Został sformułowany po odkryciu przez Becquerela zjawiska promieniotwórczości w 1896 roku. Polega na nieprzewidywalnym przejściu jednego rodzaju jąder w inny, przy czym uwalniają one różne cząstki pierwiastków. Proces ten może być naturalny, gdy przejawia się w izotopach istniejących w przyrodzie, i sztuczny, w przypadkach, gdy powstają w jądrze, które rozpada się, jest uważany za matkę, a powstały za córkę. Innymi słowy, podstawowe prawo rozpadu promieniotwórczego obejmuje arbitralność naturalny proces przemiana jednego jądra w drugie.
Badania Becquerela wykazały obecność nieznanego wcześniej promieniowania w solach uranu, które oddziałało na kliszę fotograficzną, wypełniało powietrze jonami i miało tendencję do przenikania przez cienkie metalowe płyty. Doświadczenia M. i P. Curie z radem i polonem potwierdziły opisany powyżej wniosek, a w nauce pojawiła się nowa koncepcja, zwana doktryną
Teoria ta, odzwierciedlająca prawo rozpadu promieniotwórczego, opiera się na założeniu, że proces spontaniczny podlega statystyce. Ponieważ poszczególne jądra rozpadają się niezależnie od siebie, uważa się, że średnio liczba rozpadających się w pewnym okresie czasu jest proporcjonalna do tych, które nie uległy rozpadowi do czasu zakończenia procesu. Jeśli zastosujesz prawo wykładnicze, liczba tych ostatnich znacznie maleje.
Intensywność zjawiska charakteryzują dwie główne właściwości promieniowania: tzw. okres półtrwania oraz obliczony średni czas życia jądra promieniotwórczego. Pierwsza waha się od milionowych części sekundy do miliardów lat. Naukowcy uważają, że takie jądra nie starzeją się i dla nich nie ma pojęcia wieku.
Prawo rozpadu promieniotwórczego opiera się na tzw. zasadach przemieszczenia, a one z kolei są konsekwencją teorii zachowania i liczby masowej. Ustalono eksperymentalnie, że działanie pola magnetycznego działa na różne sposoby: a) ugięcie promieni następuje w postaci cząstek naładowanych dodatnio; b) jako negatywne; c) nie wykazują żadnej reakcji. Wynika z tego, że istnieją trzy rodzaje promieniowania.
Istnieje równie wiele odmian samego procesu rozpadu: z uwolnieniem elektronu; pozyton; absorpcja jednego elektronu przez jądro. Udowodniono, że jądra o strukturze odpowiadającej ołowiowi ulegają rozpadowi wraz z emisją. Teorię tę nazwano rozpadem alfa i sformułował G. w 1928 roku. Drugi typ sformułował w 1931 roku E. Fermi. Jego badania wykazały, że zamiast elektronów, niektóre typy jąder emitują przeciwne cząstki – pozytony, czemu zawsze towarzyszy emisja cząstki o zerowym ładunku elektrycznym i masie spoczynkowej, czyli neurino. Najprostszym przykładem rozpadu beta jest przejście neuronu w proton w czasie 12 minut.
Teorie te, które uwzględniają prawa rozpadu promieniotwórczego, były głównymi aż do 1940 r. XIX wieku, dopóki radzieccy fizycy G.N. Flerow i K.A. Petrzhak nie odkryli innego typu, podczas którego jądra uranu spontanicznie podzieliły się na dwie równe cząstki. W 1960 roku przewidywano radioaktywność dwóch protonów i dwóch neutronów. Ale do dziś ten typ rozpadu nie uzyskał potwierdzenia eksperymentalnego i nie został wykryty. Odkryto jedynie promieniowanie protonowe, podczas którego proton jest wyrzucany z jądra.
Trudno jest uporać się ze wszystkimi tymi kwestiami, chociaż samo prawo rozpadu promieniotwórczego jest proste. Nie jest łatwo zrozumieć jej fizyczne znaczenie i oczywiście prezentacja tej teorii wykracza daleko poza ramy programu nauczania fizyki jako przedmiotu w szkole.
Rozpad promieniotwórczy jąder atomowych zachodzi samoistnie i prowadzi do ciągłego zmniejszania się liczby atomów pierwotnego izotopu promieniotwórczego i gromadzenia się atomów produktu rozpadu.
