСТЬ (от лат. radio
- излучаю, radius - луч и activus - действенный), самопроизвольное (спонтанное)
превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп
(обычно - изотоп другого элемента). Сущность явления Р. состоит в самопроизвольном
изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо
в возбуждённом долгоживущем (метастабильном) состоянии. Такие превращения
сопровождаются испусканием ядрами элементарных частиц либо других ядер,
напр. ядер ²Не (а-частиц). Все известные типы радиоактивных
превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий микромира:
сильных
взаимодействий (ядерные силы) или слабых взаимодействий.
Первые
ответственны за превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц,
напр. а-частиц, протонов или осколков деления ядер; вторые проявляются
в (3-распаде ядер. Электромагнитные взаимодействия ответственны
за квантовые переходы между различными состояниями одного и того же ядра,
к-рые сопровождаются испусканием гамма-излучения. Эти переходы не
связаны с изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной классификации,
не принадлежат к числу радиоактивных превращений. Понятие "Р." распространяют
также на (3-распад нейтронов.

Р. следует отличать от превращений составных
ядер, образующихся в процессе ядерных реакций в результате поглощения
ядром-мишенью падающей на него ядерной частицы. Время жизни такого ядра
значительно превышает время пролёта падающей частицей расстояния порядка
ядерных размеров (10^-21-10^-22 сек) и может
достигать 10^-13-10^-14 сек. Поэтому условно
нижней границей продолжительности жизни радиоактивных ядер считается время
порядка 10^-12 сек.

Типы радиоактивных превращений. Все известные
виды Р. можно разделить на две группы: элементарные (одноступенчатые) превращения
и сложные (двухступенчатые). К первым относятся: 1) альфа-распад, 2)
все варианты бета-распада (с испусканием электрона, позитрона или
с захватом орбитального электрона), 3) спонтанное деление ядер, 4) протонная
Р., 5) двупротонная Р. и 6) двунейтронная Р. В случае В-распада достаточно
большое время жизни ядер обеспечивается природой слабых взаимодействий.
Все остальные виды элементарных радиоактивных процессов обусловлены ядерными
силами. Замедление таких процессов до промежутков времени >= 10^-12сек
вызвано наличием потенциальных барьеров (кулоновского и центробежного),
к-рые затрудняют вылет ядер или ядерных частиц.

К двухступенчатым радиоактивным превращениям
относят процессы испускания т. н. запаздывающих частиц: протонов, нейтронов,
а-частиц, ядер трития и ³Не, а также запаздывающее спонтанное
деление. Запаздывающие процессы включают в себя В-распад как предварительную
стадию, обеспечивающую задержку последующего, мгновенного испускания ядерных
частиц. Т. о., в случае двухступенчатых процессов критерий Р. относительно
времени жизни удовлетворяется только для первой стадии, благодаря её осуществлению
за счёт слабых взаимодействий.

Историческая справка. Открытие Р. датировано
1896, когда А. Беккерель обнаружил испускание ураном неизвестного
вида проникающего излучения, названного им радиоактивным. Вскоре была обнаружена
Р. тория, а в 1898 супруги М. Кюри и П. Кюри открыли два новых радиоактивных
элемента - полоний и радий. Работами Э. Резерфорда и
упомянутых учёных было установлено наличие 3 видов излучения радиоактивных
элементов - а-, (В- и у-лучей - и выявлена их природа. В 1903 Резерфорд
и Ф. Содди выяснили, что испускание а-лучей сопровождается превращением
хим. элементов, напр. превращением радия в радон. В 1913 К. Фаянс
(Германия)
и Содди независимо сформулировали правило смещения, характеризующее перемещение
изотопа в периодической системе элементов при различных радиоактивных
превращениях.

