Радиоактивный распад

Выбросы нестабильных атомных ядер

Альфа-распад ядра испускает альфа-частицу , состоящую из двух нейтронов и двух протонов; также известную как ядро ​​гелия-4 .

Радиоактивный распад (также известный как ядерный распад , радиоактивность , радиоактивный распад или ядерный распад ) — это процесс, при котором нестабильное атомное ядро ​​теряет энергию посредством излучения . Материал, содержащий нестабильные ядра, считается радиоактивным . Три наиболее распространенных типа распада — это альфа- , бета- и гамма-распад . Слабое взаимодействие — это механизм , который отвечает за бета-распад, в то время как два других управляются электромагнитными и ядерными силами . ^[1]

Радиоактивный распад — это случайный процесс на уровне отдельных атомов. Согласно квантовой теории , невозможно предсказать, когда распадётся конкретный атом, независимо от того, как долго он существует. ^{[2] [3] [4]} Однако для значительного числа идентичных атомов общая скорость распада может быть выражена как константа распада или как период полураспада . Периоды полураспада радиоактивных атомов имеют огромный диапазон: от почти мгновенного до намного большего, чем возраст Вселенной .

Распадающееся ядро ​​называется родительским радионуклидом (или родительским радиоизотопом ), и в результате этого процесса образуется по крайней мере один дочерний нуклид . За исключением гамма-распада или внутренней конверсии из возбужденного состояния ядра , распад представляет собой ядерную трансмутацию, в результате которой дочерний элемент содержит другое число протонов или нейтронов (или и то, и другое). Когда число протонов изменяется, создается атом другого химического элемента .

На Земле существует 28 природных химических элементов, которые являются радиоактивными, состоящие из 35 радионуклидов (семь элементов имеют по два различных радионуклида каждый), которые датируются до времени формирования Солнечной системы . Эти 35 известны как первичные радионуклиды . Хорошо известными примерами являются уран и торий , но также включены природные долгоживущие радиоизотопы, такие как калий-40 . Каждый из тяжелых первичных радионуклидов участвует в одной из четырех цепочек распада .

История открытия

Пьер и Мария Кюри в своей парижской лаборатории, до 1907 года.

Радиоактивность была открыта в 1896 году учеными Анри Беккерелем и Марией Кюри во время работы с фосфоресцирующими материалами. ^{[5] [6] [7] [8] [9]} Эти материалы светятся в темноте после воздействия света, и Беккерель заподозрил, что свечение, создаваемое в электронно-лучевых трубках рентгеновскими лучами , может быть связано с фосфоресценцией. Он обернул фотографическую пластину в черную бумагу и поместил на нее различные фосфоресцирующие соли . Все результаты были отрицательными, пока он не использовал соли урана . Соли урана вызвали почернение пластины, несмотря на то, что пластина была обернута черной бумагой. Эти излучения получили название «лучи Беккереля».

Вскоре стало ясно, что почернение пластины не имело ничего общего с фосфоресценцией, поскольку почернение также вызывалось нефосфоресцентными солями урана и металлическим ураном. Из этих экспериментов стало ясно, что существует форма невидимого излучения, которое может проходить через бумагу и заставляет пластину реагировать так, как будто она подвергается воздействию света.

Сначала казалось, что новое излучение похоже на недавно открытые рентгеновские лучи. Дальнейшие исследования Беккереля, Эрнеста Резерфорда , Поля Виллара , Пьера Кюри , Марии Кюри и других показали, что эта форма радиоактивности значительно сложнее. Резерфорд был первым, кто понял, что все такие элементы распадаются в соответствии с одной и той же математической экспоненциальной формулой. Резерфорд и его ученик Фредерик Содди были первыми, кто понял, что многие процессы распада приводят к превращению одного элемента в другой. Впоследствии был сформулирован закон радиоактивного смещения Фаянса и Содди для описания продуктов альфа- и бета-распада . ^{[10] [11]}

Ранние исследователи также обнаружили, что многие другие химические элементы , помимо урана, имеют радиоактивные изотопы. Систематический поиск общей радиоактивности в урановых рудах также помог Пьеру и Марии Кюри выделить два новых элемента: полоний и радий . За исключением радиоактивности радия, химическое сходство радия с барием сделало эти два элемента трудноразличимыми.

Изучение радиоактивности Марией и Пьером Кюри является важным фактором в науке и медицине. После того, как их исследования лучей Беккереля привели их к открытию радия и полония, они ввели термин «радиоактивность» ^[12] для определения испускания ионизирующего излучения некоторыми тяжелыми элементами. ^[13] (Позже этот термин был обобщен на все элементы.) Их исследования проникающих лучей в уране и открытие радия положили начало эре использования радия для лечения рака. Их исследование радия можно рассматривать как первое мирное использование ядерной энергии и начало современной ядерной медицины . ^[12]

Ранние опасности для здоровья

Получение рентгеновского снимка с помощью раннего аппарата с трубкой Крукса в 1896 году. Трубка Крукса видна в центре. Стоящий мужчина рассматривает свою руку через экран флюороскопа ; это был распространенный способ установки трубки. Никаких мер предосторожности против воздействия радиации не принимается; его опасности в то время не были известны.

Опасность ионизирующего излучения , вызванного радиоактивностью и рентгеновскими лучами, была осознана не сразу.

Рентгеновские лучи

Открытие рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном в 1895 году привело к широкому экспериментированию ученых, врачей и изобретателей. Многие люди начали рассказывать истории об ожогах, потере волос и худших вещах в технических журналах еще в 1896 году. В феврале того же года профессор Дэниел и доктор Дадли из Университета Вандербильта провели эксперимент, включающий рентгеновское просвечивание головы Дадли, что привело к потере волос. Отчет доктора HD Hawks о том, что он получил серьезные ожоги рук и груди во время демонстрации рентгеновских лучей, был первым из многих других отчетов в Electrical Review . ^[14]

Другие экспериментаторы, включая Элиху Томсона и Николу Теслу , также сообщали об ожогах. Томсон намеренно подвергал палец воздействию рентгеновской трубки в течение определенного периода времени и страдал от боли, отёка и волдырей. ^[15] Другие эффекты, включая ультрафиолетовые лучи и озон, иногда обвинялись в повреждении, ^[16] и многие врачи по-прежнему утверждали, что не было никаких эффектов от воздействия рентгеновских лучей вообще. ^[15]

Несмотря на это, были некоторые ранние систематические исследования опасности, и уже в 1902 году Уильям Герберт Роллинз почти отчаянно писал, что его предупреждения об опасностях, связанных с неосторожным использованием рентгеновских лучей, не были услышаны ни промышленностью, ни его коллегами. К этому времени Роллинз доказал, что рентгеновские лучи могут убить подопытных животных, могут вызвать аборт у беременной морской свинки и что они могут убить плод. Он также подчеркивал, что «животные различаются по восприимчивости к внешнему воздействию рентгеновского света», и предупреждал, что эти различия следует учитывать при лечении пациентов с помощью рентгеновских лучей. ^{[ необходима цитата ]}

Радиоактивные вещества

Радиоактивность характерна для элементов с большими атомными числами. Элементы, имеющие по крайней мере один стабильный изотоп, показаны светло-голубым цветом. Зеленый цвет показывает элементы, у которых самый стабильный изотоп имеет период полураспада, измеряемый миллионами лет. Желтый и оранжевый цвета постепенно становятся менее стабильными, с периодами полураспада в тысячи или сотни лет, вплоть до одного дня. Красный и фиолетовый цвета показывают высоко- и чрезвычайно радиоактивные элементы, у которых самые стабильные изотопы демонстрируют периоды полураспада, измеряемые порядка одного дня и намного меньше.

Однако биологические эффекты радиации, вызванные радиоактивными веществами, было сложнее оценить. Это дало возможность многим врачам и корпорациям продавать радиоактивные вещества как патентованные лекарства . Примерами были радиевые клизмы и радийсодержащие воды, которые пили в качестве тонизирующих средств. Мария Кюри протестовала против такого рода лечения, предупреждая, что «радий опасен в неподготовленных руках». ^[17] Позже Кюри умерла от апластической анемии , вероятно, вызванной воздействием ионизирующего излучения. К 1930-м годам, после ряда случаев некроза костей и смерти энтузиастов лечения радием, радийсодержащие лекарственные средства были в значительной степени изъяты с рынка ( радиоактивное шарлатанство ).

