Альфа і бета-випромінювання в загальному випадку називаються радіоактивними розпадом. Це процес, який представляє собою випущення субатомних частинок з ядра, що відбувається з величезною швидкістю. У результаті атом або його ізотоп може перетворитися з одного хімічного елемента в інший. Альфа і бета-розпади ядер характерні для нестабільних елементів. До них відносяться всі атоми з зарядовим числом більше 83 і масовим числом, що перевищує 209.
Умови виникнення реакції
Розпад, подібно іншим радіоактивним перетворенням, буває природним і штучним. Останній відбувається із-за попадання в ядро будь-якої сторонньої частинки. Скільки альфа і бета-розпаду здатний витерпіти атом - залежить лише від того, як скоро буде досягнуто стабільний стан.
За природних обставин зустрічається альфа і бета-мінус розпади. При штучних умовах присутній нейтронний, позитронний, протонний і інші, більш рідкісні різновиди розпадів і перетворень ядер. Дані назви дав Ернест Резерфорд, займався вивченням радіоактивного випромінювання.
Відмінність між стабільним і нестабільним ядром
Здатність до розпаду безпосередньо залежить від стану атома. Так зване "стабільний" або нерадіоактивний ядро властиво нераспадающимся атомів. В теорії спостереження за такими елементами можна вести до нескінченності, щоб остаточно переконатися в їх стабільності. Потрібно це для того, щоб відокремити такі ядра від нестабільних, які мають вкрай довгий період напіврозпаду. Помилково такий "уповільнений" атом можна прийняти за стабільний. Однак яскравим прикладом може стати телур, а точніше, його ізотоп з номером 128 має період напіврозпаду в 22·10 24 років. Цей випадок не поодинокий. Лантан-138 схильний напіврозпаду, термін якого становить 10 11 років. Цей строк у тридцять разів перевищує вік існуючої всесвіту.
Суть радіоактивного розпаду
Даний процес відбувається довільно. Кожен розпадається радіонуклід набуває швидкість, яка є константою для кожного випадку. Швидкість розпаду не може змінитися під впливом зовнішніх чинників. Неважливо, буде відбуватися реакція під впливом величезної гравітаційної сили, при абсолютному нулі, в електричному і магнітному полі, під час якоїсь хімічної реакції та інше. Вплинути на процес можна тільки прямим впливом на середину атомного ядра, що практично неможливо. Спонтанна реакція і залежить лише від атома, в якому протікає, і його внутрішнього стану. При згадці радіоактивних розпадів часто зустрічається термін "радіонуклід". Тим, хто не знайомий з ним, слід знати, що дане слово позначає групу атомів, які мають радіоактивні властивості, власне масове число, атомний номер і енергетичний статус. Різні радіонукліди застосовуються в технічних, наукових та інших сферах життєдіяльності людини. Наприклад, в медицині дані елементи використовуються при діагностуванні захворювань, обробці ліків, інструментів та інших предметів. Є навіть ряд лікувальних і прогностичних радиопрепаратов.
Не менш важливим є і визначення ізотопу. Цим словом називають особливий різновид атомів. Вони мають однаковий атомний номер, як у звичайного елемента, однак відмінне масове число. Викликано це розходження кількістю нейтронів, які не впливають на заряд, як протони і електрони, але змінюють масу. Приміром, у простого водню їх є цілих 3. Це єдиний елемент, ізотопів якого були присвоєні назви: дейтерій, тритій (єдиний радіоактивний) і протій. В інших випадках імена даються у відповідності з атомними масами і основним елементом.
Альфа-розпад
Це вид радіоактивного реакції. Характерний для природних елементів з шостого і сьомого періоду таблиці хімічних елементів Менделєєва. Особливо для штучних чи трансуранових елементів.
Елементи, піддані альфа-розпаду
У число металів, для яких характерний цей розпад, відносять торій, уран і інші елементи шостого і сьомого періоду періодичної таблиці хімічних елементів, рахуючи від вісмуту. Також процесу піддаються ізотопи з числа важких елементів.
Що відбувається під час реакції?
При альфа-розпаді починається випущення з ядра часток, що складаються з 2 протонів і пари нейтронів. Сама виділяється частка є ядром атома гелію, з масою 4 одиниці і зарядом +2. В результаті з'являється новий елемент, який розташований на дві клітини ліворуч вихідного періодичної таблиці. Таке розташування визначається тим, що вихідний атом втратив 2 протони і разом з цим - початковий заряд. У результаті маса виник ізотопу на 4 масові одиниці зменшується порівняно з початковим станом.
