Радіоактивність (від латів.(латинський) radio — випромінюю, radius — промінь і activus — дієвий), мимовільне (спонтанне) перетворення нестійкого ізотопу хімічного елементу в інший ізотоп (зазвичай — ізотоп іншого елементу). Суть явища Р. полягає в мимовільній зміні складу атомного ядра, що знаходиться в основному стані або в збудженому довгоживучому (метастабільному) стані. Такі перетворення супроводяться випусканням ядрами елементарних часток або інших ядер, наприклад ядер 2 He (а-часток). Всі відомі типи радіоактивних перетворень є наслідком фундаментальних взаємодій мікросвіту: сильних взаємодій (ядерні сили) або слабких взаємодій . Перші відповідальні за перетворення, що супроводяться випусканням ядерних часток, наприклад а-часток, протонів або уламків ділення ядер: другі виявляються в b-розпаді ядер. Електромагнітні взаємодії відповідальні за квантові переходи між різними станами одне і те ж ядра, які супроводяться випусканням гамма-випромінювання . Ці переходи не пов'язані із змінами складу ядер і тому, згідно сучасної класифікації, не належать до радіоактивних перетворень. Поняття «Р.» поширюють також на b-розпад нейтронів .
Р. слід відрізняти від перетворень складених ядер, що утворюються в процесі ядерних реакцій в результаті поглинання ядром-мішенню падаючою на нього ядерною частки. Час життя такого ядра значно перевищує час прольоту падаючою часткою відстані порядку ядерних розмірів (10 -21 —10 -22 сік ) і може досягати 10 -13 —10 -14 сек. Тому умовно нижнім кордоном тривалості життя радіоактивних ядер вважається час порядку 10 -12 сек.
Типи радіоактивних перетворень. Всі відомі види Р. можна розділити на дві групи: елементарні (одноступінчаті) перетворення і складні (двоступінчаті). До перших відносяться: 1) альфа-розпад, 2) всі варіанти бета-розпаду (з випусканням електрона, позитрона або із захопленням орбітального електрона), 3) спонтанне ділення ядер, 4) протонний Р., 5) двупротонная Р. 116) двунейтронная Р. В разі b-розпаду чималий час життя ядер забезпечується природою слабких взаємодій. Всі останні види елементарних радіоактивних процесів обумовлені ядерними силами. Уповільнення таких процесів до проміжків часу ³ 10 -12 сік викликано наявністю потенційних бар'єрів (кулонівського і відцентрового), які утрудняють виліт ядер або ядерних часток.
До двоступінчатим радіоактивним перетворенням відносять процеси випускання т.з. запізнілих частинок: протонів, нейтронів, а-часток, ядер тритію і 3 He, а також спонтанне ділення, що запізнюється. Процеси, що запізнюються, включають b-розпад як попередню стадію, що забезпечує затримку подальшого, миттєвого випускання ядерних часток. Т. о., в разі двоступінчатих процесів критерій Р. відносно часу життя задовольняється лише для першої стадії, завдяки її здійсненню за рахунок слабких взаємодій.
Історична довідка. Відкриття Р. датоване 1896, коли А. Беккерель виявив випускання ураном невідомого вигляду проникаючого випромінювання, названого їм радіоактивним. Незабаром був виявлений Р. торія, а в 1898 подружжя М. Кюрі і П. Кюрі відкрило два нових радіоактивних елементу — полоній і радій . Роботами Е. Резерфорда і згаданих учених було встановлено наявність 3 видів випромінювання радіоактивних елементів — a-, b- і g-променів — і виявлена їх природа. У 1903 Резерфорда і Ф. Содді з'ясували, що випускання а-променів супроводиться перетворенням хімічних елементів, наприклад перетворенням радію в радон . В 1913 До. Фаянс (Німеччина) і Содді незалежно сформулювали правило зсуву, що характеризує переміщення ізотопу в періодичній системі елементів при різних радіоактивних перетвореннях.
