Радіоактивність

Радіоактивність#

Відкриття радіоактивності#

Феномен радіоактивності був відкритий після виявлення рентгенівського випромінювання. Дослідники висунули гіпотезу, що рентгенівські промені можуть виникати при флуоресценції певних матеріалів під дією сонячного світла. Саме цю ідею використав французький науковець Анрі Антуан Беккерель (1852–1908) у своїх експериментах у лютому 1896 року, випадково обравши для дослідження уранову сіль.

Враховуючи здатність рентгенівських променів, на відміну від звичайного світла, проникати крізь непрозорі матеріали, Беккерель розмістив уранову сіль на загорнутій у чорний папір фотопластинці та виставив цю конструкцію на сонце. Проявивши фотопластинку, він виявив затемнення в місцях контакту з урановою сіллю. Це спостереження підтвердило, що уранова сіль дійсно випромінює промені з високою проникною здатністю.

Через несприятливі погодні умови Беккерель був змушений відкласти подальші експерименти, помістивши підготовлену фотопластинку з урановою сіллю та мідним хрестом у шухляду. Проявивши пластинку через три дні, він виявив неочікуваний результат – чіткий обрис хреста. Це відкриття довело, що уранова сіль самостійно, без зовнішніх впливів, генерує невидиме випромінювання.

Згодом це явище отримало назву радіоактивне випромінювання. Здатність речовин випромінювати такі промені була названа радіоактивністю, а ядра атомів, які мають цю властивість - радіонуклідами.

Термін "радіоактивність" був запроваджений у науковий обіг Марією Склодовською-Кюрі (1867–1934). Її дослідження розпочалися з питання: «Чи лише Уран здатний випромінювати "промені Беккереля"?». У 1898 році Марія Склодовська-Кюрі разом із чоловіком П'єром Кюрі (1859–1906) виявили два нові хімічні елементи – Радій і Полоній. Радіоактивність Радію виявилася в мільйони разів інтенсивнішою порівняно з Ураном, проте виділення достатньої для досліджень кількості цієї речовини виявилося надзвичайно складним завданням. Подружжю Кюрі знадобилося додаткові чотири роки кропіткої праці та переробка близько 11 тонн уранової руди, щоб отримати мінімальну кількість чистого Радію.

За свої відкриття в галузі радіоактивності подружжя Кюрі спільно з А. Беккерелем були удостоєні Нобелівської премії з фізики в 1903 році. Пізніше, у 1911 році, Марія Склодовська-Кюрі отримала ще й Нобелівську премію з хімії. В історії науки лише чотири особи стали двократними лауреатами Нобелівської премії.

Фізична природа радіоактивного випромінювання#

Експериментальні дослідження радіоактивних матеріалів виявили, що різні радіонукліди можуть випромінювати три основні типи променів:

\(\alpha\)-випромінювання - потоки позитивно заряджених масивних частинок, які є ядрами атомів Гелію;
\(\beta\)-випромінювання, що існує у двох формах: \(\beta^-\)-випромінювання - потоки негативно заряджених легких частинок (швидких електронів) та \(\beta^+\)-випромінювання - потоки позитивно заряджених легких частинок (швидких позитронів);
\(\gamma\)-випромінювання - електромагнітні хвилі надвисокої частоти.

Одним із ключових експериментів для вивчення природи радіоактивного випромінювання була схема на Рис. 1, де пучок радіоактивного випромінювання спрямовувався спочатку через потужне магнітне поле, а потім потрапляв на фотопластинку. Після проявлення на фотопластинці було чітко видно три окремі плями, що підтверджувало наявність трьох різних типів випромінювання від уранового зразка.

