Радиоактивность - спонтанный распад (дезинтеграция) атомного ядра с излучением субатомных частиц и электромагнитных лучей. Этот феномен был обнаружен в 1896г французским физиком Беккерелем. Он обнаружил, что уран испускает невидимые лучи, которые могли проходить через непрозрачный контейнер и действовать на фотографическую пластину. Вскоре Пьер и Мария Кюри обнаружили другие радиоактивные элементы: полоний и радий. Радиоактивность скоро была признана наиболее концентрированным источником энергии из тех, которые были уже известны.
Вскоре было обнаружено, что урановое излучение образовано тремя компонентами: α-, β- и γ-лучами. Резерфорд и Содди показали, что радиоактивность является результатом распада атомного ядра. В процессе распада ядро одного химического элемента превращается в ядро другого элемента. Существует два основных вида спонтанного распада ядер.
α-распад. Этот тип распада обычно наблюдается в тяжелых неустойчивых ядрах. При этом разрушается атомное ядро X ("материнское ядро"), образуется α-частица и новое ядро Y ("дочернее ядро"). α-частица представляет собой ядро гелия, имеющее два протона и два нейтрона:
ZXA → Z-2YA-4 + 2α4 ; 2α4 = 2He4
Таким образом, атомный номер дочернего ядра уменьшен на два и массовый номер на четыре по отношению к материнскому ядру. Кинетическая энергия α-частицы очень большая, и она покидает материнское ядро с большой скоростью.
При α - распаде дочернее ядро может переходить в возбужденное состояние. Электроны занимают более высокие энергичные уровни, которые неустойчивы. Поэтому в течение короткого времени, они перемещаются на более низкий энергетический уровень и избыток энергии испускается в форме γ-лучей, представляющих собой электромагнитные волны, или фотоны. Они полностью эквивалентны световым волнам и рентгеновским лучам, которые испускаются возбужденными атомами, но имеют большую энергию. Длина волны -лучей короче, чем длина волны рентгеновских лучей:
ZXA → Z-2YA-4 + 2α4 +γ
β-распад наблюдается в неустойчивых изотопах более легких ядер (гидроген, натрий, азот и т.п.). β -частица испускается материнским ядром и образуется дочернее ядро. Есть три типа β-распада: электронный β- распад, позитронный β- распад и электронный захват.
a) электронный β-распад: из материнского ядра образуется электрон (-1β0-частица). Атомный номер дочернего ядра повышается на единицу по сравнению с материнским ядром. Также образуется антинейтрино – незаряженная частица, практически не имеющая массы - v–:
ZXA → Z+1YA + -1β0 +v–
b) позитронный β- распад из материнского ядра испускаются позитрон (+1β-частица) и нейтрино (v). Атомный номер дочернего ядра уменьшается на единицу по сравнению с материнским:
ZXA → Z-1YA + +1β0 +v
Позитроны - положительно заряженные частицы с такой же массой, как электрон. Они являются античастицами электронов.
Полагают, что все элементарные частицы имеют античастицы (антипротоны, антинейтроны и т.п.). Вышеупомянутое антинейтрино является античастицей нейтрино. Когда некоторая частица взаимодействует со своей античастицей, они взаимоуничтожаются с образованием γ-лучей.
c) электронный захват. Один из атомных электронов взаимодействует с ядром (чаще всего с К-уровня, но может и с L-, M- уровней) и захватывается им. В результате протон ядра превращается в нейтрон:
ZXA + -1e0 = Z-1YA + v
Поскольку при этом освобождаются места на внутренних оболочках и на них переходят электроны с высших оболочек, то при этом излучается характеристическое рентгеновское излучение.
В основе всех типов распадов лежат превращения протона в нейтрон и нейтрона в протон. γ - лучи испускаются в дочерних ядрах при переходе электронов с высших энергетических уровней на низшие.