Явление радиоактивности (спонтанного превращения атомных ядер в другие ядра с выделением энергии) было открыто французским физиком Антуаном Анри Беккерелем 115 лет назад. Правда, в то время о существовании ядер еще не догадывались и под радиоактивностью понимали самопроизвольное испускание некоторыми веществами лучей, вызывающих потемнение фотопластинок и свечение люминофоров. Затем выяснилось, что радиоактивность связана с трансмутацией атомов, но лишь в 1911 г., когда Эрнест Резерфорд ввел ядерную модель атома (так что сейчас можно отмечать столетие открытия атомного ядра), понятие о радиоактивности в смысле вышеприведенного определения приобретает завершенность.
Вкратце объясним несколько встречающихся ниже терминов. Нуклид (почти синоним: изотоп) — разновидность ядер, определяемая количеством протонов и нейтронов. Массовое число — общее количество нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) в ядре. Изобары — нуклиды с одинаковым массовым числом, различающиеся по числу протонов, т.е. заряду ядра. Промежуток времени, за которое распадается половина изначально взятых ядер данного нуклида, называется периодом полураспада, T1/2. Время жизни ядра в среднем в 1,44 раза больше, чем T1/2.
1. Радиоактивность — внутриядерный процесс, электронная оболочка атома играет второстепенную роль. Влияние внешних факторов на скорость распада ничтожно. Из всех типов радиоактивности лишь для электронного захвата было обнаружено слабое (< 1%) изменение скорости распада при «лабораторных» давлениях и температурах, так как вероятность е-захвата зависит от плотности электронной оболочки вблизи ядра, которая в свою очередь слегка зависит от давления, температуры и химического окружения атома. Лишь в крайне жестких условиях (полная ионизация) происходит существенное изменение скорости некоторых β-распадов.
2. Радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону: за одно и то же время количество ядер данного типа уменьшается в одно и то же количество раз. Ядра не стареют: через миллиард лет существования шансы ядра распасться в следующую секунду будут точно такими же, как и в первую секунду после его образования. Постоянство скорости распада лежит в основе методов изотопной геохронологии.
3. Существует несколько типов радиоактивного распада; нуклид может быть стабильным, распадаться по одному или нескольким конкурирующим каналам (так, уран-238 обычно испытывает α-распад, но изредка распадается и по каналам спонтанного деления и ββ-распада). Если дочернее ядро тоже радиоактивно, цепочка распадов продолжается до стабильного ядра.
4. Все типы радиоактивности разбиваются на три группы. Распады первой группы разделяют ядро на две (или больше) системы нуклонов. Это α-распад (эмиссия α-частицы, ядра гелия-4), спонтанное деление (развал тяжелых ядер на два, редко три осколка близкой массы) и кластерный распад — эмиссия ядром достаточно легких (но тяжелее α-частицы) ядер. У искусственных радионуклидов обнаружена также одно- и двухнуклонная радиоактивность.
5. Вторая группа — β-процессы. В них ядро не теряет нуклонов, но изменяет заряд, смещаясь по изобарной цепочке к «долине β-стабильности». При β−-распаде один из нейтронов становится протоном, излучая электрон (его в этом случае называют β-частицей) и антинейтрино. Обратный процесс, когда протон ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино, называется β+-распадом. Он всегда конкурирует с е-захватом (вместо излучения позитрона захватывается электрон из атомной оболочки); при энергии распада < 1,022 МэВ β+-распад запрещен, происходит лишь e-захват. Крайне редкие двойные β-процессы (ββ) меняют заряд ядра на две единицы; такие распады пока обнаружены лишь для десятка нуклидов, все с временем жизни ≥ 1019 лет.
6. К третьей группе относятся изомерные переходы: ядро перестраивается, не меняя ни массовое число, ни заряд. Выделяемая энергия уносится электроном оболочки (внутренняя конверсия) или γ-квантом.
7. Время жизни радионуклидов лежит в очень широких пределах. Распад 4H на ядро трития и нейтрон протекает в среднем за 10-22 с, а ββ-распад 128Te — за 5*1024 лет. Типичная энергия распада — от единиц килоэлектрон-вольт (некоторые β-распады) до сотен мегаэлектрон-вольт (деление). При прочих равных условиях большее энерговыделение означает меньшее время жизни.
8. Многие природные изотопы теоретически нестабильны по отношению к различным видам распада, но радиоактивность экспериментально обнаружена лишь у некоторых из них. Так, недавно выяснилось, что единственный природный изотоп висмута (209Bi, считавшийся самым тяжелым стабильным ядром) α-активен с T1/2 = 2×1019 лет.