В 1934 подружжям І. Жоліо-кюрі і Ф. Жоліо-кюрі був відкритий штучний Р., який згодом придбав особливо важливе значення. Із загального числа (близько 2000) відомих нині радіоактивних ізотопів лише близько 300 природних, а останні отримані штучно, в результаті ядерних реакцій. Між штучним і природним Р. немає принципової відмінності. В результаті вивчення штучного Р. були відкриті нові варіанти b-розпаду — випускання позитронів (І. і Ф. Жоліо-кюрі, 1934) і електронний захват (Л. Альварес, 1938), передбачений спочатку Х. Юкавой і С. Сакатой (Японія, 1935). Згодом були виявлені складні, включаючі b-розпад, перетворення, у тому числі випускання запізнілих нейтронів (Дж. Даннінг із співробітниками, США, 1939), запізнілих протонів (В. А. Карнаухов із співробітниками, СРСР, 1962), ділення ядер, що запізнюється (Р. Н. Флеров із співробітниками, 1966—71). Передбачена можливість існування випромінювачів ядер , що запізнюються, 3 H і 3 He (Е. Е. Берловіч, Ю. Н. Новіков, СРСР, 1969). У 1935 І. Ст Курчатов із співробітниками відкрили явище ізомерії (існування довгоживучих збуджених станів) в штучно радіоактивних ядер (див. Ізомерія атомних ядер ). У 1940 К. А. Петржак і Флеров відкрили спонтанне ділення ядер. Існування протонної активності передбачалося ще Резерфордом. Перспективи виявлення 4-го типа Р. і основні його характеристики вивчалися Б. С. Джелеповим (1951, СРСР) і ін. Експериментально елементарний акт радіоактивного розпаду з випусканням протонів (з ізомерного стану) вперше спостерігали Дж. Чорні із співробітниками (США, 1970). У 1960 Ст І. Гольданський передбачив існування двупротонной Р., а в 1971 Гольданський і Л. К. Пекер (СРСР) — двунейтронний радіоактивний розпад ядер (лише з ізомерного стану).
Закон радіоактивного розпаду. Одиниці радіоактивності. Для процесів радіоактивного розпаду ядер (і елементарних часток) характерний експоненціальний закон зменшення в часі середнього числа активних ядер. Цей закон відображає незалежність розпаду окремого ядра від останніх ядер. Зазвичай тривалість життя радіоактивних ядер характеризують періодом напіврозпаду — проміжком часу T 1/2 впродовж якого число радіоактивних ядер зменшується в середньому удвічі. Оскільки тривалість життя окремого ядра виявляється невизначеною, експоненціальний закон розпаду виконується лише в середньому, причому тим точніше, чим більше повне число радіоактивних ядер.
Основна одиниця радіоактивності — кюрі, спочатку визначалася як активність 1 г Ra. Надалі під 1 кюрі стали розуміти активність радіоактивного препарату, в якому відбувається 3,7×10 10 розпадів в сік . Широко використовуються дробові одиниці (наприклад, мкюрі, мккюрі ) і кратні одиниці ( ккюрі, Мкюрі ) . Інша одиниця радіоактивності — Резерфорд, дорівнює кюрі, що відповідає 10 6 в сек.
Альфа-розпадом є мимовільне перетворення ядер, що супроводиться випусканням двох протонів і двох нейтронів, створюючих ядро . В результаті а-розпаду заряд ядра зменшується на 2, а масове число на 4 одиниці, наприклад:
.
Кінетична енергія а-частки, що вилітає, визначається масами вихідного і кінцевого ядер і а-частки. Якщо кінцеве ядро утворюється у збудженому стані, ця енергія декілька зменшується, і, навпаки, зростає, якщо розпадається збуджене ядро (у останньому випадку випускаються т.з. дліннопробежниє а-частки). Енергетичний спектр а-часток дискретний. Період напіврозпаду а-радіоактивних ядер експоненціально залежить від енергії а-часток, що вилітають (див. Гейгера — Неттолла закон ). Теорія а-розпаду, заснована на квантовомеханічному описі проникнення через потенційний бар'єр, була розвинена в 1928 Р. Гамовим і незалежно — англ.(англійський) фізиками Р. Герні і Е. Коцдоном.
