Радиоактивный распад

Выбросы нестабильных атомных ядер

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

Радиоактивный распад (также известный как ядерный распад , радиоактивность , радиоактивный распад или ядерный распад ) — это процесс, при котором нестабильное атомное ядро ​​теряет энергию из-за излучения . Материал, содержащий нестабильные ядра, считается радиоактивным . Три наиболее распространенных типа распада — это альфа- , бета- и гамма-распад . Слабое взаимодействие — это механизм , ответственный за бета-распад, тогда как два других управляются электромагнетизмом и ядерным взаимодействием . ^[1]

Радиоактивный распад — стохастический (т. е. случайный) процесс на уровне отдельных атомов. Согласно квантовой теории , невозможно предсказать, когда тот или иной атом распадется, 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 период полураспада . Периоды полураспада радиоактивных атомов имеют огромный диапазон; от почти мгновенного до гораздо более продолжительного, чем возраст Вселенной .

Распадающееся ядро ​​называется родительским радионуклидом (или родительским радиоизотопом ^{[примечание 1]} ), и в результате этого процесса образуется по крайней мере один дочерний нуклид . За исключением гамма-распада или внутреннего преобразования из ядерного возбужденного состояния , распад представляет собой ядерную трансмутацию, в результате которой образуется дочерний элемент, содержащий другое количество протонов или нейтронов (или того и другого). Когда число протонов меняется, создается атом другого химического элемента .

На Земле существует 28 радиоактивных химических элементов, встречающихся в природе и состоящих из 34 радионуклидов (шесть элементов имеют два разных радионуклида), появившихся до времени формирования Солнечной системы . Эти 34 известны как первичные нуклиды . Хорошо известными примерами являются уран и торий , но также сюда входят встречающиеся в природе долгоживущие радиоизотопы, такие как калий-40 .

История открытия

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

Радиоактивность была открыта в 1896 году учёными Анри Беккерелем и Марией Склодовской-Кюри при работе с фосфоресцирующими материалами. ^{[5] [6] [7] [8] [9]} Эти материалы светятся в темноте после воздействия света, и Беккерель подозревал, что свечение, создаваемое в электронно-лучевых трубках рентгеновскими лучами , может быть связано с фосфоресценцией. Он обернул фотопластинку черной бумагой 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 она была завернута в черную бумагу. Эти излучения получили название «лучи Беккереля».

Вскоре выяснилось, что почернение пластины не имеет ничего общего с фосфоресценцией, так как почернение вызывают также нефосфоресцирующие соли урана и металлический уран. В результате этих экспериментов стало ясно, что существует форма невидимого излучения, которое может проходить через бумагу и заставлять пластину реагировать так, как будто она подвергается воздействию света.

Поначалу 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 была значительно сложнее. Резерфорд был первым, кто осознал, что все такие элементы распадаются по одной и той же математической показательной формуле. Резерфорд и его ученик Фредерик Содди первыми осознали, что многие процессы распада приводят к превращению одного элемента в другой. Впоследствии для описания продуктов альфа- и бета-распада был сформулирован закон радиоактивного смещения Фаянса и Содди . ^{[10] [11]}

Первые исследователи также обнаружили, что многие другие химические элементы , помимо урана, имеют радиоактивные изотопы. Систематический поиск общей радиоактивности в урановых рудах также привел Пьера и Марии Кюри к выделению двух новых элементов: полония и радия . За исключением радиоактивности радия, химическое сходство радия с барием затрудняло различие этих двух элементов.

Исследование радиоактивности Марией и Пьером Кюри является важным фактором в науке и медицине. После того, как 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 распространен 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

Рентгеновский снимок 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 обычный способ установки трубки. Никаких мер предосторожности против радиационного воздействия не принимается; в то время его опасность не была известна.

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

Рентгеновские лучи

Открытие Вильгельмом Рентгеном в 1895 году рентгеновских лучей привело к широкому распространению экспериментов со стороны ученых, врачей и изобретателей. Многие люди начали рассказывать истории об ожогах, выпадении волос и других худших явлениях в технических журналах еще в 1896 году. В феврале того же года профессор Дэниел и доктор Дадли из Университета Вандербильта провели эксперимент с рентгеновским исследованием головы Дадли, в результате которого у него выпали волосы. . Сообщение доктора Х. Д. Хокса о том, что он получил серьезные ожоги рук и груди во время демонстрации рентгеновских снимков, было первым из многих других сообщений в Electrical Review . ^[14]

Другие экспериментаторы, в том числе Элиху Томсон и Никола Тесла , также сообщили об ожогах. Томсон намеренно подвергал палец воздействию рентгеновской трубки в течение определенного периода времени, в результате чего он почувствовал боль, отек и образование волдырей. ^[15] Иногда в причинении ущерба обвиняли и другие воздействия, в том числе ультрафиолетовые лучи и озон, ^[16] и многие врачи до сих пор утверждали, что рентгеновское воздействие вообще не имело никаких последствий. ^[15]

Несмотря на это, было проведено несколько ранних систематических исследований опасностей, и уже в 1902 году Уильям Герберт Роллинз почти в отчаянии писал, что его предупреждения об опасностях, связанных с небрежным использованием рентгеновских лучей, не были услышаны ни промышленностью, ни его коллегами. К этому времени Роллинз доказал, что рентгеновские лучи могут убить экспериментальных животных, вызвать аборт у беременной морской свинки и убить плод. Он также подчеркнул, что «животные различаются по восприимчивости к внешнему действию рентгеновского света» и предупредил, что эти различия следует учитывать при лечении пациентов с помощью рентгеновских лучей. ^{[ нужна цитата ]}

Радиоактивные вещества

Радиоактивность свойственна элементам с большими атомными номерами. Элементы, имеющие хотя бы один стабильный изотоп, показаны голубым цветом. Зелёным показаны элементы, период полураспада наиболее стабильного изотопа которых измеряется миллионами лет. Желтый и оранжевый становятся все менее стабильными, их период полураспада составляет тысячи или сотни лет, вплоть до одного дня. Красный и фиолетовый обозначают чрезвычайно радиоактивные элементы, период полураспада которых наиболее стабильных изотопов измеряется порядка одного дня и намного меньше.

Однако биологические эффекты радиации, вызванной радиоактивными веществами, измерить было труднее. Это дало возможность многим врачам и корпорациям продавать радиоактивные вещества как патентованные лекарства . Примерами могут служить радиевые клизмы и радийсодержащие воды для питья в качестве тонизирующих средств. Мария Кюри протестовала против такого обращения, предупредив, что «радий опасен в неподготовленных руках». ^[17] Позже Кюри умерла от апластической анемии , вероятно, вызванной воздействием ионизирующей радиации. К 1930-м годам, после ряда случаев некроза костей и смерти энтузиастов радиевого лечения, радийсодержащие лекарственные средства были в значительной степени удалены 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 радиологов (ICR), на котором рассматривалась возможность создания международные стандарты защиты. Влияние радиации на гены, в том числе влияние на риск развития рака, было признано гораздо позже. В 1927 году Герман Йозеф Мюллер опубликовал исследование, показывающее генетические эффекты, а в 1946 году за свои открытия был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине .

