Явление радиоактивности (спонтанного превращения атомных ядер в другие ядра с выделением энергии) было открыто французским физиком Антуаном Анри Беккерелем 115 лет назад. Правда, в то время о существовании ядер еще не догадывались и под радиоактивностью понимали самопроизвольное испускание некоторыми веществами лучей, вызывающих потемнение фотопластинок и свечение люминофоров. Затем выяснилось, что радиоактивность связана с трансмутацией атомов, но лишь в 1911 г., когда Эрнест Резерфорд ввел ядерную модель атома (так что сейчас можно отмечать столетие открытия атомного ядра), понятие о радиоактивности в смысле вышеприведенного определения приобретает завершенность.
Вкратце объясним несколько встречающихся ниже терминов. Нуклид (почти синоним: изотоп) — разновидность ядер, определяемая количеством протонов и нейтронов. Массовое число — общее количество нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) в ядре. Изобары — нуклиды с одинаковым массовым числом, различающиеся по числу протонов, т.е. заряду ядра. Промежуток времени, за которое распадается половина изначально взятых ядер данного нуклида, называется периодом полураспада, T1/2. Время жизни ядра в среднем в 1,44 раза больше, чем T1/2.
1. Радиоактивность — внутриядерный процесс, электронная оболочка атома играет второстепенную роль. Влияние внешних факторов на скорость распада ничтожно. Из всех типов радиоактивности лишь для электронного захвата было обнаружено слабое (< 1%) изменение скорости распада при «лабораторных» давлениях и температурах, так как вероятность е-захвата зависит от плотности электронной оболочки вблизи ядра, которая в свою очередь слегка зависит от давления, температуры и химического окружения атома. Лишь в крайне жестких условиях (полная ионизация) происходит существенное изменение скорости некоторых β-распадов.
2. Радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону: за одно и то же время количество ядер данного типа уменьшается в одно и то же количество раз. Ядра не стареют: через миллиард лет существования шансы ядра распасться в следующую секунду будут точно такими же, как и в первую секунду после его образования. Постоянство скорости распада лежит в основе методов изотопной геохронологии.
3. Существует несколько типов радиоактивного распада; нуклид может быть стабильным, распадаться по одному или нескольким конкурирующим каналам (так, уран-238 обычно испытывает α-распад, но изредка распадается и по каналам спонтанного деления и ββ-распада). Если дочернее ядро тоже радиоактивно, цепочка распадов продолжается до стабильного ядра.
4. Все типы радиоактивности разбиваются на три группы. Распады первой группы разделяют ядро на две (или больше) системы нуклонов. Это α-распад (эмиссия α-частицы, ядра гелия-4), спонтанное деление (развал тяжелых ядер на два, редко три осколка близкой массы) и кластерный распад — эмиссия ядром достаточно легких (но тяжелее α-частицы) ядер. У искусственных радионуклидов обнаружена также одно- и двухнуклонная радиоактивность.
5. Вторая группа — β-процессы. В них ядро не теряет нуклонов, но изменяет заряд, смещаясь по изобарной цепочке к «долине β-стабильности». При β−-распаде один из нейтронов становится протоном, излучая электрон (его в этом случае называют β-частицей) и антинейтрино. Обратный процесс, когда протон ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино, называется β+-распадом. Он всегда конкурирует с е-захватом (вместо излучения позитрона захватывается электрон из атомной оболочки); при энергии распада < 1,022 МэВ β+-распад запрещен, происходит лишь e-захват. Крайне редкие двойные β-процессы (ββ) меняют заряд ядра на две единицы; такие распады пока обнаружены лишь для десятка нуклидов, все с временем жизни ≥ 1019 лет.
6. К третьей группе относятся изомерные переходы: ядро перестраивается, не меняя ни массовое число, ни заряд. Выделяемая энергия уносится электроном оболочки (внутренняя конверсия) или γ-квантом.
7. Время жизни радионуклидов лежит в очень широких пределах. Распад 4H на ядро трития и нейтрон протекает в среднем за 10-22 с, а ββ-распад 128Te — за 5*1024 лет. Типичная энергия распада — от единиц килоэлектрон-вольт (некоторые β-распады) до сотен мегаэлектрон-вольт (деление). При прочих равных условиях большее энерговыделение означает меньшее время жизни.
8. Многие природные изотопы теоретически нестабильны по отношению к различным видам распада, но радиоактивность экспериментально обнаружена лишь у некоторых из них. Так, недавно выяснилось, что единственный природный изотоп висмута (209Bi, считавшийся самым тяжелым стабильным ядром) α-активен с T1/2 = 2×1019 лет.
9. За 4,6 млрд лет, прошедших с момента нуклеосинтеза (взрыва сверхновой, внесшего тяжелые нуклиды в протосолнечную туманность незадолго до формирования Солнечной системы), из первых 92 элементов таблицы Менделеева два — технеций и прометий — практически полностью «вымерли», как и все элементы за ураном. Из 90 элементов, оставшихся на Земле, не менее двадцати пяти содержат долгоживущие радионуклиды. Дожить до наших дней смогли лишь 288 нуклидов, стабильных или радиоактивных с T1/2 ≥ 0,7 млрд лет.
10. Природная радиоактивность, кроме долгоживущих, обусловлена и короткоживущими ядрами — космогенными и радиогенными; первые возникают в реакциях с космическими лучами (например, углерод-14), вторые — при распаде других ядер (например, изотопы радона). На реакторах и ускорителях получено более трех тысяч искусственных радионуклидов, продуктов различных ядерных реакций.
Владислав Кобычев