ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

В конце XIX в. было обнаружено, что соли урана, испускают неизвестные ранее невидимые излучения, способные ионизировать воздух и воздействовать на фотографическую пластинку. В 1898 г. Мария и Пьер Кюри назвали это явление радиоактивностью.

Теория радиоактивного распада была создана в 1902 г. Резерфордом и Содди. Они предположили, что атомы радиоактивных элементов самопроизвольно распадаются с испусканием a- или b- частиц в результате чего, образуется новый элемент, по своим свойствам отличный от исходного.

Исследования, проведенные в последующие годы, позволили установить ряд закономерностей, связанных с условиями нестабильности ядер. Было замечено, что для стабильных изотопов, с малым массовым числом отношение числа нейтронов A—Z к числу протонов Z примерно равно единице. С увеличением: атомного номера эта величина возрастает, достигая для наиболее тяжелых элементов значения 1.5. Было также замечено, что для данного массового числа A существует некоторая область значений Z = Z ₀±1, которая соответствует стабильным изотопам, где

. (1)

Эта область была названа областью устойчивости.

Резерфордом и Содди были найдены закономерности, характеризующие распад с количественной стороны: изменение числа распадающихся ядер dN за малый промежуток времени dt пропорционально общему числу радиоактивных, ядер, т. е.

, (2)

где знак минус указывает на то, что число радиоактивных атомов уменьшается со временем; l – постоянная, названная Резерфордом и Содди константой радиоактивности, теперь ее называют постоянной распада.

Интегрируя уравнение (2) с учетом того, что при t =0 N = N ₀, получим основной закон радиоактивного распада, хорошо согласующийся с практическими результатами:

. (3)

Вид кривой распада в полулогарифмическом масштабе представлен на рис 1. Для данного радиоактивного элемента величина l не зависит ни от физических условий, в которых находится элемент, ни от химического соединения, в которое он входит. Ее физический смысл – вероятность распада ядра в единицу времени. Для различных элементов значение величины l может изменяться более чем в 10²⁰ раз.

Величина определяет среднюю продолжительность жизни радиоактивного ядра. Часто радиоактивные вещества характеризуют периодом полураспада T _1/2 — временем, в течение которого количество радиоактивных ядер уменьшается вдвое.

Величины l, t и T _1/2 связаны между собой соотношением

. (4)

Число активных ядер N трудно измерить непосредственно. На опыте, как правило, измеряется величина активности, т. е. количество ядер, распадающихся за единицу времени

. (5)

С учетом (3) , где – начальная активность источника. Следовательно, для активности справедлив тот же экспоненциальный закон убывания, что и для числа активных ядер.

Иногда активность источника убывает по иному закону. В этом случае зависимость активности от времени может быть представлена суммой двух или нескольких экспонент, т. е.

. (6)

Последнее показывает, что в источнике присутствует несколько радиоактивных элементов с различными периодами полураспада. На рис. 2 в полулогарифмическом масштабе показано изменение во времени активности источника, состоящего из двух компонентов с разными константами распада l ₁, и l ₂.

Но соотношение (6) справедливо только в том случае, если радиоактивные элементы не связаны между собой генетически. Если же радиоактивные ядра одного типа образуются из радиоактивных ядер другого типа, то зависимость активности источника от времени будет иная, более сложная.

За единицу активности принимают число распадов, происходящих за 1 с в 1 г радия, находящегося в равновесии с продуктами распада. Эта единица в честь автора открытия радия, называется «кюри» и равна 3.7×10¹⁰ распадов в секунду. Иногда пользуются единицей «резерфорд», которая равна 10⁶ распадов в секунду.

1. Искусственная радиоактивность. В 1934 г. Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри впервые наблюдали искусственную радиоактивность ядер. В настоящее время радиоактивных изотопов, полученных искусственно, насчитывается более 1000. Эти изотопы имеются у всех известных элементов, от водорода до урана. Удалось даже получить элементы с Z =43 и Z =61, которые ранее в природе не наблюдались. Получены также изотопы трансурановых элементов (Z >92).