Радиационная защита

Всего через год после открытия Рентгеном рентгеновских лучей американский инженер Вольфрам Фукс (1896) дал, вероятно, первый совет по защите, но только в 1925 году был проведен первый Международный конгресс радиологии (ICR), на котором рассматривалось установление международных стандартов защиты. Влияние радиации на гены, включая влияние на риск рака, было признано гораздо позже. В 1927 году Герман Йозеф Мюллер опубликовал исследование, показывающее генетические эффекты, и в 1946 году был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за свои открытия.

Второй ICR состоялся в Стокгольме в 1928 году и предложил принять единицу рентгена , и был сформирован Международный комитет по защите от рентгеновского излучения и радия (IXRPC). Рольф Зиверт был назначен председателем, но движущей силой был Джордж Кей из Британской национальной физической лаборатории . Комитет собирался в 1931, 1934 и 1937 годах.

После Второй мировой войны возросший спектр и количество радиоактивных веществ, используемых в военных и гражданских ядерных программах, привели к тому, что большие группы профессиональных работников и населения потенциально подвергались вредным уровням ионизирующего излучения. Это рассматривалось на первом послевоенном ICR, созванном в Лондоне в 1950 году, когда родилась нынешняя Международная комиссия по радиологической защите (ICRP). ^[18] С тех пор ICRP разработала нынешнюю международную систему радиационной защиты, охватывающую все аспекты радиационной опасности.

В 2020 году Хауптман и еще 15 международных исследователей из восьми стран (среди них: Институты биостатистики, Регистрационные исследования, Центры эпидемиологии рака, Радиационная эпидемиология, а также Национальный институт рака США (NCI), Международное агентство по исследованию рака (IARC) и Фонд исследований радиационных эффектов Хиросимы ) окончательно изучили с помощью метаанализа ущерб, вызванный «низкими дозами», которые поразили выживших после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки , а также в многочисленных авариях на атомных электростанциях , которые произошли. Эти ученые сообщили в монографиях JNCI: Эпидемиологические исследования низких доз ионизирующего излучения и риска рака , что новые эпидемиологические исследования напрямую подтверждают избыточные риски рака от низких доз ионизирующего излучения. ^[19] В 2021 году итальянский исследователь Себастьяно Вентури сообщил о первых корреляциях между радиоцезием и раком поджелудочной железы с ролью цезия в биологии, при панкреатите и диабете панкреатического происхождения. ^[20]

Единицы

График, показывающий взаимосвязь между радиоактивностью и обнаруженным ионизирующим излучением.

Единицей радиоактивной активности в Международной системе единиц (СИ) является беккерель ( Бк ), названный в честь ученого Анри Беккереля . Один Бк определяется как одно превращение (или распад, или дезинтеграция) в секунду.

Более старой единицей радиоактивности является кюри , Ки, которая изначально определялась как «количество или масса эманации радия в равновесии с одним граммом радия (элемента)». ^[21] Сегодня кюри определяется как3,7 × 10 ¹⁰ распадов в секунду, так что 1  кюри (Ки) =3,7 × 10 ¹⁰  Бк . В целях радиологической защиты, хотя Комиссия по ядерному регулированию США разрешает использовать единицу кюри наряду с единицами СИ ^[22] , директивы Европейского союза о европейских единицах измерения требуют, чтобы ее использование в «целях общественного здравоохранения ...» было прекращено к 31 декабря 1985 года. ^[23]

Эффект ионизирующего излучения часто измеряется в единицах грей для механического воздействия или зиверт для повреждения тканей.

Типы

Радиоактивный распад приводит к уменьшению суммарной массы покоя , как только высвобожденная энергия ( энергия распада ) каким-то образом высвобождается. Хотя энергия распада иногда определяется как связанная с разницей между массой исходных нуклидов и массой продуктов распада, это справедливо только для измерений массы покоя, когда некоторая энергия была удалена из системы продуктов. Это справедливо, потому что энергия распада всегда должна нести с собой массу, где бы она ни появлялась (см. массу в специальной теории относительности ) в соответствии с формулой E  =  mc2 . Энергия распада первоначально высвобождается как энергия испускаемых фотонов плюс кинетическая энергия массивных испускаемых частиц (то есть частиц, имеющих массу покоя). Если эти частицы приходят в тепловое равновесие со своим окружением и фотоны поглощаются, то энергия распада преобразуется в тепловую энергию, которая сохраняет свою массу.

Энергия распада, таким образом, остается связанной с определенной мерой массы системы распада, называемой инвариантной массой , которая не изменяется во время распада, хотя энергия распада распределяется между частицами распада. Энергия фотонов, кинетическая энергия испускаемых частиц и, позднее, тепловая энергия окружающего вещества вносят вклад в инвариантную массу системы. Таким образом, в то время как сумма масс покоя частиц не сохраняется при радиоактивном распаде, масса системы и инвариантная масса системы (а также полная энергия системы) сохраняются на протяжении любого процесса распада. Это переформулировка эквивалентных законов сохранения энергии и сохранения массы .

Альфа, бета и гамма распад

Альфа-частицы могут быть полностью остановлены листом бумаги, бета-частицы — алюминиевой защитой. Гамма-лучи могут быть ослаблены только гораздо более существенной массой, например, очень толстым слоем свинца .

Ранние исследователи обнаружили, что электрическое или магнитное поле может разделять радиоактивные излучения на три типа лучей. Лучи получили названия альфа , бета и гамма в порядке возрастания их способности проникать в вещество. Альфа-распад наблюдается только в более тяжелых элементах с атомным номером 52 ( теллур ) и выше, за исключением бериллия-8 (который распадается на две альфа-частицы). Другие два типа распада наблюдаются во всех элементах. Свинец, атомный номер 82, является самым тяжелым элементом, имеющим какие-либо изотопы, стабильные (в пределах измерения) к радиоактивному распаду. Радиоактивный распад наблюдается во всех изотопах всех элементов с атомным номером 83 ( висмут ) или выше. Однако висмут-209 лишь очень слабо радиоактивен, его период полураспада превышает возраст Вселенной; радиоизотопы с чрезвычайно длительным периодом полураспада считаются эффективно стабильными для практических целей.

Диаграмма переходов для режимов распада радионуклида с числом нейтронов N и атомным числом Z (показаны испускания α , β ± , p + и n0 , EC обозначает захват электронов ) .

При анализе природы продуктов распада, было очевидно из направления электромагнитных сил , приложенных к излучениям внешними магнитными и электрическими полями, что альфа-частицы несли положительный заряд, бета-частицы несли отрицательный заряд, а гамма-лучи были нейтральными. Из величины отклонения было ясно, что альфа-частицы были намного массивнее бета-частиц . Прохождение альфа-частиц через очень тонкое стеклянное окно и улавливание их в разрядной трубке позволило исследователям изучить спектр излучения захваченных частиц, и в конечном итоге доказало, что альфа-частицы являются ядрами гелия . Другие эксперименты показали, что бета-излучение, возникающее в результате распада и катодных лучей , было высокоскоростными электронами . Аналогично, гамма-излучение и рентгеновские лучи были обнаружены как высокоэнергетическое электромагнитное излучение .

Также начали изучать связь между типами распадов: например, гамма-распад почти всегда ассоциировался с другими типами распада и происходил примерно в то же время или позже. Гамма-распад как отдельное явление со своим собственным периодом полураспада (теперь называемым изомерным переходом ) был обнаружен в естественной радиоактивности как результат гамма-распада возбужденных метастабильных ядерных изомеров , которые, в свою очередь, были созданы из других типов распада. Хотя альфа-, бета- и гамма-излучения были обнаружены чаще всего, в конечном итоге были обнаружены и другие типы излучения. Вскоре после открытия позитрона в продуктах космических лучей стало ясно, что тот же процесс, который действует при классическом бета-распаде, может также производить позитроны ( позитронная эмиссия ) наряду с нейтрино (классический бета-распад производит антинейтрино).