Приклади
Під час такого розпаду урану утворюється торій. З торія з'являється радій, з нього - радон, який в підсумку дає полоній, і в кінці - свинець. При цьому в процесі виникають ізотопи цих елементів, а не вони самі. Так, виходить уран-238 торій-234 радій-230 радон-236 і далі, аж до виникнення стабільного елемента. Формула такої реакції виглядає наступним чином:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218 Швидкість виділеної альфа-частинки в момент випромінювання становить від 12 до 20 тис. км/сек. Перебуваючи у вакуумі, така частинка обігнула б земну кулю за 2 секунди, рухаючись по екватору.
Бета-розпад
Відмінність цієї частки від електрона - в місці появи. Розпад бета виникає в ядрі атома, а не електронній оболонці, що оточує його. Найчастіше зустрічається з усіх існуючих радіоактивних перетворень. Його можна спостерігати практично у всіх існуючих в даний час хімічних елементів. З цього випливає, що у кожного елемента є хоча б один схильний до розпаду ізотоп. В більшості випадків в результаті бета-розпаду
відбувається бета-мінус розкладання.
Протікання реакції
При цьому процесі відбувається викидання з ядра електрона, який виник із-за мимовільного перетворення нейтрона в електрон і протон. При цьому протони за рахунок більшої маси залишаються в ядрі, а електрон, званий бета-мінус частинкою, залишає атом. І оскільки протонів стало більше на одиницю, ядро самого елемента змінюється в більшу сторону і розташовується праворуч від вихідного періодичної таблиці.
Приклади
Розпад бета з калієм-40 перетворює його в ізотоп кальцію, який розташований праворуч. Радіоактивний кальцій-47 стає скандієм-47 який може перетворитися на стабільний титан-47. Як виглядає такий бета-розпад? Формула: Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47 Швидкість вильоту бета-частинки становить 09 від швидкості світла, яка дорівнює 270 тис. км/сек. У природі бета-активних нуклідів не надто багато. Значущих з них досить мало. Прикладом може послужити калій-40 якого в природній суміші міститься лише 119/10000. Також природними бета-мінус-активними радіонуклідами з числа значущих є продукти альфа і бета-розпад урану і торію. Розпад бета має типовий приклад: торій-234 який при альфа-розпаді перетворюється в протактиний-234 а потім таким же чином стає ураном, але іншим його ізотопом під номером 234. Цей уран-234 знову через альфа-розпаду стає торієм, але вже інший його різновидом. Потім цей торій-230 стає радієм-226 який перетворюється на радон. І в тій же послідовності, аж до талію, лише з різними бета-переходами тому. Закінчується цей радіоактивний бета-розпад виникненням стабільного свинцю-206. Це перетворення має наступну формулу: Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206 Природними і значущими бета-активними радіонуклідами є До-40 і елементи від талія до урану.
Розпад бета-плюс
Також існує бета-плюс перетворення. Воно також називається позитронний бета-розпад. У ньому відбувається випущення з ядра частинки під назвою позитрон. Результатом стає перетворення початкового елемента в що стоїть зліва, який має менший номер.
Приклад
Коли відбувається електронний бета-розпад, магній-23 стає стабільним ізотопом натрію. Радіоактивний європій-150 стає самарием-150. Виникла реакція бета-розпаду може створити бета+ і бета - випромінювання. Швидкість вильоту частинок в обох випадках дорівнює 09 від швидкості світла.
Інші радіоактивні розпади
Не рахуючи таких реакцій, як альфа-розпад, бета-розпад, формула яких широко відома, існують і інші, більш рідкісні і характерні для штучних радіонуклідів процеси.
Нейтронний розпад . Відбувається випущення нейтральної частинки 1 одиниці маси. Під час нього один ізотоп перетворюється в інший з меншим масовим числом. Прикладом може стати перетворення літію-9 в літій-8 гелію-5 в гелій-4. При опроміненні гамма-квантами стабільного ізотопу йоду-127 він стає ізотопом з номером 126 і набуває радіоактивність.
Протонний розпад . Зустрічається вкрай рідко. Під час нього відбувається випущення протона, що має заряд +1 і 1 одиницю маси. Атомний вага стає менше на одне значення. Будь-радіоактивне перетворення, зокрема, радіоактивні розпади, супроводжуються виділенням енергії у формі гамма-випромінювання. Його називають гамма-квантами. У деяких випадках спостерігається рентгенівське випромінювання, має меншу енергію.
Гамма розпад. Являє собою потік гамма-квантів. Є електромагнітним випромінюванням, більш жорстким, ніж рентгенівське, яке застосовується в медицині. В результаті з'являються гамма-кванти, або потоки енергії атомного ядра. Рентгенівське випромінювання також є електромагнітним, але виникає з електронних оболонок атома.