Второй ICR был проведен в Стокгольме в 1928 году и предложил принять на вооружение рентгеновскую установку, а также был сформирован Международный комитет по защите от рентгеновского излучения и радия (IXRPC). Рольф Зиверт был назначен председателем, но движущей силой был Джордж Кэй из Британской национальной физической лаборатории . Комитет собирался в 1931, 1934 и 1937 годах.

После Второй мировой войны увеличение количества и количества радиоактивных веществ, с которыми приходится обращаться в результате военных и гражданских ядерных программ, привело к тому, что большие группы профессиональных рабочих и население потенциально подверглись опасному уровню ионизирующей радиации. Этот вопрос рассматривался на первом послевоенном МКР, созванном в Лондоне в 1950 году, когда была создана нынешняя Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ). ^[18] С тех пор МКРЗ разработала действующую международную систему радиационной защиты, охватывающую все аспекты радиационной опасности.

В 2020 году Гауптманн и другие 15 международных исследователей из восьми стран, среди которых: Институты биостатистики, Регистрационные исследования, Центры эпидемиологии рака, Радиационной эпидемиологии, а также Национальный институт рака США (NCI), Международное агентство по исследованию рака (IARC) ) и Фонд исследования радиационных эффектов Хиросимы с помощью метаанализа окончательно изучили ущерб, нанесенный «малыми дозами», от которых пострадало население, пережившее атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки , а также в результате многочисленных аварий на атомных электростанциях, произошедших в мир. Эти ученые сообщили в монографиях JNCI: Эпидемиологические исследования низких доз ионизирующего излучения и риска рака, что новые эпидемиологические исследования напрямую подтверждают повышенный риск рака от низких доз ионизирующего излучения. ^[19] В 2021 году итальянский исследователь Вентури сообщил о первых корреляциях между радиоцезием и раком поджелудочной железы с ролью цезия в биологии, а также при панкреатите и диабете панкреатического происхождения. ^[20]

Единицы

Графика, показывающая взаимосвязь между радиоактивностью и обнаруженным ионизирующим излучением.

Единицей радиоактивной активности Международной системы единиц (СИ) является беккерель ( Бк ), названный в честь учёного Анри Беккереля . Один Бк определяется как одно преобразование (или распад, или распад) в секунду.

Более старой единицей радиоактивности является кюри Ки, которая первоначально определялась как «количество или масса эманации радия , находящейся 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 использование единицы кюри наряду с единицами СИ, ^[22] директивы Европейского Союза о европейских единицах измерения требовали, чтобы ее использование в «целях общественного здравоохранения…» было постепенно прекращено. к 31 декабря 1985 г. ^[23]

Эффекты ионизирующего излучения часто измеряются в единицах серого для механического повреждения или в зивертах для повреждения тканей.

Типы

Радиоактивный распад приводит к уменьшению суммарной массы покоя после того, как высвободившаяся энергия ( энергия распада ) каким-то образом ускользнула. Хотя энергию распада иногда определяют как разницу между массой продуктов исходного нуклида и массой продуктов распада, это справедливо только для измерений массы покоя, когда некоторая энергия была удалена из системы продуктов. Это верно, поскольку энергия распада всегда должна нести с собой массу, где бы она ни появлялась (см. массу в специальной теории относительности ) согласно формуле E  =  mc ² . Энергия распада первоначально выделяется как энергия испускаемых фотонов плюс кинетическая энергия массивных испускаемых частиц (то есть частиц, имеющих массу покоя). Если эти частицы приходят в тепловое равновесие с окружающей средой и фотоны поглощаются, то энергия распада преобразуется в тепловую энергию, сохраняющую свою массу.

Энергия распада, следовательно, остается связанной с определенной мерой массы распадающейся системы, называемой инвариантной массой , которая не меняется в процессе распада, даже несмотря на то, что энергия распада распределяется между частицами распада. Энергия фотонов, кинетическая энергия испускаемых частиц, а затем и тепловая энергия окружающего вещества вносят вклад в инвариантную массу системы. Таким образом, хотя 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 повторение эквивалентных законов сохранения энергии и сохранения массы .

Альфа, бета и гамма распад

Альфа-частицы можно полностью остановить листом бумаги, бета-частицы — алюминиевой защитой. Гамма-лучи можно уменьшить только с помощью гораздо более существенной массы, например, очень толстого слоя свинца .

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

Диаграмма перехода режимов распада радионуклида с нейтронным номером N и атомным номером Z (показаны выбросы α, β ± , p + и n 0 , EC означает захват электронов ).

При анализе природы продуктов распада по направлению электромагнитных сил , приложенных к излучениям внешними магнитными и электрическими полями, было очевидно, что альфа-частицы несут положительный заряд, бета-частицы — отрицательный заряд, а гамма-лучи нейтральны. По величине отклонения было ясно, что альфа-частицы гораздо массивнее бета-частиц . Пропускание альфа-частиц через очень тонкое стеклянное окно и улавливание их в газоразрядной трубке позволило исследователям изучить спектр излучения захваченных частиц и в конечном итоге доказать, что альфа-частицы являются ядрами гелия . Другие эксперименты показали, что бета-излучение, возникающее в результате распада, и катодные лучи представляют собой высокоскоростные электроны . Точно так же гамма-излучение и рентгеновские лучи оказались электромагнитным излучением высокой энергии .

Взаимосвязь между типами распадов также начала изучаться: например, гамма-распад почти всегда оказывался связанным 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 в результате других типов распада. Хотя чаще всего наблюдались альфа-, бета- и гамма-излучения, со временем были обнаружены и другие типы излучений. Вскоре после открытия позитрона в продуктах космических лучей стало понятно, что тот же процесс, который происходит при классическом бета-распаде, может также производить позитроны ( эмиссия позитронов ) наряду с нейтрино (классический бета-распад производит антинейтрино).

Захват электрона

Было обнаружено, что при захвате электронов некоторые богатые протонами нуклиды захватывают собственные атомные электроны вместо испускания позитронов, и впоследствии эти нуклиды испускают только нейтрино и гамма-кванты из возбужденного ядра (а часто также оже-электроны и характеристические рентгеновские лучи). , в результате переупорядочения электронов для заполнения места недостающего захваченного электрона). Эти типы распада включают ядерный захват электронов или эмиссию электронов или позитронов и, таким образом, способствуют перемещению ядра в сторону соотношения нейтронов и протонов, которое имеет наименьшую энергию для данного общего числа нуклонов . Следовательно, это приводит к образованию более стабильного (с более низкой энергией) ядра.