Рис. 1. Схема досліду з вивчення природи радіоактивного випромінювання. Це приблизний рисунок. Насправді альфа частинки повинні відхилятися ближче до спостерігача (а не вправо), а бета-частинки повинні відхилятись далі від спостерігача (а не вліво). Щоб у цьому переконатись, досить визначити напрямок сили Лоренца за правилом лівої руки. Wikimedia, CC BY-SA 4.0, Посилання. Wiki

Характеристики видів радіоактивного випромінювання

α-випромінювання Являє собою потік ядер атомів Гелію \(^4_2 \text{He}\), що рухаються зі швидкістю порядку \(10^7\) м/с.

\[q_α = +2e = +3.2 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}\]

\[m_α = 4.0 \text{ а.о.м.} = 6.6 \cdot 10^{-27} \text{ кг}\]

Alpha Decay.svg
Рис. 2. Альфа-розпад. Автор: Inductiveload - Власна робота, Суспільне надбання (Public Domain), Посилання. Wiki

\(\beta^-\)-випромінювання

Складається з потоку електронів \(^0_{-1}e\), що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла.

\[q(β^-)=-e = -1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}\]

\[m_e \approx 5.5 \cdot 10^{-4} \text{ а.о.м.} \approx 9.1 \cdot 10^{-31} \text{ кг}\]

\(\beta^+\)-випромінювання

Утворене потоком позитронів \(^0_{+1}e\), що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла.

\[q(β^+)= +e = +1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}\]

\[m(e^+) \approx 5.5 \cdot 10^{-4} \text{ а.о.м.} \approx 9.1 \cdot 10^{-31} \text{ кг}\]

Beta-minus Decay.svg
Рис. 3. Бета-мінус випромінювання. Автор: Inductiveload - Власна робота, Суспільне надбання (Public Domain), Посилання. Wiki

\(\gamma\)-випромінювання

\(\gamma\)-випромінювання представлене електромагнітними хвилями надзвичайно високої частоти (понад \(10^{19}\) Гц), які поширюються у вакуумі зі швидкістю \(3 \cdot 10^8\) м/с.

Зображення
Рис. 4. Гамма-промені (гамма-випромінювання). Автор: Inductiveload - Власна робота (Original text: self-made), Суспільне надбання (Public Domain), Посилання. Wiki

Важливо зазначити, що радіоактивне випромінювання неможливо виявити органами чуття людини, проте воно здатне спричинити серйозні руйнівні наслідки для організму. Від α- і β-випромінювання відносно легко захиститися: для блокування α-частинок достатньо тонкого аркуша паперу (товщиною 0.1 мм), а β-випромінювання повністю поглинається алюмінієвим шаром товщиною близько 1 мм. Найскладніше захиститися від γ-випромінювання, яке становить найбільшу небезпеку для людини.

Alfa beta gamma radiation.svg
Рис. 5. Альфа-частинки можна повністю зупинити за допомогою аркушу паперу, бета-частинки за допомогою алюмінієвого екрану. Гамма-промені можна зупинити лише із використанням значно істотнішої маси, такої як товстий шар свинцю. Автор: Stannered - Traced from this PNG image., CC BY 2.5, Посилання. Wiki

Правила радіоактивного зміщення#

Наукові дослідження показали, що радіоактивне випромінювання є результатом спонтанних трансформацій атомних ядер. Особливість цих перетворень полягає в тому, що вони відбуваються самовільно, без зовнішніх впливів. Процеси радіоактивного розпаду неможливо прискорити чи сповільнити, вони не залежать від зовнішніх чинників, таких як тиск, температура, магнітні та електричні поля, хімічні реакції чи освітлення.

Радіоактивність - властивість ядер радіонуклідів спонтанно перетворюватися на ядра інших елементів з одночасним випромінюванням мікрочастинок.

При випромінюванні \(\alpha\)- або \(\beta\)-частинок початкове ядро трансформується в ядро атома іншого хімічного елемента. Процеси \(\alpha\)- і \(\beta\)-розпаду часто супроводжуються \(\gamma\)-випромінюванням. Експериментальні дослідження дозволили встановити фундаментальні закономірності таких перетворень - правила радіоактивного зміщення:

При \(\alpha\)-розпаді загальна кількість нуклонів у ядрі зменшується на 4, а кількість протонів - на 2. У результаті утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на 2 одиниці менший за порядковий номер вихідного елемента:

\[^A_Z \text{X} \to ^4_2 \text{He} + ^{A-4}_{Z-2} \text{Y}\]