Искусственно радиоактивные элементы получают при облучении стабильных изотопов нейтронами (n), жестким g- излучением или быстрыми заряженными частицами: a- частицами, протонами (р), дейтронами (d) и т. д.

В результате реакций типа (d, р), (n, р), (n, a) и т. д. часто образуется изотоп, у которого отношение числа нейтронов к числу протонов может быть больше, чем это соответствует области устойчивости, см. (1). В этом случае изотоп будет нестабильным. Состояние устойчивости может быть восстановлено замещением нейтрона протоном при одновременном испускании электрона (b^--активный источник).

Если отношение количеств нейтронов и протонов лежит ниже области устойчивости, то ядро с недостатком нейтронов стремится к превращению, в котором протон замещается нейтронами. Это может произойти при испускании позитрона (b⁺-активный источник), a- частицы (a-активный источник), а также при захвате орбитального электрона (K -захват). Изотопы с недостатком нейтронов получаются обычно в реакциях: (р, n), (d, n), (a, n), (n, 2n) и т. д.

Для получения радиоактивных изотопов часто используют нейтроны, так как для них не существует электростатических сил отталкивания от ядра. В 1935 г. Ферми обнаружил, что наведенная радиоактивность во много раз увеличивается, если источник нейтронов и облучаемую мишень окружить водородсодержащим веществом, например парафином. Как оказалось, это связано с тем, что нейтроны при соударениях с равными им по массе протонами быстро теряют энергию и большую часть своей жизни в парафине проводят с тепловыми скоростями, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами обратно пропорциональна скорости. Кроме того, медленные нейтроны, испытывая в парафине большое число соударений, движутся хаотично и могут пересекать облучаемую мишень много раз. При захвате теплового нейтрона образуется «компаунд» – ядро в возбужденном состоянии. Избыток энергии, равный энергии связи нейтрона в ядре (5—8 МэВ), выделяется в виде g- квантов. Такие реакции носят название радиационного захвата нейтрона. Они могут быть представлены в общем виде как

, (7)

где – исходное ядро, и – ядро-продукт соответственно в возбужденном и основном состояниях. Время жизни ядра в возбужденном состоянии обычно порядка 10^-12с, но иногда ядро может оставаться в возбужденном состоянии значительно дольше – минуты, часы и даже годы. Если время жизни возбужденного ядра превышает 10^-9с, то говорят, что ядро находится в метастабильном состоянии. Ядра, имеющие одинаковое число протонов и нейтронов, но находящиеся в различных энергетических состояниях (одно из которых метастабильное), называются изомерами.

Явление ядерной изомерии наблюдается обычно, когда рядом с основным состоянием ядра есть еще один уровень, сильно отличающийся от основного по величине момента количества движения (|DI| ³3). Поскольку вероятность g- перехода резко уменьшается с увеличением |DI| [1], то снятие возбуждения с такого уровня сильно затруднено, так что время жизни его может достигать нескольких часов и даже лет (в настоящее время наибольший период полураспада возбужденного ядра зарегистрирован у нептуния – T _1/2 =5500 лет).

В результате реакции типа (n, g) ядро C может оказаться либо стабильным, либо радиоактивным. Как правило, захват нейтрона приводит к образованию реактивного ядра.

Для получения нейтронов можно воспользоваться несколькими типами ядерных реакций. В частности, широкое применение находят источники нейтронов, полученные в результате реакции типа (a, n) и (g, n). Так, смесь металлического порошка бериллия с небольшим количеством a- излучателя (радия или полония) является удобным источником нейтронов, образующихся в реакции

. (8)

В этом случае получаются нейтроны, обладающие практически сплошным спектром энергий от 0 до 13.МэВ. Выход нейтронов, в этом источнике – 1.7×10⁷ нейтр/г Ra×c.

Источником нейтронов, основанным на фотоядерной реакции, является также смесь радия и бериллия. Но в этом случае источник нейтронов представляет собой систему из двух запаянных ампул. Внутри ампулы с порошком бериллия помещается ампула с солями радия, таким образом, что на бериллий действует только g- излучениё, проходящее через стенки внутренней ампулы. Реакция образования нейтронов при этом идет по схеме . Интенсивность такого источника не очень высока и равна 8.6×10⁷ нейтр/г Ra×c, однако он обладает тем преимуществом, что испускает монохроматические нейтроны с энергией 110 кэВ.