Гипотетический процесс захвата позитронов, аналогичный захвату электронов, теоретически возможен в атомах антивещества, но не наблюдался, поскольку сложные атомы антивещества за пределами антигелия экспериментально недоступны. ^[24] Для такого распада потребуются атомы антиматерии, по крайней мере, столь же сложные, как бериллий-7 , который является самым легким известным изотопом обычной материи, который подвергнется распаду путем захвата электронов. ^[25]

Нуклонная эмиссия

Вскоре после открытия нейтрона в 1932 году Энрико Ферми понял, что некоторые редкие реакции бета-распада немедленно приводят к нейтронам в качестве дополнительной частицы распада, так называемому излучению бета-замедленных нейтронов . Эмиссия нейтронов обычно происходит из ядер, находящихся в возбужденном состоянии, таких как возбужденный ¹⁷ O*, образующийся в результате бета-распада ¹⁷ N. Сам процесс эмиссии нейтронов контролируется ядерными силами и поэтому является чрезвычайно быстрым, иногда его называют «почти мгновенно». Изолированная эмиссия протонов в конечном итоге наблюдалась у некоторых элементов. Было также обнаружено, что некоторые тяжелые элементы могут подвергаться спонтанному делению на продукты различного состава. Было обнаружено , что в явлении, называемом кластерным распадом , из атомов спонтанно испускаются определенные комбинации нейтронов и протонов, отличных от альфа-частиц (ядер гелия).

Более экзотические виды распада

Было обнаружено, что другие типы радиоактивного распада испускают ранее наблюдавшиеся частицы, но по другим механизмам. Примером является внутренняя конверсия , которая приводит к первоначальной эмиссии электронов, а затем часто к дальнейшему характерному рентгеновскому излучению 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, необходимая для их испускания, действительно возникает именно там. Внутренний конверсионный распад, такой как гамма-распад изомерного перехода и эмиссия нейтронов, включает высвобождение энергии возбужденным нуклидом без превращения одного элемента в другой.

Известны редкие события, включающие комбинацию двух событий типа бета-распада, происходящих одновременно (см. ниже). Любой процесс распада, который не нарушает законов сохранения энергии или импульса (и, возможно, других законов сохранения частиц), может иметь место, хотя не все из них были обнаружены. Интересный пример, обсуждаемый в последнем разделе, — бета-распад рения -187 в связанном состоянии . В этом процессе бета-электронный распад родительского нуклида не сопровождается эмиссией бета-электронов, поскольку бета-частица захватывается K-оболочкой излучающего атома. Как и при всех отрицательных бета-распадах, испускается антинейтрино.

Если энергетические условия благоприятны, данный радионуклид может подвергаться множеству конкурирующих типов распада, при этом одни атомы распадаются по одному пути, а другие - по другому. Примером является медь-64 , имеющая 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 распасться на другую частицу, имеющую противоположный изоспин . Этот конкретный нуклид (хотя и не все нуклиды в этой ситуации) с большей вероятностью распадется через бета-плюс-распад (61,52(26) % ^[26] ), чем за счет электронного захвата (38,48(26) % ^[26] ). Возбужденные энергетические состояния, возникающие в результате этих распадов, которые не могут закончиться в основном энергетическом состоянии, также вызывают более позднюю внутреннюю конверсию и гамма-распад почти в 0,5% случаев.

Список режимов распада

Цепочки распада и множественные моды

Цепочка распада 237-нептуния

Дочерний нуклид распада также может быть нестабильным (радиоактивным). В этом случае он тоже распадется, производя радиацию. Образующийся второй дочерний нуклид также может быть радиоактивным. Это может привести к последовательности из нескольких событий распада, называемой цепочкой распада (конкретные подробности важных естественных цепочек распада см. в этой статье). В конце концов образуется стабильный нуклид. Любые дочерние элементы распада, являющиеся результатом альфа-распада, также приведут к образованию атомов гелия.

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

Возникновение и применение

Согласно теории Большого Взрыва , стабильные изотопы трёх легчайших элементов ( H , He и следы Li ) были произведены вскоре после возникновения Вселенной в процессе, называемом нуклеосинтезом Большого Взрыва . Эти легчайшие стабильные нуклиды (включая дейтерий ) сохранились до наших дней, но любые радиоактивные изотопы легких элементов, образовавшихся в результате Большого взрыва (таких как тритий ), уже давно распались. Изотопы элементов тяжелее бора при Большом взрыве вообще не образовались, и эти первые пять элементов не имеют долгоживущих радиоизотопов. Таким образом, все радиоактивные ядра являются, следовательно, относительно молодыми по отношению к моменту рождения Вселенной, образовавшись позднее в различных других типах нуклеосинтеза в звездах ( в частности, в сверхновых ), а также в ходе продолжающихся взаимодействий между стабильными изотопами и энергичными частицами. Например, углерод-14 , радиоактивный нуклид с периодом полураспада всегоВ течение 5700(30) лет ^[26] постоянно образуется в верхних слоях атмосферы Земли за счет взаимодействия космических лучей с азотом.

Нуклиды, образующиеся в результате радиоактивного распада, называются радиогенными нуклидами , независимо от того, стабильны они сами или нет. Существуют стабильные радиогенные нуклиды, образовавшиеся из короткоживущих вымерших радионуклидов в ранней Солнечной системе. ^{[28] [29]} О дополнительном присутствии этих стабильных радиогенных нуклидов (таких как ксенон-129 из вымершего йода-129 ) на фоне первичных стабильных нуклидов можно сделать вывод 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 синтезирован с высокой концентрацией нестабильных атомов. Присутствие вещества в той или иной части системы определяется путем обнаружения мест событий распада.

Исходя из того, что радиоактивный распад действительно случайен (а не просто хаотичен ), он был использован в аппаратных генераторах случайных чисел . Поскольку не считается, что механизм этого процесса существенно меняется с течением времени, он также является ценным инструментом для оценки абсолютного возраста определенных материалов. Что касается геологических материалов, радиоизотопы и некоторые продукты их распада захватываются при затвердевании горной породы, а затем могут быть позже использованы (с учетом многих хорошо известных оговорок) для оценки даты затвердевания. К ним относится проверка результатов нескольких одновременных процессов и их продуктов друг с другом в пределах одной выборки. Аналогичным образом, а также с учетом уточнений, 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 попадает в ловушку, когда органическое вещество растет и включает в себя новый углерод-14 из воздуха. После этого количество углерода-14 в органическом веществе уменьшается в соответствии с процессами распада, которые также можно независимо проверить другими способами (например, проверкой углерода-14 в отдельных древесных кольцах).