Захват электронов

При электронном захвате было обнаружено, что некоторые протон-богатые нуклиды захватывают свои собственные атомные электроны вместо испускания позитронов, и впоследствии эти нуклиды испускают только нейтрино и гамма-лучи из возбужденного ядра (а также часто оже-электроны и характеристические рентгеновские лучи в результате переупорядочения электронов для заполнения места отсутствующего захваченного электрона). Эти типы распада включают ядерный захват электронов или испускание электронов или позитронов и, таким образом, действуют, чтобы переместить ядро ​​в сторону соотношения нейтронов к протонам, которое имеет наименьшую энергию для данного общего числа нуклонов . Это, следовательно, производит более стабильное (с более низкой энергией) ядро.

Гипотетический процесс захвата позитронов, аналогичный захвату электронов, теоретически возможен в атомах антиматерии, но не наблюдался, поскольку сложные атомы антиматерии за пределами антигелия экспериментально недоступны. ^[24] Для такого распада потребовались бы атомы антиматерии, по крайней мере, такие же сложные, как бериллий-7 , который является самым легким известным изотопом нормальной материи, чтобы подвергнуться распаду посредством захвата электронов. ^[25]

Эмиссия нуклонов

Вскоре после открытия нейтрона в 1932 году Энрико Ферми понял, что некоторые редкие реакции бета-распада немедленно дают нейтроны в качестве дополнительной частицы распада, так называемое бета-задержанное нейтронное излучение . Нейтронное излучение обычно происходит из ядер, которые находятся в возбужденном состоянии, например, возбужденный ¹⁷ O*, полученный в результате бета-распада ¹⁷ N. Сам процесс нейтронного излучения контролируется ядерной силой и поэтому является чрезвычайно быстрым, иногда его называют «почти мгновенным». В конечном итоге в некоторых элементах наблюдалось изолированное протонное излучение . Было также обнаружено, что некоторые тяжелые элементы могут подвергаться спонтанному делению на продукты, которые различаются по составу. В явлении, называемом кластерным распадом , было обнаружено, что определенные комбинации нейтронов и протонов, отличных от альфа-частиц (ядер гелия), спонтанно испускаются атомами.

Более экзотические типы распада

Было обнаружено, что другие типы радиоактивного распада испускают ранее замеченные частицы, но через другие механизмы. Примером является внутренняя конверсия , которая приводит к первоначальной электронной эмиссии, а затем часто к дальнейшей характеристической рентгеновской эмиссии и эмиссии оже-электронов , хотя процесс внутренней конверсии не включает ни бета-, ни гамма-распад. Нейтрино не испускается, и ни один из испускаемых электронов и фотонов не возникает в ядре, хотя энергия для их испускания возникает именно там. Распад внутренней конверсии, как и изомерный переходный гамма-распад и нейтронная эмиссия, включает в себя высвобождение энергии возбужденным нуклидом без трансмутации одного элемента в другой.

Известны редкие события, включающие комбинацию двух событий типа бета-распада, происходящих одновременно (см. ниже). Любой процесс распада, который не нарушает законы сохранения энергии или импульса (и, возможно, другие законы сохранения частиц), допускается, хотя не все из них были обнаружены. Интересным примером, обсуждаемым в заключительном разделе, является связанный бета-распад рения -187 . В этом процессе бета-электронный распад родительского нуклида не сопровождается испусканием бета-электрона, поскольку бета-частица была захвачена в K-оболочку испускающего атома. Испускается антинейтрино, как и во всех отрицательных бета-распадах.

Если энергетические обстоятельства благоприятны, данный радионуклид может подвергаться многим конкурирующим типам распада, при этом некоторые атомы распадаются по одному пути, а другие — по другому. Примером может служить медь-64 , которая имеет 29 протонов и 35 нейтронов, которая распадается с периодом полураспада12.7004(13) часов. ^[26] Этот изотоп имеет один неспаренный протон и один неспаренный нейтрон, поэтому либо протон, либо нейтрон могут распадаться на другую частицу, которая имеет противоположный изоспин . Этот конкретный нуклид (хотя не все нуклиды в этой ситуации) с большей вероятностью распадается через бета-плюс-распад (61,52(26) % ^[26] ), чем через электронный захват (38,48(26) % ^[26] ). Возбужденные энергетические состояния, возникающие в результате этих распадов, которые не заканчиваются в основном энергетическом состоянии, также производят более позднюю внутреннюю конверсию и гамма-распад почти в 0,5% случаев.

Список режимов распада

Цепочки распада и множественные режимы

Цепочка распада нептуния -237

Дочерний нуклид события распада также может быть нестабильным (радиоактивным). В этом случае он также распадется, производя излучение. Полученный второй дочерний нуклид также может быть радиоактивным. Это может привести к последовательности из нескольких событий распада, называемых цепочкой распада (см. эту статью для получения конкретных подробностей о важных естественных цепочках распада). В конечном итоге образуется стабильный нуклид. Любые дочерние продукты распада, которые являются результатом альфа-распада, также приведут к созданию атомов гелия.

Некоторые радионуклиды могут иметь несколько различных путей распада. Например,35,94(6) % ^[26] висмута -212 распадается посредством альфа-излучения на таллий-208, в то время как64,06(6) % ^[26] висмута -212 распадается посредством бета-излучения на полоний-212 . Как таллий-208, так и полоний-212 являются радиоактивными дочерними продуктами висмута-212, и оба распадаются непосредственно на стабильный свинец-208 .

Возникновение и применение

Согласно теории Большого взрыва , стабильные изотопы трех самых легких элементов ( H , He и следы Li ) были получены вскоре после возникновения Вселенной в процессе, называемом нуклеосинтезом Большого взрыва . Эти самые легкие стабильные нуклиды (включая дейтерий ) сохранились до наших дней, но любые радиоактивные изотопы легких элементов, образовавшихся во время Большого взрыва (например, тритий ), давно распались. Изотопы элементов тяжелее бора вообще не были получены во время Большого взрыва, и эти первые пять элементов не имеют долгоживущих радиоизотопов. Таким образом, все радиоактивные ядра, следовательно, являются относительно молодыми по отношению к рождению Вселенной, образовавшись позже в различных других типах нуклеосинтеза в звездах ( в частности, сверхновых ), а также в ходе продолжающихся взаимодействий между стабильными изотопами и энергичными частицами. Например, углерод-14 , радиоактивный нуклид с периодом полураспада всего5700(30) лет ^[26] постоянно образуется в верхних слоях атмосферы Земли в результате взаимодействия космических лучей с азотом.

Нуклиды, которые производятся радиоактивным распадом, называются радиогенными нуклидами , независимо от того, являются ли они сами стабильными или нет. Существуют стабильные радиогенные нуклиды, которые были образованы из короткоживущих вымерших радионуклидов в ранней Солнечной системе. ^{[27] [28]} Дополнительное присутствие этих стабильных радиогенных нуклидов (таких как ксенон-129 из вымершего йода-129 ) на фоне первичных стабильных нуклидов можно вывести различными способами.

Радиоактивный распад был использован в технике радиоизотопной маркировки , которая используется для отслеживания прохождения химического вещества через сложную систему (например, живой организм ). Образец вещества синтезируется с высокой концентрацией нестабильных атомов. Наличие вещества в той или иной части системы определяется путем обнаружения мест событий распада.

Исходя из того, что радиоактивный распад действительно случаен (а не просто хаотичен ), он использовался в аппаратных генераторах случайных чисел . Поскольку считается, что механизм процесса не сильно меняется с течением времени, он также является ценным инструментом для оценки абсолютного возраста определенных материалов. Для геологических материалов радиоизотопы и некоторые из их продуктов распада захватываются, когда порода затвердевает, и затем могут быть использованы (при условии соблюдения многих известных оговорок) для оценки даты затвердевания. К ним относится проверка результатов нескольких одновременных процессов и их продуктов друг против друга в пределах одного образца. Аналогичным образом, а также при условии соблюдения оговорок, можно оценить скорость образования углерода-14 в различные эпохи, дату образования органического вещества в течение определенного периода, связанного с периодом полураспада изотопа, поскольку углерод-14 захватывается, когда органическое вещество растет и включает новый углерод-14 из воздуха. После этого количество углерода-14 в органическом веществе уменьшается в соответствии с процессами распада, которые также можно независимо перепроверить другими способами (например, проверив содержание углерода-14 в отдельных годичных кольцах деревьев).