Пробіг альфа-частинок
Альфа-частинки з масою від 4 атомних одиниць і зарядом +2 рухаються прямолінійно. З-за цього можна говорити про пробіг альфа-частинок. Значення пробігу залежить від початкової енергії і коливається від 3 до 7 (іноді 13) см в повітрі. У щільному середовищі становить соту частку міліметра. Таке випромінювання не може пробити аркуш паперу і людську шкіру. З-за власної маси і зарядового числа альфа-частинка має найбільшу іонізуючу спроможність і руйнує все на шляху. У зв'язку з цим альфа-радіонукліди найбільш небезпечні для людей і тварин при впливі на організм.
Проникаюча здатність бета-частинок
У зв'язку з малим масовим числом, яке в 1836 разів менше протона, негативним зарядом і розміром, бета-випромінювання чинить слабку дію на речовину, через яке пролітає, але притому політ довше. Також шлях частинки не прямолінійний. У зв'язку з цим говорять про проникающейся здатності, яка залежить від отриманої енергії. Проникаючі здібності у бета-частинок, що виникли під час радіоактивного розпаду, в повітрі досягають 23 м, в рідинах підрахунок ведеться в сантиметрах, а у твердих тілах - в частках від сантиметри. Тканини організму людини пропускають випромінювання на 12 см в глибину. Для захисту від бета-випромінювання може послужити простий шар води до 10 див. Потік частинок з досить великою енергією розпаду в 10 Мев майже весь поглинається такими шарами: повітря - 4 м; алюміній - 22 см; залізо - 755 мм; свинець - 52 мм. Враховуючи малі розміри частинок бета-випромінювання мають невелику іонізуючу спроможність в порівнянні з альфа-частинками. Проте при потраплянні всередину вони набагато небезпечніші, ніж під час зовнішнього опромінення. Найбільші проникаючі показники серед усіх видів випромінювань в даний час має нейтронне і гамма. Пробіг цих випромінювань у повітрі іноді досягає десятків і сотень метрів, але з меншими іонізуючими показниками. Більшість ізотопів гамма-квантів по енергії не перевищують показників в 13 Мев. Зрідка досягаються значення в 67 Мев. У зв'язку з цим для захисту від такого випромінювання використовуються шари зі сталі, бетону і свинцю для кратності ослаблення. Приміром, щоб десятикратно послабити гамма-випромінювання кобальту, необхідна свинцева захист товщиною близько 5 см, для 100-кратного ослаблення потрібно 95 див. Бетонна захист складе 33 і 55 см, а водна - 70 і 115 див. Іонізуючі показники нейтронів залежать від їх енергетичних показників. При будь-якій ситуації найкращим захисним методом від випромінювання стане максимальне віддалення від джерела і якомога менше часу в зоні високої радіації.
Поділ ядер атомів
Під діленням ядер атомів розуміється мимовільне, або під впливом нейтронів, поділ ядра на дві частини, приблизно рівні за розмірами. Ці дві частини стають радіоактивними ізотопами елементів основної частини таблиці хімічних елементів. Починаються від міді до лантаноїдів. Під час виділення виривається пара зайвих нейтронів і виникає надлишок енергії у формі гамма-квантів, що значно більше, ніж при радіоактивному розпаді. Так, при одному акті радіоактивного розпаду виникає один гамма-квант, а під час акту поділу з'являється 810 гамма-квантів. Також розлетілися осколки мають велику кінетичну енергію, що переходить в теплові показники. Вивільнені нейтрони здатні спровокувати поділ пари аналогічних ядер, якщо вони розташовані поблизу і нейтрони в них потрапили. У зв'язку з цим виникає ймовірність виникнення разветвляющей, прискореної ланцюгової реакції поділу атомних ядер і створення великої кількості енергії. Коли така ланцюгова реакція знаходиться під контролем, то її можна використовувати в певних цілях. Наприклад, для опалення або електроенергії. Такі процеси проводяться на атомних електростанціях і реакторах. Якщо втратити контроль над реакцією, то станеться атомний вибух. Подібне застосовується в ядерній зброї. В природних умовах є тільки один елемент - уран, який має лише один ділиться ізотоп з номером 235. Він є збройовим. У звичайному урановому атомному реакторі з урану-238 під впливом нейтронів утворюють новий ізотоп під номером 239 а з нього - плутоній, який є штучним і не зустрічається в природних умовах. При цьому виник плутоній-239 застосовується в збройових цілях. Цей процес поділу атомних ядер є суттю всього атомної зброї і енергетики. Такі явища, як альфа-розпад, бета-розпад, формула яких вивчається в школі, широко розповсюджені в наш час. Завдяки цим реакціям, існують атомні електростанції і багато інші виробництва, засновані на ядерній фізиці. Однак не варто забувати про радіоактивність багатьох таких елементів. При роботі з ними потрібно спеціальний захист і дотримання всіх заходів безпеки. В іншому випадку це може привести до непоправної катастрофи.