Эффект Сциларда-Чалмерса

Эффект Сциларда-Чалмерса представляет собой разрыв химической связи в результате кинетической энергии, передаваемой в результате радиоактивного распада. Он действует путем 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. ^[30] Этот эффект можно использовать для разделения изотопов химическими методами.

Эффект Силарда-Чалмерса был открыт в 1934 году Лео Силардом и Томасом А. Чалмерсом. ^[31] Они заметили, что после бомбардировки нейтронами разрыв связи в жидком этилиодиде позволяет удалить радиоактивный йод. ^[32]

Происхождение радиоактивных нуклидов

Радиоактивные первичные нуклиды, обнаруженные на Земле , представляют собой остатки древних взрывов сверхновых , произошедших до образования Солнечной системы . Это та часть радионуклидов, которая сохранилась с того времени, за счет образования первичной солнечной туманности , за счет аккреции планет , и до настоящего времени. Встречающиеся в природе короткоживущие радиогенные радионуклиды, обнаруженные в современных горных породах , являются дочерьми этих радиоактивных первичных нуклидов. Другим второстепенным источником встречающихся в природе радиоактивных нуклидов являются космогенные нуклиды , которые образуются в результате бомбардировки космическими лучами материала в атмосфере или коре Земли . Распад радионуклидов в породах мантии и коры Земли вносит значительный вклад во внутренний тепловой баланс Земли .

Ставки

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

• Период полураспада t _1/2 — это время, за которое активность данного количества радиоактивного вещества распадется 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/ е жизни) радиоактивной частицы до распада.

Хотя это константы, они связаны со статистическим поведением популяций атомов. Как следствие, предсказания с использованием этих констант менее точны для крошечных выборок атомов.

В принципе, период полураспада, третий период жизни или даже (1/√2)-период можно использовать точно так же, как период полураспада; но средний период жизни и период полураспада t _1/2 были приняты как стандартные времена, связанные с экспоненциальным затуханием.

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

• Полная активность (или просто активность ), A , — это количество распадов радиоактивного образца в единицу времени.
• Число частиц N в образце.
• Удельная активность a — это количество распадов в единицу времени на количество вещества образца в момент времени, установленный равным нулю ( t = 0 ). «Количество вещества» может быть массой, объемом или молями 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 N ₀ - исходное количество действующего вещества - вещества, которое имеет тот же процент нестабильных частиц, что и при образовании вещества.

Математика

Универсальный закон

Математика радиоактивного распада основана на ключевом предположении, 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 одним типом ядра и другим, 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 стареют, такими как автомобили и люди. У этих стареющих систем действительно есть вероятность выхода из строя в единицу времени, которая увеличивается с момента их существования.

Совокупные процессы, такие как радиоактивный распад куска атомов, для которого вероятность реализации одного события очень мала, но в котором количество временных интервалов настолько велико, что, тем не менее, существует разумная частота событий, моделируются с помощью распределение Пуассона , которое является дискретным. Радиоактивный распад и реакции ядерных частиц являются двумя примерами таких совокупных процессов. ^[33] Математика пуассоновских процессов сводится к закону экспоненциального распада , который описывает статистическое поведение большого числа ядер, а не одного отдельного ядра. В следующем формализме количество ядер или популяция ядер N , конечно, является дискретной переменной ( натуральное число ), но для любого физического образца N настолько велико, что его можно рассматривать как непрерывную переменную. Дифференциальное исчисление используется для моделирования поведения ядерного распада.

Однораспадный процесс

Рассмотрим случай, когда нуклид A распадается на другой B в результате некоторого процесса A → B (испускание других частиц, таких как электронные нейтрино
ν
_еи электроны e ^−, как и при бета-распаде , в дальнейшем не имеют значения). Распад нестабильного ядра совершенно случайен во времени, поэтому невозможно предсказать, когда распадется конкретный атом. Однако он с равной вероятностью распадется в любой момент времени. Следовательно, для данного образца конкретного радиоизотопа количество событий распада −d N, которые, как ожидается, произойдут за небольшой интервал времени d t , пропорционально количеству присутствующих атомов N , то есть ^[34]

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

Отдельные радионуклиды распадаются с разной скоростью, поэтому каждый имеет свою константу распада λ . Ожидаемое затухание −d N / N пропорционально приращению времени d t :

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

Знак минус 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, с константой затухания, выраженной как λ ^[34]

У нас есть на все времена т :

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

где Nобщ — постоянное число частиц на протяжении всего процесса распада, равное исходному числу нуклидов А _, поскольку это исходное вещество.

Если число нераспавшихся ядер А равно:

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

тогда число ядер B (т.е. количество 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 за данный интервал, подчиняется статистике Пуассона . Если среднее количество распадов равно ⟨ N ⟩ , вероятность данного количества распадов N равна ^[34]

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

Процессы распада цепи

Цепь двух распадов

Теперь рассмотрим случай цепочки из двух распадов: один нуклид A распадается в другой B в результате одного процесса, затем B распадается в другой C в результате второго процесса, т. е. A → B → C. Предыдущее уравнение неприменимо к цепочке распада, но его можно обобщить следующим образом. Поскольку A распадается на B , затем B распадается на C , активность A добавляется к общему количеству нуклидов B в текущем образце до того , как эти нуклиды B распадутся и уменьшат количество нуклидов, что приведет к образованию более позднего образца. Другими словами, число ядер второго поколения B увеличивается в результате распада ядер первого поколения A и уменьшается в результате собственного распада на ядра третьего поколения C. ^[35] Сумма этих двух членов дает закон цепочки распада двух нуклидов:

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

Скорость изменения NB , то есть dNB / dt , _{связана} с изменениями количества A и B. NB 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, т.е. N _A — количество нуклидов типа A ; N _{A 0} — исходное число нуклидов типа А ; λ _A – константа распада для A – и аналогично для нуклида B. Решение этого уравнения для 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 коэффициента интегрирования , где коэффициентом интегрирования является e ^{λ _B t} . Этот случай, пожалуй, наиболее полезен, поскольку он позволяет более непосредственно вывести как уравнение одного распада (вверху), так и уравнение для цепей многократного распада (ниже).