Эффект Силарда–Чалмерса

Эффект Сциларда-Чалмерса — это разрыв химической связи в результате кинетической энергии, полученной от радиоактивного распада. Он работает посредством поглощения нейтронов атомом и последующего испускания гамма-лучей, часто со значительным количеством кинетической энергии. Эта кинетическая энергия, согласно третьему закону Ньютона , отталкивает распадающийся атом, что заставляет его двигаться с достаточной скоростью, чтобы разорвать химическую связь. ^[29] Этот эффект можно использовать для разделения изотопов химическим путем.

Эффект Силарда-Чалмерса был открыт в 1934 году Лео Силардом и Томасом А. Чалмерсом. ^[30] Они наблюдали, что после бомбардировки нейтронами разрыв связи в жидком этилиодиде позволяет удалить радиоактивный йод. ^[31]

Происхождение радионуклидов

Радиоактивные первичные нуклиды, обнаруженные в Земле, являются остатками древних взрывов сверхновых , которые произошли до образования Солнечной системы . Они представляют собой часть радионуклидов, которые сохранились с того времени, через образование первичной солнечной туманности , через аккрецию планет и до настоящего времени. Природные короткоживущие радиогенные радионуклиды, обнаруженные в современных породах , являются дочерними продуктами этих радиоактивных первичных нуклидов. Другим второстепенным источником природных радионуклидов являются космогенные нуклиды , которые образуются при бомбардировке космическими лучами материала в атмосфере или коре Земли. Распад радионуклидов в породах мантии и коры Земли вносит значительный вклад во внутренний тепловой бюджет Земли .

Агрегированные процессы

Хотя лежащий в основе радиоактивного распада процесс является субатомным, исторически и в большинстве практических случаев он встречается в объемных материалах с очень большим числом атомов. В этом разделе обсуждаются модели, которые связывают события на атомном уровне с наблюдениями в совокупности.

Терминология

Скорость распада , или активность , радиоактивного вещества характеризуется следующими не зависящими от времени параметрами:

• Период полураспада , t _1/2 , — это время, необходимое для того, чтобы активность определенного количества радиоактивного вещества снизилась до половины своего первоначального значения.
• Константа распада , λ « лямбда », обратная величина среднего времени жизни (в с ⁻¹ ), иногда называемая просто скоростью распада .
• Среднее время жизни , τ " тау ", среднее время жизни (1/ e жизни) радиоактивной частицы до распада.

Хотя это константы, они связаны со статистическим поведением популяций атомов. В результате, предсказания с использованием этих констант менее точны для мельчайших выборок атомов.

В принципе, период полураспада, третий период или даже (1/√2)-период можно использовать точно так же, как и период полураспада; однако средний период жизни и период полураспада t _1/2 были приняты в качестве стандартных времен, связанных с экспоненциальным распадом.

Эти параметры могут быть связаны со следующими зависящими от времени параметрами:

• Полная активность (или просто активность ), А , представляет собой число распадов радиоактивного образца за единицу времени.
• Число частиц , N , в образце.
• Удельная активность , a , — это число распадов в единицу времени на единицу количества вещества образца в момент времени, установленный на ноль ( t = 0 ). «Количеством вещества» может быть масса, объем или моли исходного образца.

Они связаны следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}t_{1/2}&={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)\\[2pt]A&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}=\lambda N={\frac {\ln(2)}{t_{1/2}}}N\\[2pt]S_{A}a_{0}&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}{\bigg |}_{t=0}=\lambda N_{0}\end{aligned}}}$

где N0 — начальное количество активного вещества — вещества, имеющего тот же процент нестабильных частиц _, что и при образовании вещества.

Предположения

Математика радиоактивного распада зависит от ключевого предположения, что ядро ​​радионуклида не имеет «памяти» или способа перевода своей истории в свое нынешнее поведение. Ядро не «стареет» с течением времени. Таким образом, вероятность его распада не увеличивается со временем, а остается постоянной, независимо от того, как долго существует ядро. Эта постоянная вероятность может сильно различаться между разными типами ядер, что приводит к множеству различных наблюдаемых скоростей распада. Однако, какой бы ни была вероятность, она не меняется со временем. Это резко контрастирует со сложными объектами, которые действительно показывают старение, такими как автомобили и люди. Эти стареющие системы имеют вероятность распада в единицу времени, которая увеличивается с момента начала их существования.

Агрегированные процессы, такие как радиоактивный распад группы атомов, для которых вероятность реализации единичного события очень мала, но в которых число временных интервалов настолько велико, что тем не менее существует разумная скорость событий, моделируются распределением Пуассона , которое является дискретным. Радиоактивный распад и реакции ядерных частиц являются двумя примерами таких агрегированных процессов. ^[32] Математика процессов Пуассона сводится к закону экспоненциального распада , который описывает статистическое поведение большого числа ядер, а не одного отдельного ядра. В следующем формализме число ядер или популяция ядер N , конечно, является дискретной переменной ( натуральным числом ), но для любого физического образца N настолько велико, что его можно рассматривать как непрерывную переменную. Дифференциальное исчисление используется для моделирования поведения ядерного распада.

Процесс с одним распадом

Рассмотрим случай нуклида А , который распадается на другой нуклид В в результате некоторого процесса А → В (испускание других частиц, таких как электронные нейтрино
ν
_еи электроны e ⁻ как в бета-распаде , не имеют значения в дальнейшем). Распад нестабильного ядра полностью случаен во времени, поэтому невозможно предсказать, когда распадется конкретный атом. Однако он с равной вероятностью распадется в любой момент времени. Поэтому, учитывая образец конкретного радиоизотопа, число событий распада −d N , которые, как ожидается, произойдут в течение небольшого интервала времени d t , пропорционально числу присутствующих атомов N , то есть ^[33]

${\displaystyle -{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\propto N}$

Конкретные радионуклиды распадаются с разной скоростью, поэтому каждый имеет свою собственную константу распада λ . Ожидаемый распад −d N / N пропорционален приращению времени, d t :

${\displaystyle -{\frac {\mathrm {d} N}{N}}=\lambda \mathrm {d} t}$

Отрицательный знак указывает на то, что N уменьшается с увеличением времени, поскольку события распада следуют одно за другим. Решением этого дифференциального уравнения первого порядка является функция :

${\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}}$

где N ₀ — значение N в момент времени t = 0, при этом константа распада выражается как λ ^[33]

Имеем для всего времени t :

${\displaystyle N_{A}+N_{B}=N_{\text{total}}=N_{A0},}$

где N _total — постоянное число частиц на протяжении всего процесса распада, равное начальному числу нуклидов A , поскольку это исходное вещество.

Если число нераспавшихся ядер А равно:

${\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}}$

тогда число ядер B (т.е. число распавшихся ядер A ) равно

${\displaystyle N_{B}=N_{A0}-N_{A}=N_{A0}-N_{A0}e^{-\lambda t}=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).}$

Число распадов, наблюдаемых в течение заданного интервала, подчиняется статистике Пуассона . Если среднее число распадов равно ⟨ N ⟩ , вероятность заданного числа распадов N равна ^[33]

${\displaystyle P(N)={\frac {\langle N\rangle ^{N}\exp(-\langle N\rangle )}{N!}}.}$

Цепные процессы распада

Цепочка из двух распадов

Теперь рассмотрим случай цепочки из двух распадов: один нуклид A распадается на другой B в результате одного процесса, затем B распадается на другой C в результате второго процесса, т. е. A → B → C . Предыдущее уравнение не может быть применено к цепочке распадов, но может быть обобщено следующим образом. Поскольку A распадается на B , затем B распадается на C , активность A добавляется к общему числу нуклидов B в текущем образце, прежде чем эти нуклиды B распадутся и уменьшат число нуклидов, приводящих к более позднему образцу. Другими словами, число ядер второго поколения B увеличивается в результате распада ядер первого поколения A , и уменьшается в результате его собственного распада на ядра третьего поколения C . ^[34] Сумма этих двух членов дает закон для цепочки распадов для двух нуклидов:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A}.}$

Скорость изменения N _B , то есть d N _B /d t , связана с изменениями количеств A и B , N _B может увеличиваться по мере того, как B производится из A , и уменьшаться по мере того, как B производит C .