При \(\beta^-\)-розпаді загальна кількість нуклонів у ядрі залишається незмінною, але кількість протонів збільшується на 1. Утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на 1 одиницю більший за порядковий номер вихідного елемента:

\[^A_Z \text{X} \to ^0_{-1} e + ^A_{Z+1} \text{Y}\]

При \(\beta^+\)-розпаді загальна кількість нуклонів у ядрі залишається незмінною, але кількість протонів зменшується на 1. Утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на 1 одиницю менший за порядковий номер вихідного елемента:

\[^A_Z \text{X} \to ^0_{+1} e + ^A_{Z-1} \text{Y}\]

Під час \(\beta\)-розпаду, окрім електрона (або позитрона), з ядра випромінюється ще одна частинка - антинейтрино або нейтрино. Через надзвичайно малу масу та відсутність електричного заряду ці частинки дуже слабко взаємодіють з речовиною, що ускладнює їх виявлення в експериментальних умовах.

Основний закон радіоактивного розпаду#

Розглянемо герметично закриту посудину, що містить певну кількість Радону-220 – радіоактивного елемента, ядра якого спонтанно розпадаються з випромінюванням \(\alpha\)-частинок.

Чи можливо передбачити, яке конкретне ядро розпадеться першим або останнім? Відповідь – ні, це неможливо визначити, оскільки розпад окремого ядра радіонукліда є випадковою подією. Водночас, загальна поведінка сукупності радіоактивних атомів підпорядковується чітким статистичним закономірностям: кожен радіонуклід характеризується власним періодом піврозпаду (див. таблицю нижче). У випадку з Радоном-220, приблизно за 55.6 секунди кількість атомів Радону в посудині зменшиться вдвічі. За наступні 55.6 секунди половина решти атомів також розпадеться, і так далі. Таким чином, 55.6 секунди становлять період піврозпаду для Радону-220.

Періоди піврозпаду вибраних радіоактивних нуклідів

Радіонуклід	Період піврозпаду
Йод-131	8 діб
Калій-40	1.25 млрд років
Карбон-14	5700 років
Кобальт-60	5.3 року
Плутоній-239	24 тис. років
Радій-226	1600 років
Радон-220	55.6 секунди
Радон-222	3.8 доби
Стронцій-89	50.5 доби
Стронцій-90	28.9 року
Уран-235	0.7 млрд років
Уран-238	4.5 млрд років
Цезій-137	30 років

Період піврозпаду \(T_{1/2}\) - фізична величина, що є характеристикою радіонукліда та визначає час, протягом якого розпадається половина наявних ядер даного типу.

В Міжнародній системі одиниць (СІ) період піврозпаду вимірюється в секундах: \([T_{1/2}] = 1\) с (s).

Припустимо, що в початковий момент часу радіоактивний зразок містить \(N_0\) ядер певного радіонукліда. Внаслідок радіоактивного розпаду кількість цих ядер з часом зменшуватиметься.

Через час \(t_1\), рівний періоду піврозпаду \((t_1 = T_{1/2})\), кількість ядер, що не розпалися становитиме: \(N_1 = \frac{N_0}{2} = N_0 \cdot 2^{-1}\).
Ще через один період піврозпаду \((t_2 = 2T_{1/2})\) залишиться половина від \(N_1\): \(N_2 = \frac{N_1}{2} = \frac{N_0 \cdot 2^{-1}}{2} = N_0 \cdot 2^{-2}\);
через час \(t_3 = 3T_{1/2}\) кількість ядер становитиме: \(N_3 = \frac{N_2}{2} = \frac{N_0 \cdot 2^{-2}}{2} = N_0 \cdot 2^{-3}\).
Узагальнюючи, через \(n\) періодів піврозпаду \((t = nT_{1/2})\) у зразку залишиться \(N = N_0 \cdot 2^{-n}\) ядер радіонукліда.

Враховуючи, що \(n = \frac{t}{T_{1/2}}\), отримуємо основний закон радіоактивного розпаду:

\[N = N_0 \cdot 2^{- \frac{t}{T_{1/2}}}\]

де \(N\) - кількість ядер радіонукліда, що залишились у зразку через час \(t\); \(N_0\) - початкова кількість ядер; \(T_{1/2}\) - період піврозпаду; \(t\) - час від початку спостереження.