В 1934 супругами И. Жолио-Кюри и
Ф. Жолио-Кюри была открыта искусственная Р., к-рая впоследствии
приобрела особенно важное значение. Из общего числа (ок. 2000) известных
ныне радиоактивных изотопов лишь ок. 300 природные, а остальные получены
искусственно, в результате ядерных реакций. Между искусственной и естественной
Р. нет принципиального различия. В результате изучения искусственной Р.
были открыты новые варианты В-распада - испускание позитронов (И. и Ф.
Жолио-Кюри, 1934) и электронный захват (Л. Альварес, 1938),
предсказанный первоначально X. Юкавой и С. Сакатой (Япония, 1935).
Впоследствии были обнаружены сложные, включающие В-распад, превращения,
в т. ч. испускание запаздывающих нейтронов (Дж. Даннинг с сотрудниками,
США, 1939), запаздывающих протонов (В. А. Карнаухов с сотрудниками, СССР,
1962), запаздывающее деление ядер (Г. Н. Флёров с сотрудниками,
1966-71). Предсказана возможность существования запаздывающих излучателей
ядер ³Н и ³Не (Э. Е. Берлович, Ю. Н. Новиков, СССР,
1969). В 1935 И. В. Курчатов с сотрудниками открыли явление изомерии
(существование долгоживущих возбуждённых состояний) у искусственно радиоактивных
ядер (см. Изомерия атомных ядер). В 1940 К. А. Петржак и Флёров
открыли спонтанное деление ядер. Существование протонной активности предполагалось
ещё Резерфордом. Перспективы обнаружения 4-го типа Р. и основные его характеристики
изучались Б. С. Джелеповым (1951, СССР) и др. Экспериментально элементарный
акт радиоактивного распада с испусканием протонов (из изомерного состояния)
впервые наблюдали Дж. Черны с сотрудниками (США, 1970). В 1960 В. И. Голъданский
предсказал
существование двупротонной Р., а в 1971 Гольданский и Л. К. Пекер (СССР)
- двунейтронный радиоактивный распад ядер (только из изомерного состояния).

Закон радиоактивного распада. Единицы радиоактивности.
Для процессов радиоактивного распада ядер (и элементарных частиц) характерен
экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа активных ядер.
Этот закон отражает независимость распада отдельного ядра от остальных
ядер. Обычно продолжительность жизни радиоактивных ядер характеризуют периодом
полураспада - промежутком времени Тчисло радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое. Поскольку продолжительность
жизни отдельного ядра оказывается неопределённой , экспоненциальный закон
распада выполняется лишь в среднем, причём тем точнее, чем больше полное
число радиоактивных ядер.

Основная единица радиоактивности - кюри,
первоначально
определялась как активность 1 г Ra. В дальнейшем под 1 кюри стали
понимать активность радиоактивного препарата, в к-ром происходит 3,7 •
10¹⁰ распадов в сек. Широко используются дробные единицы
(напр.. мкюри, мккюри) и кратные единицы (ккюри, Мкюри). Другая
единица радиоактивности - резерфорд, равна 1/3700
кюри, что
соответствует 10⁶ распадов в сек.

Альфа-распад представляет собой самопроизвольное
превращение ядер, сопровождающееся испусканием двух протонов и двух нейтронов,
образующих ядро на 2, а массовое число на 4 единицы, напр.:

Кинетич. энергия вылетающей а-частицы определяется
массами исходного и конечного ядер и а-частицы. Если конечное ядро образуется
в возбуждённом состоянии, эта энергия неск. уменьшается, и, напротив, возрастает,
если распадается возбуждённое ядро (в последнем случае испускаются т. н.
длиннопробежные а-частицы). Энергетич. спектр а-частиц дискретный. Период
полураспада а-радиоактивных ядер экспоненциально зависит от энергии вылетающих
а-частиц (см. Гейгера - Неттолла закон). Теория а-распада, основанная
на квантовомеханич. описании проникновения через потенциальный барьер,
была развита в 1928 Г. Гамовым и независимо - англ. физиками Р.
Гёрни и Э. Кондоном. Известно более 200 а-активных ядер, расположенных
в основном в конце периодич. системы, за Рb, к-рым заканчивается заполнение
протонной ядерной оболочки с Z - 82 (см. Ядерные модели). Известно
также ок. 20 а-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь а-распад
наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N=84, к-рые при испускании
а-частиц превращаются в ядра с заполненной нейтронной ядерной оболочкой
(N=82).
Времена жизни а-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3 <^.10^-7
сек (для ²¹²Ро) до (2-5) <^.10¹⁵
лет (природные изотопы ¹⁴²Се,
¹⁴⁴Nd, ¹⁷⁴Hf).
Энергия наблюдаемого а-распада лежит в пределах 4-9 Мэв (за исключением
длиннопробежных а-частиц) для всех тяжёлых ядер и 2-4,5 Мэв для
редкоземельных элементов.