Цепочка любого количества распадов

Для общего случая любого количества последовательных распадов в цепочке распадов, т.е. A ₁ → A ₂ ··· → A _i ··· → A _D , где D — количество распадов, а i — фиктивный индекс ( i = _{1, 2, 3, ... D} ), каждую популяцию нуклидов можно найти через предыдущую популяцию. 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 проблемы дается уравнениями Бейтмана : ^[36]

«Уравнения Бейтмана»

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

Альтернативные режимы

Во всех приведенных выше примерах исходный нуклид распадается только на один продукт. ^[37] 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 до кальция-40 и 10,7% до аргона-40 . У нас есть на все времена т :

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

который является постоянным, поскольку общее количество нуклидов остается постоянным. Дифференцирование по времени:

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

определяя полную константу распада λ через сумму частичных констант распада λ _B и λ _C :

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

Решение этого уравнения для N _A :

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

где N _{A 0} — исходное число нуклида A. При измерении образования одного нуклида можно наблюдать только полную константу распада λ . Константы распада λ _B и λ _C определяют вероятность того, что распад приведет к образованию 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 фракция λ _B / λ ядер распадается на B , а доля λ _C / λ ядер распадается на C .

Следствия законов

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

• Деятельность: A = λN .
• Количество вещества : n = N / N _A. _
• Масса : m = Mn = MN / NA . _ _{_}

где N _А =6,022 140 76 × 10 ²³  моль ^{-1 [38]} — константа Авогадро , M — молярная масса вещества в кг/моль, количество вещества n — в молях .

Время распада: определения и связи

Постоянная времени и средний срок службы

Для однораспадного решения A → B :

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

уравнение показывает, что константа затухания λ имеет единицы измерения t ⁻¹ и, таким образом, также 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 периода времени, прежде чем он распадется, и можно показать, что это среднее время жизни является средним арифметическим временем жизни всех атомов и что оно равно τ , которое снова связано с константой распада следующим образом: следует:

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

Эта форма также верна для процессов двух распадов 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 используемым параметром является период полувыведения Т _1/2 . Для образца определенного радионуклида период полураспада — это время, необходимое для распада половины атомов радионуклида. Для случая ядерных реакций одного распада:

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

период полураспада связан с константой распада следующим образом: установите 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 слаборадиоактивные сохраняются дольше. Периоды полураспада известных радионуклидов варьируются почти на 54 порядка, от более чем2,25(9) × 10 ²⁴ года (6,9 × 10 ³¹ сек) для очень близкого к стабильному нуклиду ¹²⁸ Te , до8,6(6) × 10 ^-23 секунды для крайне нестабильного нуклида 5 H . ^[26]

Множитель ln(2) в приведенных выше соотношениях является результатом того факта, что концепция «периода полураспада» — это просто способ выбора другого основания, отличного от естественного основания e, для выражения времени жизни. Постоянная времени τ представляет собой период полураспада радионуклида e -1   , время, пока не останется только 1/ e , около 36,8%, а не 50% в период полураспада радионуклида. Таким образом, τ длиннее 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) дал его «(1/3)-жизнь» (как долго останется только 1/3) или «(1/10)-жизнь» (период времени, пока не останется только 10%) и так далее. Таким образом, выбор τ и t _1/2 для времени маркера осуществляется только для удобства и по соглашению. Они отражают фундаментальный принцип лишь в той мере, в какой показывают, что одна и та же пропорция данного радиоактивного вещества будет распадаться в течение любого выбранного периода времени.

Математически n- ^я жизнь для описанной выше ситуации может быть найдена таким же способом, как указано выше — путем установки 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 нынешнего содержания углерода, 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 тарифов

Известно, что режимы радиоактивного распада электронного захвата и внутренней конверсии малочувствительны к химическим воздействиям и воздействиям окружающей среды, изменяющим электронную структуру атома, что, в свою очередь, влияет на наличие 1s- и 2s -электронов, участвующих в процессе распада. Затрагивается небольшое количество нуклидов. ^[39] Например, химические связи могут влиять на скорость захвата электронов в небольшой степени (как правило, менее 1%) в зависимости от близости электронов к ядру. В ⁷ Be наблюдалась разница в 0,9% между периодами полураспада в металлической и изолирующей средах. ^[40] Этот относительно большой эффект обусловлен тем, что бериллий представляет собой небольшой атом, чьи валентные электроны находятся на 2s- атомных орбиталях , которые подвергаются захвату электронов в ⁷ Be, поскольку (как и все s- атомные орбитали во всех атомах) они естественным образом проникают в ядро.

В 1992 году Юнг и др. из Дармштадтской группы по исследованию тяжелых ионов наблюдал ускоренный β ^-  распад ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ . Хотя нейтральный ¹⁶³ Dy является стабильным изотопом, полностью ионизованный ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ подвергается β ⁻  распаду на оболочки K и L до ¹⁶³ Ho ⁶⁶⁺ с периодом полураспада 47 дней. ^[41]

Рений-187 — еще один яркий пример. ¹⁸⁷ Re обычно подвергается бета-распаду до ¹⁸⁷ Os с периодом полураспада 41,6 × 10 ⁹  лет ^[42] , но исследования с использованием полностью ионизованных атомов ¹⁸⁷ Re (голые ядра) показали, что этот период может уменьшиться всего до 32,9 лет. ^[43] Это объясняется « распадом связанного состояния β ⁻ » полностью ионизованного атома – электрон вылетает в «K-оболочку» ( 1s атомная орбиталь), чего не может произойти для нейтральных атомов, в которых все низколежащие связанные государства оккупированы. ^[44]

Пример суточных и сезонных изменений отклика детектора гамма-излучения.

Ряд экспериментов показал, что на скорость распада других видов искусственных и естественных радиоизотопов с высокой степенью точности не влияют внешние условия, такие как температура, давление, химическая среда, а также электрические, магнитные или гравитационные поля. ^[45] Сравнение лабораторных экспериментов за последнее столетие, исследований природного ядерного реактора Окло (который иллюстрировал влияние тепловых нейтронов на ядерный распад) и астрофизических наблюдений за спадом светимости далеких сверхновых (которые произошли так далеко, что свет например, потребовалось много времени, чтобы достичь нас), убедительно указывают на то, что скорости невозмущенного распада были постоянными (по крайней мере, в пределах небольших экспериментальных ошибок) как функция времени. ^{[ нужна цитата ]}

Недавние результаты предполагают возможность того, что скорость распада может 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%). ^{[46] [47] [48]} Однако такие измерения весьма подвержены систематическим ошибкам, и последующая работа ^[49] не обнаружила никаких доказательств таких корреляций в семи других изотопах ( ²² Na, ⁴⁴ Ti, ¹⁰⁸ Ag, ¹²¹ Sn , ¹³³ Ba, ²⁴¹ Am, ²³⁸ Pu) и устанавливает верхние пределы размера любых таких эффектов. Когда-то сообщалось , что распад радона-222 демонстрирует большие сезонные колебания в 4% от пика к пику (см. график) ^[50] , которые, как предполагалось, связаны либо с активностью солнечных вспышек , либо с расстоянием от Солнца, но подробный анализ Недостатки конструкции эксперимента, а также сравнения с другими, гораздо более строгими и систематически контролируемыми экспериментами опровергают это утверждение. ^[51]