9. За 4,6 млрд лет, прошедших с момента нуклеосинтеза (взрыва сверхновой, внесшего тяжелые нуклиды в протосолнечную туманность незадолго до формирования Солнечной системы), из первых 92 элементов таблицы Менделеева два — технеций и прометий — практически полностью «вымерли», как и все элементы за ураном. Из 90 элементов, оставшихся на Земле, не менее двадцати пяти содержат долгоживущие радионуклиды. Дожить до наших дней смогли лишь 288 нуклидов, стабильных или радиоактивных с T1/2 ≥ 0,7 млрд лет.
10. Природная радиоактивность, кроме долгоживущих, обусловлена и короткоживущими ядрами — космогенными и радиогенными; первые возникают в реакциях с космическими лучами (например, углерод-14), вторые — при распаде других ядер (например, изотопы радона). На реакторах и ускорителях получено более трех тысяч искусственных радионуклидов, продуктов различных ядерных реакций.
Владислав Кобычев
В пункте 5 грубая опечатка: там, где по смыслу имеются в виду двойные бета-распады, написано про pp-распады. pp-распадом должен называться двойной протонный распад. Известны такие ядра, устойчивые к одиночному p-распаду, для которых энергетически возможен pp-распад (что учтено пунктом 4), но вероятность распада по этому каналу должна быть очень мала — при резком доминировании электронного захвата и позитронного распада, определяющих суммарные периоды полураспада таких ядер — доли секунды, а никак не > 10^19 лет.
К пункту 9 поправка. Технеций и тем более полоний, занесенные в предшествовавшее Солнечной системе протопланетное облако взрывом близкой сверхновой, не «практически», а давно полностью распались. Тем не менее, при облучении неодима, самария, молибдена и рутения нейтронами спонтанного деления 238U и нейтронами, выбиваемыми альфа-частицами из легких ядер, на Земле непрерывно образуются 97Tc, 99Tc, 145Pm, 147Pm, 149Pm, 151Pm, 237Np, 239Pu и присутствуют в некоторых ничтожно малых, но равновесных концентрациях, определяемых в основном из соотношения их периодов полураспада с распространенностями исходных стабильных нуклидов в земной коре и их сечениями захвата нейтрона. Радиоактивное равновесие образования Pm, Tc и трансуранов Np, 239Pu отличается от «традиционных» радиоактивных равновесий образования Pa, Ra, Po, Rn, Fr, At тем, что концентрации радионуклидов пропорциональны не концентрации одного родоначальника ряда (238U, 235U или 232Th), а произведению концентраций двух или трех участвующих в ядерной реакции ядер на коэффициент, учитывающий вероятности их одновременного присутствия в одной горной породе, в одном минерале породы и размер зерен этого минерала (поскольку длина пробега альфа-частиц очень мала). При этом 237Np является родоначальником четвертого радиоактивного семейства. Кроме 239Pu, на Земле присутствуют сохранившиеся с момента образования Земли остатки долгоживущего 244Pu — и хотя это лишь несколько граммов на всю земную кору, но этого изотопа на Земле больше, чем природных франция или астата. Другим первичным долгоживущим радионуклидом, сохранившимся на Земле в микроколичествах, является 146Sm.
Теперь по поводу важных фактов, оставшихся за кадром. Для ядер на значительном удалении от линии бета-стабильности распространены комбинированные распады — одновременное с электронным захватом испускание протона или бета-распад с испусканием нейтрона, а для очень тяжелых ядер — и бета-распады с одновременным делением ядра, а также так называемое запаздывающее деление — бета-распад в возбужденное деформированное состояние с вероятностью деления, большей на многие порядки по сравнению с основным состоянием.
Поскольку распад протона (период полураспада более 10^32 лет) и другие распады ядер с нарушением барионного числа пока экспериментально не обнаружены, отсутствие упоминания о них в списке фактов оправдано, но поскольку из современных знаний по физике элементарных частиц следует, что такой распад должен происходить, в виде примечания об этом следовало бы упомянуть.
В качестве примечаний, следует указать некоторые рекорды радиоактивности:
1. Известно два нуклида, способных к одиночному бета-распаду, который подавлен нарушением углового момента настолько, что еще не наблюдался: 48Ca и 96Zr (оба испытывают двойной бета-распад).
2. Известно единственное природное ядро-возбужденный изомер: 180mTa, причем нарушением углового момента его превращение подавлено настолько, что еще не наблюдалось (период полураспада более 10^15 лет).
3. Известно два нуклида, сохранившихся с момента образования Земли только в микроконцентрациях: 244Pu и 146Sm.