Бета-распад представляет собой самопроизвольное
взаимное превращение протонов и нейтронов, происходящее внутри ядра и сопровождающееся
испусканием или поглощением электронов (е^-) или позитронов (е⁺),
нейтрино (v

Захват электронов происходит с одной из
атомных оболочек, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К - захват),
реже - со следующих, L- и М-оболочек (L- и М-за хваты). В^--распад
характерен для нейтроноизбы точных ядер, в к-рых число нейтронов больше,
чем в устойчивых ядрах (а для ядер с Z>83, если число нейтронов больше,
чем в В-стабильных ядрах, испытывающих только а-распад). В⁺-распад
и электронный захват свойственны нейтронодефицитным ядрам, более лёгким,
чем устойчивые или В-стабильные ядра. Энергия при В-распаде распределяется
между 3 частицами: электроном или позитроном, антинейтрино или нейтрино
и конечным ядром; поэтому спектр р-частиц сплошной. Бета-радиоактивные
изотопы встречаются у всех элементов периодич. системы. Особенностью электронного
захвата является слабая зависимость его скорости от хим. состояния превращающихся
атомов. Ядро захватывает электрон с к.-л. из электронных оболочек атома,
а вероятность подобного захвата определяется строением не только внутренней
оболочки, отдающей ядру электрон, но и (в меньшей степени) более отдалённых
оболочек, в т. ч. и валентных. Изменение заря-да ядра при В-распаде влечёт
за собой последующую перестройку ("встряску") электронных атомных оболочек,
возбуждение, ионизацию атомов и молекул, разрыв химических связей. Хим.
последствия В-распада (и в меньшей степени др. радиоактивных превращений)
являются предметом многочисл. исследований (см. Радиохимия).

Спонтанное деление представляет собой самопроизвольный
распад тяжёлых ядер на два (реже - 3 или 4) осколка - ядра элементов середины
периодич. системы. Спонтанное деление и а-распад ограничивают возможности
получения новых трансурановых элементов.

Протонная и двупротонная Р. должны представлять
собой самопроизвольный распад нейтронодефицитных ядер с испусканием 1 или
одновременно 2 протонов, проникающих сквозь кулоновский барьер путём туннельного
эффекта. Причиной возможности двупротонной Р. служит спаривание в ядре
протонов с противоположно направленными спинами, сопровождающееся выделением
энергии ок. 2 Мэв. В результате этого испускание из ядра одновременно
пары протонов может потребовать затраты меньшей энергии, чем отрыв одного
из них от другого, а в ряде случаев может идти даже с выделением энергии
(причём за время > 10^-12 сек), тогда как испускание одиночного
протона потребовало бы, наоборот, затраты энергии.

Трудности наблюдения протонной и двупротонной
Р. обусловлены как коротким (по сравнению с др. типами Р.) временем жизни
р- и 2р-радиоактивных 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 поэтому маловероятных.
Протонную Р. до сих пор удалось наблюдать (см. выше) лишь при распаде не
основного, а возбуждённого (изомерного) состояния ядра ^53MCo.
Двупротонная Р. так же, как и двунейтронный распад, экспериментально пока
не обнаружены.