Переписываем с использованием предыдущих результатов:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A0}e^{-\lambda _{A}t}}$

Нижние индексы просто относятся к соответствующим нуклидам, то есть N _A — это число нуклидов типа A ; N _{A 0} — это начальное число нуклидов типа A ; λ _A — это константа распада для A — и аналогично для нуклида B. Решение этого уравнения относительно N _B дает:

${\displaystyle N_{B}={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right).}$

В случае, когда B — стабильный нуклид ( λ _B = 0), это уравнение сводится к предыдущему решению:

${\displaystyle \lim _{\lambda _{B}\rightarrow 0}\left[{\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right)\right]={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{0-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-1\right)=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda _{A}t}\right),}$

как показано выше для одного распада. Решение можно найти методом интеграционного фактора , где интегрирующий фактор — e ^{λ _B t} . Этот случай, возможно, самый полезный, поскольку он позволяет вывести как уравнение для одного распада (выше), так и уравнение для цепей с несколькими распадами (ниже) более непосредственно.

Цепочка любого количества распадов

Для общего случая любого числа последовательных распадов в цепочке распадов, т.е. A ₁ → A ₂ ··· → A _i ··· → _AD , где D — число распадов, а i — фиктивный индекс ( i = 1, 2, 3, ..., D ), каждая популяция нуклидов может быть найдена в терминах предыдущей популяции. В этом случае N ₂ = 0 , N ₃ = 0 , ..., N _D = 0. Используя приведенный выше результат в рекурсивной форме:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{j}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{j}N_{j}+\lambda _{j-1}N_{(j-1)0}e^{-\lambda _{j-1}t}.}$

Общее решение рекурсивной задачи дается уравнениями Бейтмена : ^[35]

«Уравнения Бейтмана»

${\displaystyle {\begin{aligned}N_{D}&={\frac {N_{1}(0)}{\lambda _{D}}}\sum _{i=1}^{D}\lambda _{i}c_{i}e^{-\lambda _{i}t}\\[3pt]c_{i}&=\prod _{j=1,i\neq j}^{D}{\frac {\lambda _{j}}{\lambda _{j}-\lambda _{i}}}\end{aligned}}}$

Несколько продуктов

Во всех приведенных выше примерах исходный нуклид распадается только на один продукт. ^[36] Рассмотрим случай одного исходного нуклида, который может распадаться на любой из двух продуктов, то есть A → B и A → C параллельно. Например, в образце калия-40 89,3% ядер распадаются на кальций-40 и 10,7% на аргон-40 . Для всего времени t имеем :

${\displaystyle N=N_{A}+N_{B}+N_{C}}$

что является постоянным, поскольку общее число нуклидов остается постоянным. Дифференцируем по времени:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} N_{A}}{\mathrm {d} t}}&=-\left({\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\mathrm {d} N_{C}}{\mathrm {d} t}}\right)\\-\lambda N_{A}&=-N_{A}\left(\lambda _{B}+\lambda _{C}\right)\\\end{aligned}}}$

определение полной постоянной распада λ через сумму парциальных постоянных распада λ _B и λ _C :

${\displaystyle \lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}.}$

Решаем это уравнение относительно N _A :

${\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}.}$

где N _{A 0} — начальное число нуклидов A. При измерении образования одного нуклида можно наблюдать только полную константу распада λ . Константы распада λ _B и λ _C определяют вероятность распада с образованием продуктов B или C следующим образом:

${\displaystyle N_{B}={\frac {\lambda _{B}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right),}$

${\displaystyle N_{C}={\frac {\lambda _{C}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).}$

потому что доля ядер λ _B / λ распадается на B, а доля ядер λ _C / λ распадается на C.

Следствия законов

Приведенные выше уравнения можно также записать с использованием величин, связанных с числом частиц нуклида N в образце;

• Активность: A = λN .
• Количество вещества : n = N / N _A.​
• Масса : m = Mn = MN / N _A .​

где N _А =6,022 140 76 × 10 ²³  моль ⁻¹ ‍ [ ^37] — постоянная Авогадро , M — молярная масса вещества в кг/моль, а количество вещества n — в молях .

Время распада: определения и соотношения

Постоянная времени и средний срок службы

Для решения с одним распадом A → B :

${\displaystyle N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!}$

уравнение показывает, что постоянная распада λ имеет единицы измерения t ⁻¹ и, таким образом, может быть представлена ​​как 1/ τ , где τ — характерное время процесса, называемое постоянной времени .

В процессе радиоактивного распада эта постоянная времени также является средним временем жизни распадающихся атомов. Каждый атом «живет» в течение конечного времени, прежде чем распадется, и можно показать, что это среднее время жизни является арифметическим средним временем жизни всех атомов, и что оно равно τ , что снова связано с постоянной распада следующим образом:

${\displaystyle \tau ={\frac {1}{\lambda }}.}$

Эта форма также верна для двухраспадных процессов одновременно A → B + C , вставляя эквивалентные значения констант распада (как указано выше)

${\displaystyle \lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}\,}$

в раствор распада приводит к:

${\displaystyle {\frac {1}{\tau }}=\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}={\frac {1}{\tau _{B}}}+{\frac {1}{\tau _{C}}}\,}$

Моделирование множества идентичных атомов, подвергающихся радиоактивному распаду, начиная с 4 атомов (слева) или 400 (справа). Число вверху указывает, сколько периодов полураспада прошло.

Период полураспада

Более часто используемый параметр — период полураспада T _1/2 . Для образца конкретного радионуклида период полураспада — это время, необходимое для распада половины атомов радионуклида. Для случая однораспадных ядерных реакций:

${\displaystyle N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!}$

период полураспада связан с константой распада следующим образом: положим N = N ₀ /2 и t = T _1/2 , чтобы получить

${\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \ln 2.}$

Эта связь между периодом полураспада и константой распада показывает, что высокорадиоактивные вещества быстро расходуются, а те, которые излучают слабо, сохраняются дольше. Периоды полураспада известных радионуклидов различаются почти на 54 порядка, от более чем2,25(9) × 10 ²⁴ лет (6,9 × 10 ³¹ сек) для очень почти стабильного нуклида ¹²⁸ Te , до^8,6 (6) × 10−23 секунд для крайне нестабильного нуклида ⁵ H. ^[26 ]

Фактор ln(2) в приведенных выше соотношениях возникает из-за того, что концепция «периода полураспада» — это всего лишь способ выбора другой основы, отличной от естественной основы e для выражения времени жизни. Постоянная времени τ — это e −1   -время, время, пока не останется только 1/ e , около 36,8%, а не 50% в периоде полураспада радионуклида. Таким образом, τ больше, чем t _1/2 . Можно показать, что следующее уравнение справедливо:

${\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-t/\tau }=N_{0}\,2^{-t/t_{1/2}}.\,\!}$

Поскольку радиоактивный распад является экспоненциальным с постоянной вероятностью, каждый процесс можно было бы легко описать с помощью другого постоянного периода времени, который (например) давал бы его "(1/3)-жизнь" (сколько времени, пока не останется только 1/3) или "(1/10)-жизнь" (период времени, пока не останется только 10%) и т. д. Таким образом, выбор τ и t _1/2 для маркерных времен сделан только для удобства и по соглашению. Они отражают фундаментальный принцип только в той мере, в какой они показывают, что одна и та же доля данного радиоактивного вещества распадется в течение любого выбранного периода времени.

Математически n-я ^жизнь для вышеуказанной ситуации может быть найдена таким же образом, как и выше, — путем подстановки N = N ₀ /n , t = T _{1/ n} и подстановки в решение распада, чтобы получить

${\displaystyle t_{1/n}={\frac {\ln n}{\lambda }}=\tau \ln n.}$

Пример для углерода-14

Углерод-14 имеет период полураспада5700(30) лет ^[26] и скорость распада 14 распадов в минуту (dpm) на грамм природного углерода.