Аномалия GSI

Неожиданная серия экспериментальных результатов по скорости распада тяжелых высокозаряженных радиоактивных ионов , циркулирующих в накопителе, спровоцировала теоретическую активность в попытках найти убедительное объяснение. Обнаружено , что скорости слабого распада двух радиоактивных частиц с периодами полураспада около 40 с и 200 с имеют значительную колебательную модуляцию с периодом около 7 с. ^[52] Наблюдаемое явление известно как аномалия GSI , поскольку накопительное кольцо находится на объекте в Центре исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца GSI в Дармштадте , Германия . Поскольку в процессе распада образуется электронное нейтрино , некоторые из предлагаемых объяснений наблюдаемых колебаний скорости ссылаются на свойства нейтрино. Первоначальные идеи, связанные с колебаниями вкуса, были встречены скептицизмом. ^[53] Более недавнее предложение касается различий в массах между собственными массами нейтрино . ^[54]

Теоретические основы

Нейтроны и протоны, составляющие ядра, а также другие частицы, приближающиеся к ним достаточно близко, управляются несколькими взаимодействиями. Ядерная сила (также известная как остаточная сильная сила ), не наблюдаемая в привычном макроскопическом масштабе, является самой мощной силой на субатомных расстояниях. Электростатическая сила почти всегда значительна, а в случае бета-распада также участвует слабое ядерное взаимодействие .

Совместное действие этих сил приводит к ряду различных явлений, в которых энергия может высвобождаться за счет перестановки частиц в ядре или же превращения одного типа частиц в другие. Эти перестройки и превращения можно энергетически затруднить, чтобы они не произошли немедленно. Предполагается , что в некоторых случаях случайные квантовые флуктуации вакуума способствуют релаксации в состояние с более низкой энергией («распад») в явлении, известном как квантовое туннелирование . Период полураспада радиоактивного распада нуклидов был измерен за временные рамки 54 порядков величины, от^от 8,6(6) × 10-23 секунды (для водорода-5 ) до7,10(28) × 10 ³¹ секунда (для теллура-128 ). ^[26] Ограничения этих временных рамок определяются только чувствительностью приборов, и не существует известных естественных пределов того, насколько коротким ^{[ нужна ссылка ]} или длительным может быть период полураспада радиоактивного распада радионуклида.

Процесс распада, как и все затрудненные преобразования энергии, можно сравнить со снежным полем на горе. Хотя трение между кристаллами льда может поддерживать вес снега, система по своей природе нестабильна в отношении состояния с более низкой потенциальной энергией. Таким образом, возмущение облегчит путь к состоянию большей энтропии ; система будет двигаться к основному состоянию, выделяя тепло, а полная энергия будет распределяться по большему числу квантовых состояний , что приведет к лавине . Полная энергия в этом процессе не меняется, но из-за второго закона термодинамики лавины наблюдались только в одном направлении, а именно в направлении « основного состояния » — состояния с наибольшим количеством способов, в которых доступные энергия может быть распределена.

Такой коллапс ( распад гамма-излучения ) требует определенной энергии активации . Для снежной лавины эта энергия приходит как возмущение извне системы, хотя такие возмущения могут быть сколь угодно малыми. Предполагается, что в случае возбужденного атомного ядра , распадающегося под действием гамма-излучения при спонтанном испускании электромагнитного излучения, сколь угодно малое возмущение возникает из-за квантовых флуктуаций вакуума . ^[55]

Радиоактивное ядро ​​(или любая возбужденная система в квантовой механике) нестабильно и, таким образом, может спонтанно стабилизироваться в менее возбужденную систему. Возникающее в результате преобразование изменяет структуру ядра и приводит к испусканию либо фотона, либо высокоскоростной частицы, имеющей массу (например, электрон, альфа-частица или другой тип). ^[56]

Предупреждающие знаки опасности

• 
  Символ трилистника, используемый для предупреждения о присутствии радиоактивных материалов или ионизирующего излучения.
• 
  Символ радиоактивной опасности ISO 2007 года , предназначенный для источников МАГАТЭ категорий 1, 2 и 3, определяемых как опасные источники, способные привести к смерти или серьезным травмам ^[57].
• 
  Один из нескольких знаков классификации опасных грузов при перевозке радиоактивных материалов.

Смотрите также

• Актиниды в окружающей среде
• Фоновое излучение
• Чернобыльская катастрофа
• Преступления, связанные с радиоактивными веществами
• Цепь распада
• Коррекция затухания
• Убежище от радиоактивных осадков
• счетчик Гейгера
• Наведенная радиоактивность
• Списки ядерных катастроф и радиоактивных происшествий
• Национальный совет по радиационной защите и измерениям
• Ядерная инженерия
• Ядерная аптека
• Ядерная физика
• Атомная энергия
• Ядерная цепная реакция
• Распад частиц
• Пуассоновский процесс
• Лучевая терапия
• Радиоактивное загрязнение
• Радиоактивность в биологии
• Радиометрическое датирование
• Переходное равновесие

 Портал ядерных технологий Физический портал

Примечания

1. Радионуклид — более правильный термин, но также используется радиоизотоп. Разница между изотопом и нуклидом объясняется в разделе Изотоп § Изотоп против нуклида .