3. Если не считать предсказанного, но пока не обнаруженного острова относительной стабильности сверхтяжелых элементов (если он окажется у наиболее вероятной оболочки 184 нейтрона, максимальная устойчивость с конкуренцией альфа-распада и спонтанного деления будет для 292 110 или 294 110), известен только один долгоживущий радионуклид, для которого еще не установлен экспериментально период полураспада — долгоживущий изомер (LLI) 248Bk, обнаруженный масс-спектроскопически, но про который до сих пор неизвестно, является он основным или возбужденным состоянием, не наблюдалось даже ни одного его распада, из чего сделан вывод, что его период полураспада более 9 лет. Из существующих закономерностей, он должен быть преимущественно альфа-излучателем с периодом полураспада от 100000 до 1000000 лет, должен легко получаться из ежегодно выделяемого десятками милиграммов реакторного 249Bk при облучении быстрыми нейтронами и может отделяться даже простым хранением по мере распада 249Bk в 249Cf в течение нескольких лет, но до сих пор не получен в достаточных для измерений количествах — такой вот позор радиохимии.
> В пункте 5 грубая опечатка: там, где по смыслу имеются в виду двойные бета-распады, написано про pp-распады.
В самой газете и в pdf все нормально, а здесь втерлась ошибка при распознавании пдф. Спасибо за внимательность, исправил.
Согласен с Вами по всем пунктам. Просто о многих интересных вещах (в т.ч. и о выживших следах плутония и самария-146) пришлось умолчать из-за ограничений по объёму. Кроме того, гипотетические распады не вписываются в формат («10 фактов…»), так что и о безнейтринном 2бета пришлось умолчать, и о незарегистрированных сильно подавленных бета-распадах, и о распаде нуклона. Замена бета-бета на pp — это, конечно, опечатка, возникшая при переносе в хтмл (почти все были отловлены, спасибо за обнаружение оставшейся). Насчёт берклия-248 — тс-с-с! Аль-Каида не дремлет :) Насчёт радиогенных нуклидов, добавлю, что прометий-147 образуется в природе не только при делении урана, но и в недавно обнаруженном (с моим скромным участием) альфа-распаде европия-151, и равновесное содержание образующегося прометия привязано к отношению констант распада, где-то с десяток граммов в земной коре.
Дополняю своё последнее примечание: не исключено, что когда лет 40 назад масс-спектроскопически в США начали выделять 248(LLI)Bk и поняли, что он подобно получаемому с гораздо большими выходами, но труднодоступному из-за необходимости изотопной сепарации 142mAm имеет рекордно высокое сечение деления при том, что активность 248(LLI)Bk почти самая низкая из всех делящихся нуклидов, дальнейшие работы по нему были засекречены. На эту мысль наводит появление в дальнейшем нескольких теоретических статей, где делается попытка теоретической оценки этого сечения — возможно, имевших целью антирекламу таких работ по другую сторону занавеса, что имело смысл в том случае, если использованные методы оценки давали заниженный результат для этого нуклида (но и он велик — сопоставим с более доступным 249Cf и с 251Cf тоже).
Немного о терминах во втором абзаце «10 фактов о радиоактивности» —
мне кажется, так немного точнее:
— нуклид — это калька с английского и основное значение: ядро (центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов);
— изотоп — разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре
С уважением,
Игорь Панов
Нет, не совсем так. Термин «нуклид» употребляется именно в отношении сорта атомов; существует общепринятое стандартное определение в терминологических справочниках ИЮПАК и ИЮПАП: нуклид — сорт атомов, характеризуемый массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием ядра, при условии, что время жизни в этом состоянии достаточно велико для наблюдения. С изотопом не так просто. Согласно официальной позиции ИЮПАК, этот термин вообще не должен употребляться в единственном числе: изотопы — это совокупность видов атомов данного хим.элемента, различающихся по атомной массе. Однако, несмотря на эту явно выраженную позицию, в изданиях того же ИЮПАКа термин «изотоп» употребляется как фактический синоним термина «нуклид», что соответствует сложившемуся в широких кругах естественников обычаю употребления этих терминов. Например, можно говорить о _радиоизотопном_ составе образца, где присутствуют цезий-137, кобальт-60 и плутоний-239 (изотопы _разных_ элементов). Хотя разница всё же есть, ибо изотопы — нуклиды с одинаковым Z (а изотоны — с одинаковым N): лучше говорить «изотоп углерода», а не «нуклид углерода». В статье я эти терминологические нюансы обсуждать, конечно, не мог за недостатком места.
Если можно,пожалуйста, расскажите о ториевой станции с протонным ускорителем, которую собирается строить Китай.
В седьмом пункте опечатка:
Распад 4H на ядро трития и нейтрон