Если обнаружено, что радиоактивность артефакта составляет 4 dpm на грамм имеющегося в нем C, мы можем определить приблизительный возраст объекта, используя приведенное выше уравнение:

${\displaystyle N=N_{0}\,e^{-t/\tau },}$

где:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {N}{N_{0}}}&=4/14\approx 0.286,\\\tau &={\frac {T_{1/2}}{\ln 2}}\approx 8267{\text{ years}},\\t&=-\tau \,\ln {\frac {N}{N_{0}}}\approx 10356{\text{ years}}.\end{aligned}}}$

Изменение ставок

Известно, что радиоактивные режимы распада электронного захвата и внутренней конверсии немного чувствительны к химическим и экологическим эффектам, которые изменяют электронную структуру атома, что, в свою очередь, влияет на присутствие 1s- и 2s -электронов, которые участвуют в процессе распада. Затрагивается небольшое количество нуклидов. ^[38] Например, химические связи могут влиять на скорость электронного захвата в небольшой степени (в целом, менее 1%) в зависимости от близости электронов к ядру. В ^7Be наблюдалась разница в 0,9% между периодами полураспада в металлических и изолирующих средах. ^[39] Этот относительно большой эффект обусловлен тем, что бериллий является небольшим атомом, валентные электроны которого находятся на 2s- атомных орбиталях , которые подвержены электронному захвату в ^7Be , поскольку (как и все s- атомные орбитали во всех атомах) они естественным образом проникают в ядро.

В 1992 году Юнг и др. из группы Darmstadt Heavy-Ion Research наблюдали ускоренный β ⁻  распад ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ . Хотя нейтральный ¹⁶³ Dy является стабильным изотопом, полностью ионизированный ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ подвергается β ⁻  распаду в оболочках K и L до ¹⁶³ Ho ⁶⁶⁺ с периодом полураспада 47 дней. ^[40]

Еще одним ярким примером является рений-187 . Обычно ¹⁸⁷ Re претерпевает бета-распад до ¹⁸⁷ Os с периодом полураспада 41,6 × 10 ⁹  лет ^[41] , но исследования с использованием полностью ионизированных атомов ¹⁸⁷ Re (голых ядер) показали, что этот период может сократиться всего до 32,9 лет ^[42] . Это объясняется « распадом связанного состояния β ⁻ » полностью ионизированного атома — электрон испускается в «K-оболочку» ( атомную орбиталь 1s ), что не может происходить для нейтральных атомов, в которых все низколежащие связанные состояния заняты. ^[43]

Пример суточных и сезонных изменений отклика детектора гамма-излучения.

Ряд экспериментов показал, что скорости распада других видов искусственных и естественных радиоизотопов с высокой степенью точности не зависят от внешних условий, таких как температура, давление, химическая среда, а также электрические, магнитные или гравитационные поля. ^{[44] Сравнение лабораторных экспериментов за последнее столетие, исследований} естественного ядерного реактора Окло (которые продемонстрировали влияние тепловых нейтронов на ядерный распад) и астрофизических наблюдений за спадом светимости далеких сверхновых (которые произошли далеко, поэтому свету потребовалось много времени, чтобы достичь нас), например, убедительно указывают на то, что невозмущенные скорости распада были постоянными (по крайней мере, в пределах ограничений малых экспериментальных ошибок) как функции времени. ^{[ необходима цитата ]}

Недавние результаты предполагают возможность того, что скорости распада могут иметь слабую зависимость от факторов окружающей среды. Было высказано предположение, что измерения скоростей распада кремния-32 , марганца-54 и радия-226 демонстрируют небольшие сезонные колебания (порядка 0,1%). ^{[45] [46] [47]} Однако такие измерения весьма восприимчивы к систематическим ошибкам, и последующая статья ^[48] не нашла никаких доказательств таких корреляций в семи других изотопах ( ²² Na, ⁴⁴ Ti, ¹⁰⁸ Ag, ¹²¹ Sn, ¹³³ Ba, ²⁴¹ Am, ²³⁸ Pu) и установила верхние пределы размера любых таких эффектов. Когда-то сообщалось, что распад радона-222 демонстрирует большие сезонные колебания в 4% от пика до пика (см. график) ^[49] , которые, как предполагалось, были связаны либо с активностью солнечных вспышек , либо с расстоянием от Солнца, но подробный анализ недостатков конструкции эксперимента, а также сравнение с другими, гораздо более строгими и систематически контролируемыми экспериментами, опровергают это утверждение. ^[50]

Аномалия GSI

Неожиданная серия экспериментальных результатов для скорости распада тяжелых высокозаряженных радиоактивных ионов, циркулирующих в накопительном кольце, спровоцировала теоретическую активность в попытке найти убедительное объяснение. Обнаружено, что скорости слабого распада двух радиоактивных видов с периодами полураспада около 40 с и 200 с имеют значительную колебательную модуляцию с периодом около 7 с. ^[51] Наблюдаемое явление известно как аномалия GSI , поскольку накопительное кольцо является установкой в ​​Центре исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца GSI в Дармштадте , Германия . Поскольку процесс распада производит электронное нейтрино , некоторые из предложенных объяснений наблюдаемой осцилляции скорости ссылаются на свойства нейтрино. Первоначальные идеи, связанные с осцилляциями аромата, были встречены скептически. ^[52] Более позднее предложение касается различий масс между собственными массовыми состояниями нейтрино . ^[53]

Ядерные процессы

Нуклид считается «существующим», если его период полураспада больше 2x10 ^-14 с. Это произвольная граница; более короткие периоды полураспада считаются резонансами, такими как система, подвергающаяся ядерной реакции. Эта временная шкала характерна для сильного взаимодействия , которое создает ядерную силу . Только нуклиды считаются распадающимися и производящими радиоактивность. ^{[54] : 568}

Нуклиды могут быть стабильными или нестабильными. Нестабильные нуклиды распадаются, возможно, в несколько этапов, пока не станут стабильными. Известно 256 стабильных нуклидов. Число обнаруженных нестабильных нуклидов возросло, и в 2006 году их было известно около 3000. ^[54]

Наиболее распространенные и, следовательно, исторически наиболее важные формы естественного радиоактивного распада включают испускание альфа-частиц, бета-частиц и гамма-лучей. Каждый из них соответствует фундаментальному взаимодействию , в основном ответственному за радиоактивность: ^{[55] : 142}

• альфа-распад -> сильное взаимодействие ,
• бета-распад -> слабое взаимодействие ,
• гамма-распад -> электромагнетизм .

При альфа-распаде частица, содержащая два протона и два нейтрона, эквивалентная ядру He, вырывается из родительского ядра. Процесс представляет собой соревнование между электромагнитным отталкиванием между протонами в ядре и притягивающей ядерной силой , остаточным эффектом сильного взаимодействия. Альфа-частица является особенно прочно связанным ядром, что помогает ей чаще побеждать в соревновании. ^{[56] : 872} Однако некоторые ядра распадаются или делятся на более крупные частицы, а искусственные ядра распадаются с испусканием одиночных протонов, двойных протонов и других комбинаций. ^[54]

Бета-распад преобразует нейтрон в протон или наоборот. Когда нейтрон внутри родительского нуклида распадается на протон, получается электрон, антинейтрино и нуклид с высоким атомным номером. Когда протон в родительском нуклиде преобразуется в нейтрон, получается позитрон , нейтрино и нуклид с более низким атомным номером. Эти изменения являются прямым проявлением слабого взаимодействия. ^{[56] : 874}

Гамма-распад напоминает другие виды электромагнитного излучения: он соответствует переходам между возбужденным квантовым состоянием и состоянием с более низкой энергией. Любой из механизмов распада частиц часто оставляет дочернюю частицу в возбужденном состоянии, которая затем распадается посредством гамма-излучения. ^{[56] : 876}

Другие формы распада включают испускание нейтронов , захват электронов , внутреннюю конверсию , кластерный распад . ^[57]

Предупреждающие знаки опасности

• 
  Символ трилистника, используемый для предупреждения о наличии радиоактивных материалов или ионизирующего излучения.
• 
  Символ опасности радиоактивности ISO 2007, предназначенный для источников категории 1, 2 и 3 МАГАТЭ, определенных как опасные источники, способные вызвать смерть или серьезные травмы ^[58]
• 
  Один из нескольких классификационных знаков перевозки опасных грузов для радиоактивных материалов.