Рекомендации

В соответствии

1. «Радиоактивность: слабые силы». Радиоактивность . ЭДП наук. Архивировано из оригинала 12 августа 2021 года . Проверено 4 марта 2020 г.
2. Стабин, Майкл Г. (2007). «3». Стабин, Майкл Дж. (ред.). Радиационная защита и дозиметрия: введение в физику здравоохранения . Спрингер . дои : 10.1007/978-0-387-49983-3. ISBN 978-0-387-49982-6.
3. Лучше всего, Лара; Родригес, Джордж; Велкер, Викрам (2013). «1,3». Учебное пособие по радиационной онкологии и обзор . Медицинское издательство Демос . ISBN 978-1-62070-004-4.
4. Лавленд, В.; Моррисси, Д.; Сиборг, GT (2006). Современная ядерная химия . Уайли-Интерсайенс. п. 57. Бибкод : 2005mnc..книга.....Л. ISBN 978-0-471-11532-8.
5. Молд, Ричард Ф. (1995). Век рентгеновских лучей и радиоактивности в медицине: с акцентом на фотографические записи первых лет (Перепечатка с небольшими исправлениями). Бристоль: Инст. физики Изд. п. 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. Проверено 12 апреля 2021 г.
8. Анри Беккерель (1896). «Сюр-ле-невидимое излучение излучает фосфоресцентное тело». Комптес Рендус . 122 : 501–503.
9. Comptes Rendus 122 : 501–503 (1896), перевод Кармен Джунта. Проверено 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. Новости, №. 107, 1913, стр. 97–99.
12. L'Annunziata, Майкл Ф. (2007). Радиоактивность: Введение и история . Амстердам, Нидерланды: Elsevier Science. п. 2. ISBN 9780080548883.
13. Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия (8-е изд.). Прентис Холл. п. 1025. ИСБН 0-13-014329-4.
14. Сансаре, К.; Ханна, В.; Карджодкар, Ф. (2011). «Ранние жертвы рентгеновских лучей: дань уважения и современное восприятие». Челюстно-челюстно-лицевая радиология . 40 (2): 123–125. дои : 10.1259/dmfr/73488299. ISSN  0250-832X. ПМК 3520298 . ПМИД  21239576. 
15. «Рональд Л. Катерн и Пол Л. Цимер, первые пятьдесят лет радиационной защиты, Physics.isu.edu». Архивировано из оригинала 12 сентября 2017 года . Проверено 25 ноября 2013 г.
16. Грабак, М.; Падован, РС; Кралик, М.; Озретич, Д.; Потоцкий, К. (июль 2008 г.). «Никола Тесла и открытие рентгеновских лучей». Радиографика . 28 (4): 1189–92. дои : 10.1148/rg.284075206 . ПМИД  18635636.
17. Рентеци, Мария (7 ноября 2017 г.). «Мария Кюри и опасности радия». Физика сегодня . дои :10.1063/PT.6.4.20171107a . Проверено 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 . Проверено 12 мая 2012 г.
19. Дэниелс, М.; и другие. (2020). «Эпидемиологические исследования низких доз ионизирующего излучения и рака: сводная оценка систематической ошибки и метаанализ». J Natl Cancer Inst Monogr . 56 (1 июля): 188–200. doi : 10.1093/jncimonographs/lgaa010. ISSN  1434-6001. ПМЦ 8454205 . ПМИД  32657347. 
20. Вентури, Себастьяно (январь 2021 г.). «Цезий в биологии, рак поджелудочной железы и противоречия в отношении ущерба от высокого и низкого радиационного воздействия - научные, экологические, геополитические и экономические аспекты». Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения . 18 (17): 8934. doi : 10.3390/ijerph18178934 . ПМЦ 8431133 . ПМИД  34501532.  Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.
21. Резерфорд, Эрнест (6 октября 1910 г.). «Стандарты и номенклатура радия». Природа . 84 (2136): 430–431. Бибкод : 1910Natur..84..430R. дои : 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/ЕЕС от 20 декабря 1979 г. о сближении законов государств-членов, касающихся единиц измерения, и об отмене Директивы 71/354/ЕЕС» . Проверено 19 мая 2012 г.
24. «Радиоактивный распад». chemed.chem.purdue.edu . Проверено 5 мая 2022 г.
25. «CH103 – ГЛАВА 3: Радиоактивность и ядерная химия – Химия» . Проверено 5 июля 2022 г.
26. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (март 2021 г.). «Оценка ядерно-физических свойств NUBASE2020 \ast». Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae . ISSN  1674-1137. S2CID  233794940.
27. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
28. Клейтон, Дональд Д. (1983). Принципы звездной эволюции и нуклеосинтеза (2-е изд.). Издательство Чикагского университета. п. 75. ИСБН 978-0-226-10953-4.
29. Болт, Бакалавр; Паккард, RE; Прайс, ПБ (2007). «Джон Х. Рейнольдс, Физика: Беркли». Калифорнийский университет в Беркли . Проверено 1 октября 2007 г.
30. «Эффект Силарда-Чалмерса - Оксфордский справочник» . oxfordreference.com . Проверено 27 декабря 2019 г.
31. Сцилард, Лео; Чалмерс, Томас А. (1934). «Химическое отделение радиоактивного элемента от его бомбардируемого изотопа в результате эффекта Ферми». Природа . 134 (3386): 462. Бибкод : 1934Natur.134..462S. дои : 10.1038/134462b0 . S2CID  4129460.
32. Харботтл, Гарман; Сутин, Норман (1 января 1959 г.), Эмелеус, HJ; Шарп, А.Г. (ред.), Реакция Силарда-Чалмерса в твердых телах, Достижения в неорганической химии и радиохимии, том. 1, Academic Press, стр. 267–314, номер документа : 10.1016/S0065-2792(08)60256-3, ISBN. 9780120236015, получено 19 марта 2020 г.
33. Лео, Уильям Р. (1992). «Гл. 4». Статистика и обработка экспериментальных данных (Методы экспериментов по ядерной физике и физике элементарных частиц под ред.). Спрингер-Верлаг.
34. Патель, SB (2000). Ядерная физика: введение . Нью-Дели: Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 62–72. ISBN 978-81-224-0125-7.
35. Вводная ядерная физика, К.С. Крейн, 1988, John Wiley & Sons Inc, ISBN 978-0-471-80553-3 
36. Цетнар, Ежи (май 2006 г.). «Общее решение уравнений Бейтмана для ядерных трансмутаций». Летопись атомной энергетики . 33 (7): 640–645. doi :10.1016/j.anucene.2006.02.004.
37. КС Крейн (1988). Введение в ядерную физику . John Wiley & Sons Inc. с. 164. ИСБН 978-0-471-80553-3.
38. «Значение CODATA 2018: константа Авогадро» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
39. Эмери, GT (декабрь 1972 г.). «Возмущение скорости ядерного распада». Ежегодный обзор ядерной науки . 22 (1): 165–202. Бибкод : 1972ARNPS..22..165E. doi : 10.1146/annurev.ns.22.120172.001121. ISSN  0066-4243 . Проверено 23 февраля 2022 г.
40. Ван, Б.; и другие. (2006). «Изменение периода полураспада захвата электронов 7Be в металлических средах». Европейский физический журнал А. 28 (3): 375–377. Бибкод : 2006EPJA...28..375W. дои : 10.1140/epja/i2006-10068-x. ISSN  1434-6001. S2CID  121883028.
41. Юнг, М.; и другие. (1992). «Первое наблюдение распада связанного состояния β ⁻ ». Письма о физических отзывах . 69 (15): 2164–2167. Бибкод : 1992PhRvL..69.2164J. doi : 10.1103/PhysRevLett.69.2164. ISSN  0031-9007. ПМИД  10046415.
42. Смоляр, М.И.; Уокер, Р.Дж.; Морган, JW (1996). «Re-Os возраст железных метеоритов групп IIA, IIIA, IVA и IVB». Наука . 271 (5252): 1099–1102. Бибкод : 1996Sci...271.1099S. дои : 10.1126/science.271.5252.1099. S2CID  96376008.
43. Бош, Ф.; и другие. (1996). «Наблюдение бета-распада в связанном состоянии минус распад полностью ионизованного ¹⁸⁷ Re: ¹⁸⁷ Re – ¹⁸⁷ Os Космохронометрия». Письма о физических отзывах . 77 (26): 5190–5193. Бибкод : 1996PhRvL..77.5190B. doi : 10.1103/PhysRevLett.77.5190. ПМИД  10062738.
44. Бош, Ф.; и другие. (1996). «Наблюдение β – распада связанного состояния полностью ионизованного ¹⁸⁷ Re: ¹⁸⁷ Re- ¹⁸⁷ Os Космохронометрия». Письма о физических отзывах . 77 (26): 5190–5193. Бибкод : 1996PhRvL..77.5190B. doi : 10.1103/PhysRevLett.77.5190. ПМИД  10062738.
45. Эмери, GT (1972). «Возмущение скорости ядерного распада». Ежегодный обзор ядерной науки . 22 : 165–202. Бибкод : 1972ARNPS..22..165E. дои : 10.1146/annurev.ns.22.120172.001121 .
46. «Тайна изменения ядерного распада». Мир физики . 2 октября 2008 г.
47. Дженкинс, Джер Х.; Фишбах, Ефрем (2009). «Возмущение скорости ядерного распада во время солнечной вспышки 13 декабря 2006 г.». Астрофизика частиц . 31 (6): 407–411. arXiv : 0808.3156 . Бибкод : 2009APh....31..407J. doi :10.1016/j.astropartphys.2009.04.005. S2CID  118863334.
48. Дженкинс, Дж. Х.; Фишбах, Ефрем; Банчер, Джон Б.; Грюнвальд, Джон Т.; Краузе, Деннис Э.; Мэттс, Джошуа Дж. (2009). «Доказательства корреляции между скоростью ядерного распада и расстоянием Земля-Солнце». Астрофизика частиц . 32 (1): 42–46. arXiv : 0808.3283 . Бибкод : 2009APh....32...42J. doi :10.1016/j.astropartphys.2009.05.004. S2CID  119113836.
49. Норман, Э.Б.; Браун, Эдгардо; Шугарт, Ховард А.; Джоши, Тенцинг Х.; Файерстоун, Ричард Б. (2009). «Доказательства против корреляции между скоростью ядерного распада и расстоянием Земля – Солнце» (PDF) . Астрофизика частиц . 31 (2): 135–137. arXiv : 0810.3265 . Бибкод : 2009APh....31..135N. doi :10.1016/j.astropartphys.2008.12.004. S2CID  7051382. Архивировано из оригинала (PDF) 29 июня 2010 года . Проверено 23 сентября 2009 г.
50. Старрок, Пенсильвания; Стейниц, Г.; Фишбах, Э.; Яворсек, Д.; Дженкинс, Дж. Х. (2012). «Анализ гамма-излучения источника радона: признаки солнечного влияния». Астрофизика частиц . 36 (1): 18–25. arXiv : 1205.0205 . Бибкод : 2012APh....36...18S. doi :10.1016/j.astropartphys.2012.04.009. ISSN  0927-6505. S2CID  119163371.
51. Помме, С.; Луттер, Г.; Марули, М.; Коссерт, К.; Нэле, О. (1 января 2018 г.). «Об утверждении модуляций распада радона и их связи с вращением Солнца». Астрофизика частиц . 97 : 38–45. Бибкод : 2018APh....97...38P. doi : 10.1016/j.astropartphys.2017.10.011 . ISSN  0927-6505.
52. Кинле П., Бош Ф., Бюлер П., Фастерманна Т., Литвинов Ю.А., Винклер Н. и др. (2013). «Измерение с высоким разрешением модулированного по времени орбитального электронного захвата и β ⁺ -распада водородоподобных ионов ¹⁴² Pm ₆₀ ⁺ ». Буквы по физике Б. 726 (4–5): 638–645. arXiv : 1309.7294 . Бибкод : 2013PhLB..726..638K. doi :10.1016/j.physletb.2013.09.033. ISSN  0370-2693. S2CID  55085840.
53. Джунти, Карло (2009). «Временная аномалия GSI: факты и вымысел». Ядерная физика Б: Приложения к сборнику трудов . 188 : 43–45. arXiv : 0812.1887 . Бибкод : 2009NuPhS.188...43G. doi :10.1016/j.nuclphysbps.2009.02.009. ISSN  0920-5632. S2CID  10196271.
54. Гал, Авраам (2016). «Нейтринные сигналы в экспериментах с накопителем электронного захвата». Симметрия . 8 (6): 49. arXiv : 1407.1789 . Бибкод : 2016Symm....8...49G. дои : 10.3390/sym8060049 . ISSN  2073-8994. S2CID  14287612.
55. Обсуждение квантовых основ спонтанного излучения, впервые постулированных Дираком в 1927 году.
56. Нобору Такигава и Кохей Васияма (2017) Основы ядерной физики Springer
57. Пресс-релиз МАГАТЭ, февраль 2007 г.