Відоме більш 200 а-активних ядер, розташованих в основному в кінці періодичної системи, за Pb, яким закінчується заповнення протонної ядерної оболонки з Z = 82 (див. Ядерні моделі ). Відоме також близько 20 а-радіоактивних ізотопів рідкоземельних елементів. Тут а-розпад найбільш характерний для ядер з числом нейтронів N = 84, які при випусканні а-часток перетворюються на ядра з заповненою нейтронною ядерною оболонкою ( N = 82) . Часи життя а-активних ядер вагаються в широких межах: від 3×10 —7 сік (для 212 Po) до (2—5)×10 15 років (природні ізотопи 142 Ce, 144 Nd, 174 Hf). Енергія спостережуваного а-розпаду лежить в межах 4—9 Мев (за винятком дліннопробежних а-часток) для всіх важких ядер і 2—4,5 Мев для рідкоземельних елементів.
Бета-розпадом є мимовільне взаємне перетворення протонів і нейтронів, що відбувається усередині ядра і супроводиться випусканням або поглинанням електронів (е — ) або позитронів (е + ), нейтрино (n e ) або антинейтрино ().
1) Електронний b — -распад: n ® р + е — + ; наприклад
.
2) Позитронний b + -распад: p ® ; наприклад,
().
3) Електронний захват: p ® ; наприклад,
().
Захват електронів відбувається з однією з атомних оболонок, найчастіше з найближчої до ядра до-оболонки (До-захват), рідше — з наступних, L- і м-кодів-оболонок ( L- і М- захвати), b — -распад характерний для нейтроноїзбиточних ядер, в яких число нейтронів більше, ніж в стійких ядрах (а для ядер з Z > 83, якщо число нейтронів більше, ніж в b-стабільніх ядрах, що випробовують лише а-розпад). b + -распад і електронний захват властиві нейтронодефіцитним ядрам, легшим, ніж стійкі або b-стабільні ядра. Енергія при b-розпаді розподіляється між 3 частками: електроном або позитроном, антинейтрино або нейтрино і кінцевим ядром; тому спектр b-часток суцільної. Бета-радіоактивні ізотопи зустрічаються у всіх елементів періодичної системи. Особливістю електронного захвату є слабка залежність його швидкості від хімічного стану атомів, що перетворюються. Ядро захоплює електрон з якою-небудь з електронних оболонок атома, а вірогідність подібного захвату визначається будовою не лише внутрішньої оболонки, що віддає ядру електрон, але і (у меншій мірі) віддаленіших оболонок, у тому числі і валентних. Зміна заряду ядра при b-розпаді спричиняє за собою подальшу перебудову («струс») електронних атомних оболонок, збудження, іонізацію атомів і молекул, розрив хімічних зв'язків. Хімічні наслідки b-розпаду (і у меншій мірі ін. радіоактивних перетворень) є предметом багаточисельних досліджень (див. Радіохімія ).
Спонтанним діленням є мимовільний розпад важких ядер на два (рідше — 3 або 4) уламки — ядра елементів середини періодичної системи. Спонтанне ділення і а-розпад обмежують можливості здобуття нових трансуранових елементів .
Протонна і двупротонная Р. мають бути мимовільним розпадом нейтронодефіцитних ядер з випусканням 1 або одночасно 2 протонів, проникаючих крізь кулонівський бар'єр дорогою тунельного ефекту . Причиною можливості двупротонной Р. служить спаровування в ядрі протонів з протилежно направленими спинами, що супроводиться виділенням енергії близько 2 Мев. В результаті цього випускання з ядра одночасно пари протонів може зажадати витрати меншої енергії, чим відривши одного з них від іншого, а у ряді випадків може йти навіть з виділенням енергії (причому за час > 10 -12 сік ), тоді як випускання одиночного протона зажадало б, навпаки, витрати енергії.
Труднощі спостереження протонного і двупротонной Р. обумовлені як коротким (в порівнянні з ін. типами Р.) часом життя р- і 2р-радіоактівніх ядер, так і тим, що ці ядра характеризуються дуже сильним дефіцитом нейтронів і тому можуть бути отримані в ядерних реакціях, що супроводяться вильотом великого числа нейтронів і тому маловірогідних. Протонний Р. до цих пір удалося спостерігати (див. вищий) лише при розпаді не основного, а збудженого (ізомерного) стану ядра 53m Co. Двупротонная Р. так само, як і двунейтронний розпад, експериментально доки не виявлені.