Смотрите также

• Актиниды в окружающей среде
• Фоновое излучение
• Чернобыльская катастрофа
• Преступления с использованием радиоактивных веществ
• Распад цепи
• Коррекция распада
• Убежище от радиоактивных осадков
• счетчик Гейгера
• Наведенная радиоактивность
• Списки ядерных катастроф и радиационных инцидентов
• Национальный совет по радиационной защите и измерениям
• Ядерная энергетика
• Ядерная фармацевтика
• Ядерная физика
• Ядерная энергетика
• Ядерная цепная реакция
• Распад частиц
• процесс Пуассона
• Лучевая терапия
• Радиоактивное заражение
• Радиоактивность в биологии
• Радиометрическое датирование
• Стохастический
• Переходное равновесие

Портал ядерных технологий Физический портал

Примечания

Ссылки

1. "Radioactivity: Weak Forces". Radioactivity . EDP Sciences. Архивировано из оригинала 12 августа 2021 г. Получено 4 марта 2020 г.
2. Stabin, Michael G. (2007). "3". В Stabin, Michael G (ред.). Радиационная защита и дозиметрия: введение в физику здоровья . Springer . doi :10.1007/978-0-387-49983-3. ISBN 978-0-387-49982-6.
3. Best, Lara; Rodrigues, George; Velker, Vikram (2013). "1.3". Radiation Oncology Primer and Review . Demos Medical Publishing . ISBN 978-1-62070-004-4.
4. Лавленд, У.; Моррисси, Д.; Сиборг, Г. Т. (2006). Современная ядерная химия . Wiley-Interscience. стр. 57. Bibcode :2005mnc..book.....L. ISBN 978-0-471-11532-8.
5. Молд, Ричард Ф. (1995). Столетие рентгеновских лучей и радиоактивности в медицине: с акцентом на фотографические записи ранних лет (Переиздание с незначительной корр. ред.). Бристоль: Изд-во Института физики. стр. 12. ISBN 978-0-7503-0224-1.
6. Анри Беккерель (1896). «Сюр-лес-излучения излучают фосфоресценцию». Комптес Рендус . 122 : 420–421.
7. Comptes Rendus 122 : 420 (1896), перевод Кармен Джунта. Получено 12 апреля 2021 г.
8. Анри Беккерель (1896). «Невидимые излучения излучают фосфоресцентное тело». Комптес Рендус . 122 : 501–503.
9. Comptes Rendus 122 : 501–503 (1896), перевод Кармен Джунта. Получено 12 апреля 2021 г.
10. Казимир Фаянс, «Радиоактивные превращения и периодическая система элементов». Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft , Nr. 46, 1913, стр. 422–439.
11. Фредерик Содди, «Радиоэлементы и периодический закон», Chem. News, № 107, 1913, стр. 97–99
12. L'Annunziata, Michael F. (2007). Радиоактивность: Введение и история . Амстердам, Нидерланды: Elsevier Science. стр. 2. ISBN 9780080548883.
13. Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия (8-е изд.). Prentice Hall. стр. 1025. ISBN 0-13-014329-4.
14. Сансаре, К.; Кханна, В.; Карджодкар, Ф. (2011). «Ранние жертвы рентгеновских лучей: дань уважения и современное восприятие». Dentomaxillofacial Radiology . 40 (2): 123–125. doi :10.1259/dmfr/73488299. ISSN  0250-832X. PMC 3520298. PMID 21239576  . 
15. "Ronald L. Kathern and Paul L. Ziemer, he First Fifty Years of Radiation Protection, physics.isu.edu". Архивировано из оригинала 12 сентября 2017 г. Получено 25 ноября 2013 г.
16. Hrabak, M.; Padovan, RS; Kralik, M.; Ozretic, D.; Potocki, K. (июль 2008 г.). «Никола Тесла и открытие рентгеновских лучей». RadioGraphics . 28 (4): 1189–92. doi : 10.1148/rg.284075206 . PMID  18635636.
17. Рентецци, Мария (7 ноября 2017 г.). «Мария Кюри и опасности радия». Physics Today (11): 30676. Bibcode :2017PhT..2017k0676R. doi :10.1063/PT.6.4.20171107a . Получено 3 мая 2022 г.
18. Кларк, Р. Х.; Дж. Валентин (2009). «История МКРЗ и эволюция ее политики» (PDF) . Анналы МКРЗ . Публикация МКРЗ 109. 39 (1): 75–110. doi :10.1016/j.icrp.2009.07.009. S2CID  71278114 . Получено 12 мая 2012 г. .
19. Дэниелс, М.; и др. (2020). «Эпидемиологические исследования низкодозной ионизирующей радиации и рака: сводная оценка смещения и метаанализ». J Natl Cancer Inst Monogr . 56 (1 июля): 188–200. doi :10.1093/jncimonographs/lgaa010. ISSN  1434-6001. PMC 8454205. PMID 32657347  . 
20. Вентури, Себастьяно (январь 2021 г.). «Цезий в биологии, рак поджелудочной железы и противоречия в ущербе от высокого и низкого радиационного воздействия — научные, экологические, геополитические и экономические аспекты». Международный журнал исследований окружающей среды и общественного здравоохранения . 18 (17): 8934. doi : 10.3390/ijerph18178934 . PMC 8431133. PMID  34501532 .  Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
21. Резерфорд, Эрнест (6 октября 1910 г.). «Стандарты и номенклатура радия». Nature . 84 (2136): 430–431. Bibcode :1910Natur..84..430R. doi : 10.1038/084430a0 .
22. 10 CFR 20.1005. Комиссия по ядерному регулированию США. 2009.
23. Совет Европейских Сообществ (21 декабря 1979 г.). «Директива Совета 80/181/ЕЭС от 20 декабря 1979 г. о сближении законов государств-членов, касающихся единиц измерения, и об отмене Директивы 71/354/ЕЭС» . Получено 19 мая 2012 г.
24. "Радиоактивный распад". chemed.chem.purdue.edu . Получено 5 мая 2022 г. .
25. "CH103 – Глава 3: Радиоактивность и ядерная химия – Химия" . Получено 5 июля 2022 г.
26. Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
27. Клейтон, Дональд Д. (1983). Принципы звездной эволюции и нуклеосинтеза (2-е изд.). Издательство Чикагского университета. стр. 75. ISBN 978-0-226-10953-4.
28. Bolt, BA; Packard, RE; Price, PB (2007). "John H. Reynolds, Physics: Berkeley". Калифорнийский университет, Беркли . Получено 1 октября 2007 г.
29. "Эффект Сциларда-Чалмерса - Oxford Reference". oxfordreference.com . Получено 27 декабря 2019 г. .
30. Силард, Лео; Чалмерс, Томас А. (1934). «Химическое разделение радиоактивного элемента от его бомбардируемого изотопа в эффекте Ферми». Nature . 134 (3386): 462. Bibcode :1934Natur.134..462S. doi : 10.1038/134462b0 . S2CID  4129460.
31. Harbottle, Garman; Sutin, Norman (1 января 1959 г.), Emeléus, HJ; Sharpe, AG (ред.), Реакция Силарда-Чалмерса в твердых телах, Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry, т. 1, Academic Press, стр. 267–314, doi :10.1016/S0065-2792(08)60256-3, ISBN 9780120236015, получено 19 марта 2020 г.
32. Лео, Уильям Р. (1992). "Гл. 4". Статистика и обработка экспериментальных данных (Методы ядерных и элементарных физики экспериментов под ред.). Springer-Verlag.
33. Patel, SB (2000). Ядерная физика: введение . Нью-Дели: New Age International. стр. 62–72. ISBN 978-81-224-0125-7.
34. Введение в ядерную физику, К. С. Крейн, 1988, John Wiley & Sons Inc, ISBN 978-0-471-80553-3 
35. Cetnar, Jerzy (май 2006). "Общее решение уравнений Бейтмана для ядерных трансмутаций". Annals of Nuclear Energy . 33 (7): 640–645. Bibcode : 2006AnNuE..33..640C. doi : 10.1016/j.anucene.2006.02.004.
36. KS Krane (1988). Введение в ядерную физику . John Wiley & Sons Inc. стр. 164. ISBN 978-0-471-80553-3.
37. "2022 CODATA Value: Avogadro constant". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 18 мая 2024 .
38. Эмери, ГТ (декабрь 1972 г.). «Возмущение скоростей ядерного распада». Annual Review of Nuclear Science . 22 (1): 165–202. Bibcode : 1972ARNPS..22..165E. doi : 10.1146/annurev.ns.22.120172.001121. ISSN  0066-4243 . Получено 23 февраля 2022 г.
39. Ван, Б.; и др. (2006). «Изменение периода полураспада электронов 7Be в металлических средах». The European Physical Journal A. 28 ( 3): 375–377. Bibcode : 2006EPJA...28..375W. doi : 10.1140/epja/i2006-10068-x. ISSN  1434-6001. S2CID  121883028.
40. Юнг, М.; и др. (1992). «Первое наблюдение связанного состояния β ⁻ распада». Physical Review Letters . 69 (15): 2164–2167. Bibcode :1992PhRvL..69.2164J. doi :10.1103/PhysRevLett.69.2164. ISSN  0031-9007. PMID  10046415.
41. Смоляр, MI; Уокер, RJ; Морган, JW (1996). "Re-Os возрасты железных метеоритов групп IIA, IIIA, IVA и IVB". Science . 271 (5252): 1099–1102. Bibcode :1996Sci...271.1099S. doi :10.1126/science.271.5252.1099. S2CID  96376008.
42. Bosch, F.; et al. (1996). «Наблюдение связанного состояния бета-минус распада полностью ионизированного ¹⁸⁷ Re: ¹⁸⁷ Re– ¹⁸⁷ Os Cosmochronometry». Physical Review Letters . 77 (26): 5190–5193. Bibcode : 1996PhRvL..77.5190B. doi : 10.1103/PhysRevLett.77.5190. PMID  10062738.
43. Bosch, F.; et al. (1996). "Наблюдение связанного состояния β– распада полностью ионизированного ¹⁸⁷ Re: ¹⁸⁷ Re- ¹⁸⁷ Os Cosmochronometry". Physical Review Letters . 77 (26): 5190–5193. Bibcode :1996PhRvL..77.5190B. doi :10.1103/PhysRevLett.77.5190. PMID  10062738.
44. Эмери, ГТ (1972). «Возмущение скоростей ядерного распада». Annual Review of Nuclear Science . 22 (1): 165–202. Bibcode : 1972ARNPS..22..165E. doi : 10.1146/annurev.ns.22.120172.001121 .
45. "Тайна переменного ядерного распада". Physics World . 2 октября 2008 г.
46. Дженкинс, Джере Х.; Фишбах, Эфраим (2009). «Возмущение скоростей ядерного распада во время солнечной вспышки 13 декабря 2006 года». Astroparticle Physics . 31 (6): 407–411. arXiv : 0808.3156 . Bibcode : 2009APh....31..407J. doi : 10.1016/j.astropartphys.2009.04.005. S2CID  118863334.
47. Дженкинс, Дж. Х.; Фишбах, Эфраим; Банчер, Джон Б.; Грюнвальд, Джон Т.; Краузе, Деннис Э.; Мэттс, Джошуа Дж. (2009). «Доказательства корреляций между скоростями ядерного распада и расстоянием от Земли до Солнца». Astroparticle Physics . 32 (1): 42–46. arXiv : 0808.3283 . Bibcode :2009APh....32...42J. doi :10.1016/j.astropartphys.2009.05.004. S2CID  119113836.
48. Норман, ЭБ; Браун, Эдгардо; Шугарт, Ховард А.; Джоши, Тенцинг Х.; Файрстоун, Ричард Б. (2009). "Доказательства против корреляций между скоростями ядерного распада и расстоянием Земля–Солнце" (PDF) . Astroparticle Physics . 31 (2): 135–137. arXiv : 0810.3265 . Bibcode :2009APh....31..135N. doi :10.1016/j.astropartphys.2008.12.004. S2CID  7051382. Архивировано из оригинала (PDF) 29 июня 2010 г. . Получено 23 сентября 2009 г. .
49. Sturrock, PA; Steinitz, G.; Fischbach, E.; Javorsek, D.; Jenkins, JH (2012). «Анализ гамма-излучения от источника радона: признаки солнечного влияния». Astroparticle Physics . 36 (1): 18–25. arXiv : 1205.0205 . Bibcode :2012APh....36...18S. doi :10.1016/j.astropartphys.2012.04.009. ISSN  0927-6505. S2CID  119163371.
50. Pommé, S.; Lutter, G.; Marouli, M.; Kossert, K.; Nähle, O. (1 января 2018 г.). «О заявлении о модуляциях в распаде радона и их связи с вращением Солнца». Astroparticle Physics . 97 : 38–45. Bibcode :2018APh....97...38P. doi : 10.1016/j.astropartphys.2017.10.011 . ISSN  0927-6505.
51. Kienle P, Bosch F, Bühler P, Faestermanna T, Litvinov Yu.A., Winckler N и др. (2013). "Высокоразрешающее измерение модулированного по времени орбитального электронного захвата и распада β ⁺ водородоподобных ионов ¹⁴² Pm ₆₀ ⁺ ". Physics Letters B . 726 (4–5): 638–645. arXiv : 1309.7294 . Bibcode :2013PhLB..726..638K. doi :10.1016/j.physletb.2013.09.033. ISSN  0370-2693. S2CID  55085840.
52. Giunti, Carlo (2009). «The GSI Time Anomaly: Facts and Fiction». Nuclear Physics B: Proceedings Supplements . 188 : 43–45. arXiv : 0812.1887 . Bibcode :2009NuPhS.188...43G. doi :10.1016/j.nuclphysbps.2009.02.009. ISSN  0920-5632. S2CID  10196271.
53. Гал, Авраам (2016). «Нейтринные сигналы в экспериментах с электронным захватом и накопительным кольцом». Симметрия . 8 (6): 49. arXiv : 1407.1789 . Bibcode : 2016Symm....8...49G. doi : 10.3390/sym8060049 . ISSN  2073-8994. S2CID  14287612.
54. Pfützner, M.; Karny, M.; Grigorenko, LV; Riisager, K. (30 апреля 2012 г.). «Радиоактивные распады на границах ядерной стабильности». Reviews of Modern Physics . 84 (2): 567–619. doi :10.1103/RevModPhys.84.567. ISSN  0034-6861.
55. Pais, Abraham (2002). Внутреннее ограничение: материи и сил в физическом мире (переиздание). Oxford: Clarendon Press [ua] ISBN 978-0-19-851997-3.
56. Оганян, Ганс К. (1994). Принципы физики (1-е изд.). Нью-Йорк: WW Norton. ISBN 978-0-393-95773-0. OCLC  1311044116.
57. "Другие типы радиоактивного распада". Австралийское агентство по радиационной защите и ядерной безопасности .
58. Пресс-релиз МАГАТЭ, февраль 2007 г.