Общий

• «Радиоактивность», Британская энциклопедия. 2006. Британская энциклопедия Интернет . 18 декабря 2006 г.
• Радиоактивность, Эрнест Резерфорд, доктор философии, Британская энциклопедия, одиннадцатое издание.

Внешние ссылки

• Поиск ядерных данных Лунда / LBNL - содержит табличную информацию о типах и энергиях радиоактивного распада.
• Номенклатура ядерной химии
• Конкретная деятельность и связанные с ней темы.
• Живая карта нуклидов – МАГАТЭ
• Интерактивная диаграмма нуклидов. Архивировано 10 октября 2018 г. на Wayback Machine.
• Веб-сайт общественного образования Общества физики здоровья
• Бич, Чендлер Б., изд. (1914). «Лучи Беккереля»  . Справочник нового студента  . Чикаго: FE Compton and Co.
• Аннотированная библиография по радиоактивности из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос. Архивировано 7 октября 2010 г. в Wayback Machine.
• Стохастический Java-апплет о распаде радиоактивных атомов. Архивировано 13 августа 2011 года в Wayback Machine Вольфгангом Бауэром.
• Стохастическое Flash-моделирование распада радиоактивных атомов Дэвида М. Харрисона.
• «Анри Беккерель: открытие радиоактивности», статьи Беккереля 1896 года, опубликованные в Интернете и проанализированные на BibNum [нажмите «à télécharger», чтобы открыть английскую версию] .
• «Радиоактивное изменение», статья Резерфорда и Содди (1903 г.), опубликованная в Интернете и проанализированная на Bibnum [щелкните «à télécharger», чтобы открыть английскую версию] .