В 1896 году французский физик Анри Беккерель обнаружил, что соли
урана испускают неизвестное ранее излучение, обладающее высокой
проникающей способностью, ученый заметил, что фотопластинки
засвечиваются урановыми лучами, и стал первым, кто начал его
исследовать. Позже для этого явления был предложен термин
радиоактивность. С этого момента можно отсчитывать историю
исследования радиоактивности.Это материал изгида Излучение
иматерия, приуроченного к75-летию атомной промышленности. Партнер
гида Росатом.Как происходит распад ядра?Современные представления о
радиоактивности сильно шагнули вперед. Сейчас под этим явлением мы
подразумеваем самопроизвольный процесс изменения нуклонного состава
ядра атома или его энергетического состояния. Иными словами,
радиоактивность это распад атомного ядра, который идет
самопроизвольно и сопровождается выделением энергии.Почему
происходит распад ядра? Ядро атома состоит из нуклонов нейтронов и
положительно заряженных протонов. Существуют силы, которые
связывают между собой нуклоны в ядре. Но его устойчивость зависит
от того, сколько нуклонов оно содержит. Если ядро слишком тяжелое,
то есть перегружено протонами или нейтронами, то оно будет менее
устойчивым.Есть несколько механизмов радиоактивного распада:
альфа-, бета-, гамма-распады, получившие от Резерфорда такие
названия по первым буквам греческого алфавита (тогда исследователи
имели смутные представления о типах излучения, которые испускаются
при радиоактивности, поэтому подобные названия мало о чем говорят,
но мы по традиции продолжаем их использовать). Под альфа-распадом
подразумевается процесс испускания ядром атома (ядра гелия)
достаточно тяжелой альфа-частицы, состоящей из двух протонов и двух
нейтронов; в результате зарядовое число атомного ядра уменьшается
на две единицы, а массовое на четыре. Поскольку ядро гелия-4
обладает высокой устойчивостью, его распад является энергетически
выгодным процессом. К альфа-распаду склонны ядра элементов с
большим массовым числом те, что находятся в таблице Менделеева
ближе к радию, урану, трансурановым элементам, и поэтому это не
самый распространенный вид распада.Гораздо чаще мы имеем дело с
бета-распадом, благодаря которому сформировалось большинство
тяжелых элементов во Вселенной. В отличие от альфа-распада, который
представляет собой своего рода отщепление кусочка от ядра, это
распад отдельной частицы внутри ядра. Бета-распад имеет три
разновидности. Прежде всего, существует бета-плюс-распад испускание
ядром позитрона и нейтрино: если ядро перегружено протонами, то
один из них превращается в нейтрон и положительно заряженную
частицу позитрон. Зарядовое число атомного ядра уменьшается на
единицу.Кроме того, это бета-минус-распад испускание ядром
электрона и антинейтрино: один нейтрон превращается в протон,
остающийся в ядре, и электрон, который, напротив, покидает ядро
вместе с антинейтрино (это частица с очень малой массой без заряда
и очень высокой проникающей способностью, поэтому на практике мы
редко сталкиваемся с ее проявлением). При этом зарядовое число
атомного ядра увеличивается на единицу.И наконец, третья
разновидность бета-распада это распад, при котором электрон из
внутренней оболочки захватывается одним из протонов в ядре. Протон
вместе с электроном превращаются в нейтрон, и испускается
нейтрино.Помимо изменения нуклонного состава ядра, происходит также
изменение его энергетического состояния. Дело в том, что атомное
ядро может находиться лишь в определенных дискретных энергетических
состояниях. Как правило, нас окружают ядра, находящиеся в основном
энергетическом состоянии, но в результате того или иного процесса
они могут оказаться в возбужденном. Тогда избыточная энергия должна
быть каким-то образом снята, поэтому она излучается в виде квантов
электромагнитного излучения гамма-квантов. Этот процесс, при
котором происходит переход из метастабильного состояния в основное
(то есть переход из квазиустойчивого равновесия атомов в состояние
с наименьшей внутренней энергией), называется гамма-распадом.Однако
избыточная энергия может не излучаться гамма-квантами, а
передаваться одному из электронов атома, и тогда он покидает
электронную оболочку (это именно внутриядерный процесс, и его
нельзя путать с бета-распадом, при котором электрон обязательно
вылетает из ядра). Происходит понижение энергетического состояния
ядра. Это называется внутренней конверсией, и ее можно
рассматривать как один из механизмов радиоактивного распада.Итак,
радиоактивность представляет собой процесс, идущий всегда с
выделением энергии, в подавляющем большинстве случаев с испусканием
излучения, то есть альфа-, бета-частиц, квантов электромагнитного
излучения. Энергия радиоактивного распада достаточно велика. Для
сравнения: энергия превращения одних химических связей в другие
составляет единицы электронвольтов это та энергия, которая
получается при сжигании ископаемого топлива, что в принципе
немного. В случае же радиоактивного распада выделяемая энергия
может измеряться вплоть до мегаэлектронвольтов, то есть миллионами
электронвольт.Когда происходит радиоактивный распад ядра, это
сказывается на состоянии самого атома: в большинстве случаев
процесс распада сопровождается разрывом химических связей,
поскольку выделяемая энергия и энергия альфа-, бета-частиц и
гамма-квантов достаточно велика. Поглощение ионизирующего излучения
вызывает вторичные физические и химические процессы: разрывы
химических связей, ионизацию, возбуждение молекул.Экзотические виды
радиоактивного распадаПомимо основных видов радиоактивного распада
существует еще несколько, менее распространенных, но также важных.
Один из таких процессов самопроизвольное (спонтанное) деление ядра,
при котором тяжелые ядра, например калифорний-252, самопроизвольно
распадаются на два осколка, обычно разных по массе, и выделяется
несколько нейтронов, испускаются гамма-кванты и так далее. Кроме
того, есть довольно экзотические виды радиоактивного распада, такие
как испускание легких ядер: в процессе распада может быть испущена
не только альфа-частица (ядра гелия), но и, например, углерод-12
или кислород-16.Недавно был открыт необычный вид радиоактивного
распада, который характерен только для полностью ионизированных
атомов: происходит бета-распад с испусканием электрона и его
удержанием на внутренней электронной оболочке, но он осуществляется
гораздо быстрее, чем если бы происходил в атоме, содержащем
электроны. Это интересно, ведь мы привыкли воспринимать
радиоактивный распад как процесс, идущий всегда с постоянной
скоростью. Скорость распада может быть другой и при электронном
захвате (K-захват), когда ядро захватывает электрон с какой-то
оболочки как правило, ближайшей к нему K-орбитали. Например, если
бериллий-7 включить внутрь ядра фуллерена, то скорость распада
оксида бериллия-7 и металлического бериллия-7 будет разной.Бывают
случаи, когда радиоактивный распад идет сразу по нескольким путям:
медь-64 распадается с испусканием и отрицательно заряженных
бета-частиц, и позитронов, а часть ядер распадается с захватом
электронов. Таким образом, разные виды радиоактивного распада могут
конкурировать для одного и того же типа ядер.