Внешние ссылки

• Поиск ядерных данных Lund/LBNL – содержит табличную информацию о типах и энергиях радиоактивного распада.
• Номенклатура ядерной химии
• Конкретная деятельность и связанные с ней темы.
• Текущая карта нуклидов – МАГАТЭ
• Интерактивная карта нуклидов, архивированная 10 октября 2018 г. на Wayback Machine
• Веб-сайт общественного образования Общества физики здоровья
• Бич, Чандлер Б., ред. (1914). "Лучи Беккереля"  . Новый справочник студента  . Чикаго: FE Compton and Co.
• Аннотированная библиография по радиоактивности из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос. Архивировано 7 октября 2010 г. на Wayback Machine.
• Стохастический Java-апплет о распаде радиоактивных атомов Архивировано 13 августа 2011 г. на Wayback Machine Вольфгангом Бауэром
• Стохастическое флэш-моделирование распада радиоактивных атомов Дэвида М. Харрисона
• «Анри Беккерель: открытие радиоактивности», статьи Беккереля 1896 года, доступные онлайн и проанализированные на BibNum [нажмите «à télécharger» для английской версии] .
• «Радиоактивные изменения», статья Резерфорда и Содди (1903), онлайн и проанализирована на Bibnum [кликните «à télécharger» для английской версии]