Гамма-промені. Ядерні ізомери. Випускання g-квантів супроводжує Р. в тих випадках, коли «дочірні» ядра утворюються в збуджених станах. Час життя ядер в таких збуджених станах визначається властивостями (спином,парністю, енергією) даного рівня і рівнів, що пролягають нижче, на які можуть відбуватися переходи з випусканням g-квантів. Тривалість g-переходів різко зростає з зменшенням їх енергії і із збільшенням різниці моментів вихідного і кінцевого станів ядра. У ряді випадків ця тривалість істотно перевищує 10 —10 —10 —9 сік, тобто поряд з основним станом даного стабільного або радіоактивного ядра може відносно довго (інколи роки) існувати його метастабільний збуджений (ізомерне) стан. Для багатьох ядерних ізомерів спостерігається явище внутрішній електронній конверсії: збуджене ядро, не випромінюючи g-квантів, передає свою надлишкову енергію електронним оболонкам, унаслідок чого один з електронів вилітає з атома. Після внутрішньої конверсії виникає вторинне випромінювання рентгенівського і оптичного діапазону унаслідок заповнення одним з електронів місця, що звільнилося, і подальших переходів. Участь електронних оболонок в конверсійних переходах приводить до того, що час життя відповідних ізомерів залежить (хоча і дуже слабо) від хімічного стану атомів, що перетворюються.
Відомі ізомери, для яких переважає не g-віпромінювання з освітою ін. стану того ж ізотопу, але розпад по якому-небудь з основних типів Р. Так, ізомер ( T 1/2 = 3,7 ч ) випробовує, як і основний ізотоп, b-розпад; ізомер ( T 1/2 = 45 сік ) , як і основний ізотоп, — а-розпад; ізомер ( T 1/2 = 14 мсек ) — спонтанне ділення.
Радіоактивні ряди (сімейства). У багатьох випадках продукти радіоактивного розпаду самі виявляються радіоактивними і тоді утворенню стабільного ізотопу передує ланцюжок з декількох актів радіоактивного розпаду. Прикладами таких ланцюжків є радіоактивні ряди природних ізотопів важких елементів, які починаються нуклідами 238 U, 235 U, 232 Th і закінчуються стабільними ізотопами свинцю 206 РЬ, 207 РЬ, 208 РЬ. Багато радіоактивних ізотопів можуть розпадатися по 2 або декільком з перерахованих вище основних типів Р. В результаті такої конкуренції різних доріг розпаду виникають розгалуження радіоактивних перетворень. Для природних радіоактивних ізотопів характерні розгалуження, обумовлені можливістю a- і b, — -распадов. Для ізотопів трансуранових елементів найбільш поширені розгалуження, пов'язані з конкуренцією a, - (рідше b — -) розпадів і спонтанного ділення. В нейтронодефіцитних ядер частенько спостерігається конкуренція b + -распада і електронного захвату. Для багатьох ізотопів з непарними Z і парними А виявляються енергетично можливими два протилежні варіанти b-розпаду: b — -распад і електронний захват або b — - і b + -распади.
Висновок. Відкриття Р. надав величезний вплив на розвиток науки і техніки. Воно ознаменувало початок епохи інтенсивного вивчення властивостей і структури речовини. Нові перспективи, що виникли в енергетиці, промисловості і багатьох ін. областях людської діяльності завдяки опануванню ядерної енергії, були викликані до життя виявленням здатності хімічних елементів до мимовільних перетворень. За роботи, пов'язані з дослідженням і вживанням Р., було присуджено більше 10 Нобелівських премій по фізиці і хімії, у тому числі А. Беккерелю, П. і М. Кюрі, Е. Фермі, Е. Резерфорду, Ф. і І. Жоліо-кюрі, Д. Хевеши, Про.Гану, Е. Макміллану і Р. Сиборгу, В. Ліббі і ін.
Літ.: Кюрі М., Радіоактивність, пер.(переведення) з франц.(французький), 2 видавництва, М. — Л., 1960; Мурін А. Н., Введення в радіоактивність, Л., 1955; Давидов А. С., Теорія атомного ядра, М., 1958; Гайсинський М. Н., Ядерна хімія і її застосування, пер.(переведення) з франц.(французький), М., 1961; Експериментальна ядерна фізика, під ред. Е. Сегре, пер.(переведення) з англ.(англійський), т. 3, М., 1961; Вчення про радіоактивність. Історія і сучасність, М., 1973.