Активність радіонуклідів#

Розглянемо Радон-220 і Радон-222, які обидва є \(\alpha\)-радіоактивними (їхні ядра спонтанно розпадаються на \(\alpha\)-частинку та відповідне дочірнє ядро). Постає запитання: якщо кількість атомів Радону-220 і Радону-222 однакова, з якого зразка за одиницю часу вилетить більше α-частинок?

Фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості актів розпаду, що відбуваються в радіоактивному джерелі за одну секунду, називається активністю \(A\) цього джерела.

В СІ одиницею вимірювання активності є бекерель: \([A] = 1\) Бк (Bq).

1 Бк відповідає активності такого радіоактивного джерела, в якому відбувається 1 розпад за секунду: 1 Бк = 1 розпад/с = c⁻¹.

Оскільки 1 бекерель є дуже малою величиною активності, на практиці часто використовують позасистемну одиницю - кюрі (Кі): 1 Кі = \(3.7 \cdot 10^{10}\) Бк

Для зразка, що містить атоми лише одного типу радіонукліда, активність можна обчислити за формулою:

\[A = \lambda N\]

де \(N\) - кількість атомів радіонукліда в зразку в даний момент часу; \(\lambda\) - стала радіоактивного розпаду, характеристична величина для кожного радіонукліда, пов'язана з періодом піврозпаду співвідношенням:

\[\lambda = \frac{\ln 2}{T_{1/2}}\]

де \([\lambda] = \text{c}^{-1}\).

З плином часу в радіоактивному зразку кількість ядер, що не розпалися, поступово зменшується, що призводить до відповідного зниження активності зразка.

Вивчення ядерних реакцій#

У процесі будь-яких ядерних реакцій дотримуються фундаментальні закони збереження:

закон збереження електричного заряду;
закон збереження енергії-маси;
закон збереження імпульсу;
закон збереження масового числа.

Трансформацію атомних ядер внаслідок їхньої взаємодії з елементарними частинками або іншими ядрами називають ядерною реакцією.

Вперше ядерну реакцію реалізував Ернест Резерфорд у 1919 році. У цьому експерименті альфа-частинка (ядро Гелію) взаємодіяла з ядром Нітрогену, в результаті чого сформувалися ядро Оксигену та протон:

\[^{14}_7N + ^4_2He \rightarrow ^{17}_8O + ^1_1p\]

Чому саме альфа-частинки? Справа в тому, що альфа-частинки володіють колосальною швидкістю та здатні підійти до ядра на відстань, де починають діяти ядерні сили. Однак, у подальших експериментах науковці виявили, що енергія альфа-частинок недостатня для наближення до ядер з порядковим номером понад 19, оскільки зі зростанням заряду ядра посилюється кулонівське відштовхування.

Для дослідження таких ядер можна було б застосувати протони (їхній заряд удвічі менший), проте високошвидкісні протони в природі відсутні. Тоді виникла концепція створення пучків прискорених заряджених частинок. Перша ядерна реакція із застосуванням швидких протонів відбулася в лабораторії Резерфорда у 1932 році: при бомбардуванні літію швидкими протонами ядро Літію розщепилося на дві альфа-частинки:

\[^7_3Li + ^1_1p \rightarrow ^4_2He + ^4_2He\]

Значно більше можливостей для вивчення ядерних реакцій з'явилося після відкриття нейтрона (1932 рік): нейтрон не має електричного заряду, тому не зазнає відштовхування від ядра, отже, його непотрібно прискорювати. При дослідженні реакцій з нейтронами було встановлено, що повільний нейтрон поглинається ядром ефективніше, ніж швидкий. Цей феномен експериментально виявила група молодих італійських фізиків під керівництвом Енріко Фермі (1901-1954) у 1934 році. Саме використання повільних нейтронів дало можливість згодом створити ядерний реактор.

Здійснення першої ядерної реакції

У 1919 році Резерфорд помітив, що при проходженні альфа-частинок через повітря утворюються протони. Резерфорд висунув два припущення, щоб це пояснити:

альфа-частинка як швидкий "снаряд" вибиває протон з ядра Нітрогену (азот становить близько 80% повітря), і ядро перетворюється на ядро Карбону:

\[^{14}_7N + ^4_2He \rightarrow ^4_2He + ^{13}_6C + ^1_1p\]

альфа-частинка поглинається ядром Нітрогену, нове ядро випускає протон і трансформується в ядро Оксигену:

\[^{14}_7N + ^4_2He \rightarrow ^{17}_8O + ^1_1p\]

Правильним виявилося друге припущення - відповідну реакцію через кілька років спостерігали в камері Вільсона.

Одержання радіоактивних ізотопів#

Ізотопи - це атоми одного хімічного елемента, ядра яких містять однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Відповідно радіоактивні ізотопи - це атоми одного хімічного елемента, ядра яких здатні спонтанно трансформуватися в ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок і гамма-випромінювання-.

Перший штучний радіоактивний ізотоп - Фосфор-30 (\(^{30}_{15}P\)) - був отриманий подружжям Ірен та Фредеріком Жоліо-Кюрі у 1934 році. Опромінюючи алюміній альфа-частинками, вони зафіксували випускання нейтронів:

\[^{27}_{13}Al + ^4_2He \rightarrow ^{30}_{15}P + ^1_0n\]

Jдночасно з нейтронами випромінювалися позитрони.

Наявність позитронів свідчила про те, що утворене ядро Фосфору-30 було бета-плюс-радіоактивним:

\[^{30}_{15}P \rightarrow ^{30}_{14}Si + ^0_1e + ν\]

Для кожного хімічного елемента за допомогою ядерних реакцій отримані штучні радіоактивні ізотопи. Більшість природних і штучних радіоактивних ядер є бета-мінус-радіоактивними.

Природні та штучні радіоактивні ізотопи широко застосовуються в медицині, сільському господарстві, промисловості, енергетиці тощо. Виділяють три основні напрями використання радіоактивних ізотопів.

1. Застосування радіоактивних ізотопів як міток (індикаторів). Радіоактивність слугує своєрідним маркером, що дозволяє виявити присутність елемента, відстежити його "переміщення" під час фізичних та біологічних процесів тощо.

2. Застосування радіоактивних ізотопів як джерел гамма-випромінювання. Гамма-випромінювання використовують для знищення мікроорганізмів (гамма-стерилізація), виявлення внутрішніх дефектів металів (гамма-дефектоскопія), лікування онкологічних захворювань. Опромінення насіння малими дозами гамма-випромінювання сприяє істотному збільшенню врожайності, а великі дози можуть спричинити мутації та появу рослин із покращеними характеристиками (радіоселекція).

3. Застосування радіоактивних ізотопів як джерел ядерної енергії. Наприклад, як ядерне паливо широко використовують Плутоній - трансурановий елемент, який практично відсутній у земній корі. Розглянемо процес захоплення нейтрона ядром Урану-238:

\[^{238}_{92}U + ^1_0n \rightarrow ^{239}_{92}U \rightarrow ^{239}_{93}Np + ^0_{-1}e\]

\[^{239}_{93}Np \rightarrow ^{239}_{94}Pu + ^0_{-1}e\]

Загальні принципи роботи детекторів іонізуючого випромінювання#

В основі роботи більшості детекторів лежить один з двох основних ефектів, які іонізуюче випромінювання спричиняє в речовині:

Іонізація: Заряджені частинки (альфа, бета, протони) або фотони (гамма, рентгенівське випромінювання) при проходженні через речовину відривають електрони від атомів або молекул, створюючи пари позитивно заряджених іонів та вільних електронів.
Збудження: Частинки або фотони передають частину своєї енергії атомам або молекулам, переводячи їх у збуджений стан. Повертаючись в основний стан, ці атоми/молекули можуть випромінювати світло (люмінесценція).

Детектори фіксують ці ефекти, перетворюючи їх на сигнал, який можна виміряти (зазвичай електричний імпульс або струм).

Основні типи пристроїв та принципи їх роботи:

Газорозрядні лічильники

Принцип роботи: Іонізація газу всередині детектора.

Іонізаційна камера. Між двома електродами, до яких прикладена напруга, знаходиться газ. Іонізуюче випромінювання створює іони та електрони в газі. Електричне поле змушує їх рухатися до відповідних електродів, створюючи слабкий електричний струм. Величина цього струму пропорційна інтенсивності випромінювання (потужності дози). Газового підсилення немає. Приклади: Дозиметри для вимірювання високих рівнів радіації, калібрувальні прилади.

Пропорційний лічильник. Схожий на іонізаційну камеру, але напруга між електродами вища. Електрони, утворені первинною іонізацією, прискорюються настільки, що самі починають іонізувати газ. Кількість вторинних іонів пропорційна початковій енергії частинки. Це дозволяє не тільки реєструвати частинки, але й визначати їхню енергію. Приклади: Лабораторні прилади для спектрометрії альфа- і бета-випромінювання, детектори нейтронів (з наповнювачем BF₃ або ³He).

Лічильник Гейгера-Мюллера (найвідоміший). Напруга між електродами ще вища, ніж у пропорційному лічильнику. Будь-яка іонізуюча частинка, що потрапляє в робочий об'єм, викликає лавинний газовий розряд по всьому об'єму лічильника. В результаті утворюється сильний електричний імпульс, амплітуда якого не залежить від енергії початкової частинки. Лічильник реєструє сам факт потрапляння частинки. Характерне "клацання" дозиметрів - це звукове відтворення цих імпульсів. Приклади: Побутові дозиметри-радіометри, пошукові радіометри.
Сцинтиляційні лічильники

Принцип роботи: Збудження атомів спеціальної речовини (сцинтилятора) з наступним випромінюванням світла (сцинтиляцією).

Іонізуюче випромінювання, потрапляючи в сцинтилятор (кристал, пластик або рідина), викликає в ньому короткочасні спалахи світла. Ці спалахи світла реєструються фотопомножувачем (ФЕП) або фотодіодом, який перетворює їх на електричні імпульси. Амплітуда імпульсу зазвичай пропорційна енергії, поглинутій сцинтилятором. Приклади: Гамма-спектрометри (наприклад, з кристалами NaI(Tl) або CsI(Tl)), детектори в медичних томографах (ПЕТ, ОФЕКТ), портативні пошукові прилади.
Напівпровідникові детектори

Принцип роботи: Іонізація в об'ємі напівпровідника.

Іонізуюче випромінювання, проходячи через напівпровідниковий матеріал (зазвичай кремній Si або германій Ge), створює в ньому пари електрон-дірка (аналоги іонів та електронів у газі). Під дією прикладеного електричного поля ці носії заряду рухаються до електродів, створюючи електричний імпульс. Амплітуда імпульсу пропорційна енергії частинки. Мають дуже високу енергетичну роздільну здатність. Приклади: Спектрометри високої роздільної здатності для гамма- та рентгенівського випромінювання (HPGe-детектори, часто потребують охолодження рідким азотом), кремнієві детектори для реєстрації заряджених частинок.
Інші типи (менш поширені для загального використання або специфічні)

Трекові детектори (камера Вільсона, бульбашкова камера, іскрова камера): Дозволяють візуалізувати траєкторії (треки) заряджених частинок. Мають переважно історичне або науково-дослідне значення.

Фотографічні методи (плівкові дозиметри): Іонізуюче випромінювання викликає почорніння фотоемульсії, ступінь якого пропорційний поглинутій дозі. Приклади: Індивідуальні плівкові дозиметри для персоналу, що працює з джерелами випромінювання.

Термолюмінесцентні дозиметри (ТЛД): Деякі матеріали (люмінофори) накопичують енергію іонізуючого випромінювання, а при нагріванні випромінюють світло, інтенсивність якого пропорційна поглинутій дозі. Приклади: Індивідуальні дозиметри (часто у вигляді маленьких таблеток або пластинок), дозиметрія навколишнього середовища.

Хімічні дозиметри: Використовують зміну хімічних властивостей речовин під дією випромінювання. Застосовуються для вимірювання великих доз.