Szybkość rozpadu radionuklidów zależy jedynie od stopnia niestabilności ich jąder i jest niezależna od czynników zwykle wpływających na szybkość rozpadu fizycznego i chemicznego. procesy chemiczne(ciśnienie, temperatura, postać chemiczna substancji itp.). Rozpad każdego pojedynczego atomu jest zdarzeniem całkowicie losowym, probabilistycznym i niezależnym od zachowania innych jąder. Jeśli jednak system ma dość duża liczba manifestują się radioaktywne atomy ogólny wzór, polegający na tym, że liczba atomów danego izotopu promieniotwórczego rozpadających się w jednostce czasu zawsze stanowi pewien ułamek pełny numer atomy, które jeszcze nie uległy rozkładowi. Liczba atomów DUU, które uległy rozpadowi w krótkim czasie D/ jest proporcjonalna do całkowitej liczby nierozłożonych atomów promieniotwórczych DU i wartości przedziału DL. Prawo to można przedstawić matematycznie jako stosunek:
-AN = X? N? D/.
Znak minus oznacza liczbę atomów radioaktywnych N maleje. Czynnik proporcjonalności X nazywa się stała zaniku i jest stałą cechą danego izotopu promieniotwórczego. Prawo rozpadu promieniotwórczego jest zwykle zapisywane w formie równanie różniczkowe:
Więc, prawo rozpadu promieniotwórczego można sformułować w następujący sposób: w jednostce czasu zawsze rozpada się ta sama część dostępnych jąder substancji radioaktywnej.
Stała zaniku X ma wymiar czasu odwrotnego (1/s lub s -1). Tym bardziej X, im szybciej następuje rozpad atomów promieniotwórczych, tj. X charakteryzuje względną szybkość rozpadu każdego izotopu promieniotwórczego lub prawdopodobieństwo rozpadu jądra atomowego w ciągu 1 sekundy. Stała rozpadu to ułamek atomów rozpadających się w jednostce czasu, wskaźnik niestabilności radionuklidu.
Wartość - bezwzględna szybkość rozpadu promieniotwórczego -
zwane aktywnością. Aktywność radionuklidów (A) - Jest to liczba rozpadów atomowych zachodzących w jednostce czasu. Zależy to od liczby atomów radioaktywnych w tej chwili czas (I) oraz od stopnia ich niestabilności:
A=Y ( X.
Jednostką aktywności w układzie SI jest bekerel(Bq); 1 Bq - aktywność, przy której następuje jedna przemiana jądrowa na sekundę, niezależnie od rodzaju rozpadu. Czasami stosuje się pozasystemową jednostkę miary aktywności - curie (Ci): 1Ci = 3,7-10 10 Bq (liczba rozpadów atomów w 1 g 226 Ra w 1 s).
Ponieważ aktywność zależy od liczby atomów promieniotwórczych, wartość ta służy jako ilościowa miara zawartości radionuklidów w badanej próbce.
W praktyce wygodniej jest zastosować integralną postać prawa rozpadu promieniotwórczego, która ma następującą postać:
gdzie УУ 0 - liczba atomów radioaktywnych w początkowym momencie czasu / = 0; - liczba pozostałych w danej chwili atomów radioaktywnych
czas /; X- stała zaniku.
Aby scharakteryzować rozpad radioaktywny, często zamiast stałej rozpadu X Używają innej wywodzącej się z niego wielkości - okresu półtrwania. Okres półtrwania (T]/2)- jest to okres czasu, w którym rozpada się połowa początkowej liczby atomów promieniotwórczych.
Podstawiając wartości G = do prawa rozpadu promieniotwórczego T 1/2 I I (= Af/2, otrzymujemy:
VU 0 /2 = # 0 e~ xt og-
1 /2 = e~ xt "/2 -, A mi xt "/ 2 = 2 lub HT 1/2 = 1p2.
Okres półtrwania i stała rozpadu są powiązane następującą zależnością:
Tx/2=1п2 А = 0,693 /X.
Korzystając z tej zależności, prawo rozpadu promieniotwórczego można przedstawić w innej formie:
TU, = УУ 0 e Apg, „t t
N = A 0? e-°’ t - ( / t 02.
Z tego wzoru wynika, że co dłuższy okres okres półtrwania, tym wolniejszy jest rozpad promieniotwórczy. Okresy półtrwania charakteryzują stopień stabilności jądra radioaktywnego i różnią się znacznie dla różnych izotopów - od ułamków sekundy do miliardów lat (patrz załączniki). W zależności od okresu półtrwania radionuklidy są umownie podzielone na długowieczne i krótkotrwałe.
Okres półtrwania, wraz z rodzajem rozpadu i energią promieniowania, jest najważniejszą cechą każdego radionuklidu.
Na ryc. Rysunek 3.12 przedstawia krzywą rozpadu izotopu promieniotwórczego. Oś pozioma przedstawia czas (w okresach półtrwania), a oś pionowa przedstawia liczbę atomów radioaktywnych (lub aktywność, ponieważ jest proporcjonalna do liczby atomów radioaktywnych).
Krzywa jest wykładnik potęgowy i asymptotycznie zbliża się do osi czasu, nigdy jej nie przekraczając. Po okresie równym jednemu okresowi półtrwania (Г 1/2) liczba atomów radioaktywnych zmniejsza się 2-krotnie; po dwóch okresach półtrwania (2Г 1/2) liczba pozostałych atomów ponownie zmniejsza się o połowę, tj. 4 razy od ich początkowej liczby, po 3 7" 1/2 - 8 razy, po
4G 1/2 - 16 razy, do końca T okresy półtrwania Г ]/2 - in 2 t raz.
Teoretycznie populacja atomów z niestabilnymi jądrami będzie się zmniejszać do nieskończoności. Jednak z praktycznego punktu widzenia należy wyznaczyć pewną granicę, w przypadku której wszystkie nuklidy promieniotwórcze ulegną rozpadowi. Uważa się, że wymaga to czasu 107^,2, po którym mniej niż 0,1% atomów radioaktywnych pozostanie w pierwotnej ilości. Zatem jeśli weźmiemy pod uwagę tylko rozkład fizyczny, całkowite oczyszczenie biosfery z 90 Bg (= 29 lat) i |37 Cz (T|/ 2 = 30 lat) zajmie odpowiednio 290 i 300 lat .
Równowaga radioaktywna. Jeżeli podczas rozpadu izotopu promieniotwórczego (macierzystego) powstanie nowy izotop promieniotwórczy (potomek), to mówimy, że są one ze sobą genetycznie spokrewnione i tworzą radioaktywna rodzina(wiersz).
Rozważmy przypadek radionuklidów spokrewnionych genetycznie, których rodzic jest długowieczny, a córka krótkotrwała. Przykładem jest stront 90 5g, który ulega przemianie w wyniku (3-rozpadu ( T /2 = 64 h) i zamienia się w stabilny nuklid cyrkonu ^Ъх(patrz ryc. 3.7). Ponieważ 90 U rozpada się znacznie szybciej niż 90 5g, po pewnym czasie nadejdzie moment, w którym ilość rozpadu 90 8g w dowolnym momencie będzie równa ilości rozpadu 90 U. Inaczej mówiąc, aktywność macierzystego 90 8g (D,) będzie równe aktywności córki 90 U (L 2). Kiedy tak się dzieje, uważa się, że napięcie 90 V jest obecne równowaga świecka z macierzystym radionuklidem 90 8g. W tym przypadku zachodzi zależność:
ZA 1 = L 2 Lub X 1? = X2?УУ 2 lub: Г 1/2(1) = УУ 2: Г 1/2(2) .
Z powyższej zależności wynika, że niż bardziej prawdopodobne rozpad radionuklidów (Do) i odpowiednio krótszy okres półtrwania (T ]/2), tym mniej jego atomów jest zawartych w mieszaninie dwóch izotopów (AO-
Ustalenie takiej równowagi wymaga czasu ok 7T]/2 radionuklid córki. W warunkach równowagi świeckiej całkowita aktywność mieszaniny nuklidów jest dwukrotnie większa niż aktywność nuklidu macierzystego w danym momencie. Na przykład, jeśli na początku lek zawiera tylko 90 8 g, to później 7T/2 najdłużej żyjący członek rodziny (z wyjątkiem przodka serii), zostaje ustalona równowaga świecka, a tempo rozpadu wszystkich członków rodziny radioaktywnej staje się takie samo. Biorąc pod uwagę, że okresy półtrwania dla każdego członka rodziny są różne, względne ilości (w tym masa) nuklidów w równowadze są również różne. Im mniej T )