2. Активация. Активацией называется процесс получения радиоактивного вещества при обстреле стабильных ядер нейтронами, протонами и другими видами излучения. Количество активированных ядер зависит от количества атомов в мишени, времени облучения и эффективного сечения данной ядерной реакции.

Напомним, что эффективное сечение s некоторого процесса взаимодействия частицы с ядром определяется как отношение числа событий данного типа в единицу времени, приходящееся на одно ядро мишени, к потоку налетающих частиц через единицу поверхности. Если слой вещества, содержащий n ядер, пересекают p частиц/см²×с то число актов взаимодействия, вызванных ими, будет равно

(9)

Наглядный смысл понятия эффективного сечения ясен из следующего. Рассмотрим какую-либо ядерную реакцию. Заменим каждое ядро мишенью c площадью s, тогда площадь, занимаемая n ядрами, будет равна ns и число попаданий в мишени выразится формулой (9). Нужно подчеркнуть, что только в отдельных случаях эффективное сечение ядерной реакции примерно равно площади сечения ядра. Как известно, площадь сечения ядра равна 10^-24–10^-25 см², тогда как эффективное сечение различных ядерных реакций колеблется от 10^-20 см² (захват тепловых нейтронов) до 10^-30 см2 (возбуждение ядер g- квантами). Таким образом, считать эффективное сечение равным реальному геометрическому поперечному сечению ядра, в общем случае нельзя.

Эффективное сечение измеряется в барнах: 1барн = 10^-24 см².

Перейдем к выводу формулы активации. Пусть на всю площадь образца, содержащего n ядер, падает v нейтр./см²×с, а эффективное сечение захвата нейтрона с образованием радиоактивного ядра равно s. В секунду образуется vns активных ядер, но чтобы найти число активных ядер N в момент времени t, необходимо учесть, что часть образовавшихся ядер за время t распадается. За время dt образуется vnsdt ядер, а распадается lNdt. Изменение числа активных ядер dN = vnsdt –lNdt, или

. (10)

В некоторый момент времени рост числа активных ядер прекратится (dN / dt = 0). Это произойдет тогда, когда число образующихся активных ядер окажется равным числу распадающихся или когда число активных ядер возрастет до N _н = vnst.

Величина N _н называется активацией насыщения; она соответствует числу активных ядер, образующихся за бесконечно большое время облучения, равное среднему времени жизни t данного изотопа.

Интегрируя выражение (10), получим зависимость активации от времени облучения, т. е.

(11)

График этой зависимости показан на рис. 3. Практически насыщение достигается за время облучения, соответствующее 4 – 5 периодам полураспада. При t << t распадом можно пренебречь.

Тогда, отбрасывая второй член в правой части (10) или разлагая (11) в ряд по t получим N = vnst, т. е. в первые моменты облучения число активных ядер нарастает линейно со временем.

§2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДОВ ПОЛУРАСПАДА СЕРЕБРА И

В данной работе изучается искусственная радиоактивность изотопов серебра, возникающая при облучении естественной смеси изотопов серебра и тепловыми нейтронами. По кривой распада определяются соответствующие периоды полураспада изотопов серебра.

1. Изотопы серебра и . При облучении серебра нейтронами образуются изотоп с периодом полураспада T ₁=2.4 мин и изотоп с периодом полураспада T ₂ = 24.2 c. При этом имеют место следующие реакции-

(эффективное сечение реакции s₁ = 31 барн),

(эффективное сечение реакции s₂=87 барн).

Изотопы и нестабильны. Путем испускания электронов и антинейтрино они превращаются в стабильные изотопы и :

,

Непосредственно в опыте измеряется b^-- активность изотопов и , которая связана с числом распадающихся в единицу времени атомов серебра соотношением

Кривая распада изотопов серебра представляет сумму двух экспоненциальных функций:

где I ₀₁, I ₀₂ – интенсивность обоих изотопов в начальный момент времени t = 0.

Поиск по сайту: