Закон радиоактивного распада: из чего состоит и как применяется

Радиоактивность - удивительное явление самопроизвольного распада атомных ядер с испусканием излучения. Это фундаментальное свойство материи было открыто случайно и поразило ученых. Давайте разберемся, что же представляет собой радиоактивность и закон ее распада.

История открытия радиоактивности

В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель экспериментировал с солями урана. Он обнаружил, что эти вещества испускают невидимые лучи, засвечивающие фотопластинку сквозь бумагу или тонкий слой металла. Это явление Беккерель назвал "урановым излучением" .

Через два года семейная пара Пьер и Мария Кюри выделили из урановой руды новые химические элементы, обладающие гораздо бо́льшей радиоактивностью, чем уран. Это были полоний и радий. За исследования в этой области супруги Кюри вместе с Беккерелем получили Нобелевскую премию по физике в 1903 году.

Мария Кюри предложила термин "радиоактивность" - от латинского слова radius что означает "луч".

В следующие годы были открыты три основных вида излучения радиоактивных веществ:

• Альфа-частицы - ядра гелия;
• Бета-частицы - поток электронов или позитронов;
• Гамма-лучи - электромагнитное излучение.

Их свойства подробно изучил выдающийся физик Эрнест Резерфорд в период с 1899 по 1907 годы. Он же ввел термин "радиоактивный распад" - самопроизвольное превращение химических элементов.

Закон радиоактивного распада: математическое выражение

В 1903 году Фредерик Содди и Эрнест Резерфорд установили, что скорость распада радиоактивного вещества пропорциональна его количеству в данный момент времени. Этот фундаментальный закон природы они выразили формулой:

dN/dt = -λN

Здесь N - число нераспавшихся ядер, λ - постоянная распада, а dN/dt показывает, сколько ядер распалось за малый промежуток времени dt. Отрицательный знак означает, что N со временем уменьшается.

Другим важнейшим понятием является период полураспада - это время, за которое распадается ровно половина первоначального числа ядер данного радиоактивного изотопа. Обозначается T_1/2 и выражается через λ так:

T1/2 = ln2/λ

Например, у урана-238 период полураспада составляет 4,5 миллиарда лет. Это очень "медленный" изотоп, в то время как другие распадаются гораздо быстрее.

Таким образом, закон радиоактивного распада носит вероятностный характер. Невозможно предугадать судьбу отдельного атома, можно лишь оценить среднее поведение большого числа атомов.

Виды радиоактивного распада

Существует несколько разновидностей спонтанных ядерных превращений - видов радиоактивного распада. Рассмотрим основные из них.

Альфа-распад

При альфа-распаде атомное ядро испускает частицы гелия, то есть ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Например:

^{238}_{92}U → ^{234}_{90}Th + ^4_2He

Здесь уран-238 превращается в изотоп тория с массовым числом 234, выбросив альфа-частицу. Такой распад характерен для тяжелых ядер.

Бета-распад

Бета-распад бывает двух типов - бета-минус и бета-плюс.

При бета-минус распаде ядро превращается в изотоп соседнего элемента с тем же массовым числом, испуская электрон и нейтрино:

^14_6C → ^14_7N + e− + ν̅

В случае бета-плюс распада ядро испускает позитрон - античастицу электрона:

^15_7N → ^15_6C + e+ + ν

Такой распад наблюдается у ядер с избытком протонов.

Гамма-излучение

Помимо частиц, атомные ядра могут испускать высокоэнергетическое электромагнитное гамма-излучение. Оно не изменяет заряд и массовое число ядра, а лишь его энергетическое состояние:

^198_79Au* → ^198_79Au + γ

Здесь звездочка означает возбужденное ядро золота.

Таким образом, при радиоактивном распаде ядра могут испускать как частицы - альфы, беты, так и гамма-кванты. Эти процессы лежат в основе закона радиоактивного распада.

Природные и искусственные радиоактивные изотопы

В природе существует около 50 радиоактивных изотопов различных химических элементов. К ним относятся изотопы урана, радия, радона, тория и других тяжелых металлов.

Например, уран встречается в природе в виде смеси трех изотопов: 238U (99,3%), 235U (0,7%) и 234U (0,006%). Период полураспада 238U составляет 4,5 млрд лет. Именно за счет медленного распада этого долгоживущего изотопа в недрах Земли вырабатывается тепло, поддерживающее тектоническую активность.

Помимо природных, существует огромное количество искусственно полученных радиоактивных изотопов. Их синтезируют в ядерных реакторах и ускорителях частиц для использования в науке, медицине и промышленности.

Цепочки радиоактивных превращений

Многие радиоактивные изотопы претерпевают не один, а серию последовательных распадов с образованием новых изотопов. Такие последовательности называются радиоактивными цепочками или рядами.

Например, уран-238 в результате альфа-распада превращается в торий-234, затем в протактиний-234 и так далее вплоть до свинца-206, который уже стабилен. Всего в ряду урана-238 насчитывается 14 ступеней распада!

Применение радиоактивных изотопов

Искусственные радиоактивные изотопы широко используются в качестве индикаторов и меток при исследовании химических, биологических и физических процессов. Благодаря своим уникальным свойствам они позволяют получать важнейшую информацию в таких областях как медицина, сельское хозяйство, археология, геология и других.

Одно из главных преимуществ радиоактивных индикаторов - возможность их точного обнаружения и измерения даже при сверхмалых концентрациях с помощью приборов - радиометров и сцинтилляторов.

Датирование по радиоактивному углероду 14C

Космические лучи постоянно превращают атомы азота верхних слоев атмосферы Земли в радиоактивный изотоп углерода 14C. Он входит в состав углекислого газа, усваивается растениями при фотосинтезе и попадает в пищевые цепочки живых организмов.

После гибели организма поступление 14С прекращается и его концентрация понижается согласно закону радиоактивного распада. Замерив остаточное содержание 14С в образце, можно вычислить время его гибели - применяется в археологии.