Гамма-лучи. Ядерные изомеры. Испускание
у-квантов сопровождает Р. в тех случаях, когда "дочерние" ядра образуются
в возбуждённых состояниях. Время жизни ядер в таких возбуждённых состояниях
определяется свойствами (спином, чётностью, энергией) данного уровня
и нижележащих уровней, на к-рые могут происходить переходы с испусканием
у-квантов. Длительность у-переходов резко возрастает с уменьшением их энергии
и с увеличением разности моментов исходного и конечного состояний ядра.
В ряде случаев эта длительность существенно превышает 10^-10-10^-9сек,
т. е. наряду с основным состоянием данного стабильного или радиоактивного
ядра может относительно долго (иногда годы) существовать его метастабильное
возбуждённое (изомерное) состояние. Для многих ядерных изомеров наблюдается
явление внутренней электронной конверсии: возбуждённое ядро, не излучая
у-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие
чего один из электронов вылетает из атома. После внутр. конверсии возникает
вторичное излучение рентгеновского и оптич. диапазона вследствие заполнения
одним из электронов освободившегося места и последующих переходов. Участие
электронных оболочек в конверсионных переходах приводит к тому, что время
жизни соответствующих изомеров зависит (хотя и очень слабо) от хим. состояния
превращающихся атомов.

Известны изомеры, для к-рых преобладает
не у-излучение с образованием др. состояния того же изотопа, но распад
по к.-л. из основных типов Р. Так, изомер 176М
Lu (Тч) испытывает, как и основной изотоп 176Lu,
В-распад; изомер 212МРо (Тсек), как и основной изотоп 212МРо, - а-распад;
изомер 242МAm (Тмсек)-спонтанное
деление.

Радиоактивные ряды (семейства). Во многих
случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными
и тогда образованию стабильного изотопа предшествует цепочка из неск. актов
радиоактивного распада. Примерами таких цепочек являются радиоактивные
ряды природных изотопов тяжёлых элементов, к-рые начинаются нуклидами ²³⁸U,
²³⁵U,
²³²Th и заканчиваются стабильными изотопами свинца ²⁰⁶Pb,
²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb. Многие радиоактивные изотопы могут
распадаться по 2 или нескольким из перечисл. выше осн. типов Р. В результате
такой конкуренции разных путей распада возникают разветвления радиоактивных
превращений. Для природных радиоактивных изотопов характерны разветвления,
обусловленные возможностью а- и В^--распадов. Для изотопов трансурановых
элементов наиболее распространены разветвления, связанные с конкуренцией
а- (реже В^--)распадов и спонтанного деления. У нейтронодефицитных
ядер зачастую наблюдается конкуренция В⁺-распада и электронного
захвата. Для многих изотопов с нечётными Z и чётными А
оказываются
энергетически возможными два противоположных варианта В-распада: В^--распад
и электронный захват или В^--и В+-распады.

Заключение. Открытие Р. оказало огромное
влияние на развитие науки и техники. Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного
изучения свойств и структуры вещества. Новые перспективы, возникшие в энергетике,
пром-сти и мн. др. областях человеческой деятельности благодаря овладению
ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности хим. элементов
к самопроизвольным превращениям. За работы, связанные с исследованием и
применением Р., было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и
химии, в т. ч. А. Беккерелю, П. и М. Кюри, Э. Ферми, Э. Резерфорду,
Ф. и И. Жолио-Кюри, Д. Хевеши, О. Гану, Э. Макмиллану
и
Г. Сиборгу, У. Либби и др.

Лит.: Кюри М., Радиоактивность,
пер. с франц., 2 изд., М.- Л., 1960; Мурин А. Н., Введение в радиоактивность,
Л., 1955; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Гайсинский М.
Н., Ядерная химия и ее приложения, пер. с франц., М., 1961; Экспериментальная
ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961; Учение
о радиоактивности. История и современность, М., 1973.

В. М. Голъданский, Е. М. Лейкин.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я