Радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Виды распада

✪ РАДИОАКТИВНОСТЬ физика

✪ Урок 467. Закон радиоактивного распада

✪ Радиоактивность. Ядерные реакции

✪ Ядерные силы Энергия связи частиц в ядре Деление ядер урана Цепная реакция

Субтитры

Все, что мы до сих пор обсуждали, изучая химию, основывалось на стабильности электронов, и на том, где они, скорее всего, находятся в устойчивых оболочках. Но если продолжить изучение атома, выяснится, что в атоме находятся и действуют не только электроны. Взаимодействия происходят в самом ядре, ему свойственна нестабильность, которую оно стремится ослабить. Это и станет темой нашего видеоурока. На самом деле, изучение этих механизмов не входит в программу по химии для первокурсников, но лишними эти знания точно не будут. Когда мы будем изучать сильные ядерные взаимодействия, квантовую физику и тому подобное, мы еще подробно рассмотрим, почему протоны, нейтроны и кварки, из которых состоят ядра атомов, взаимодействуют именно таким образом. А сейчас представим, каким образом ядро вообще может распадаться.. Начнем с пучка протонов. Я нарисую несколько. Это протоны, а тут будут нейтроны. Нарисую их каким-нибудь подходящим цветом. Серый цвет – то, что надо. Итак, вот они, мои нейтроны. Сколько у меня протонов? У меня 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Значит, будет 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 нейтронов. Допустим, это ядро атома. Это, кстати, самый первый ролик об атомном ядре. Вообще, нарисовать атом, на самом деле, очень трудно, ведь у него нет четко определенных границ. Электрон в любой момент времени может находиться где угодно. Но если говорить о месте нахождения электрона 90% времени, то им будет радиус или диаметр атома. Мы уже давно знаем, что ядро - это бесконечно малая часть объема той сферы, где электрон находится 90% времени. А из этого следует что практически все, что мы видим вокруг, это пустое пространство. Все это - пустое пространство. Я говорю об этом, потому что это бесконечно малое пятнышко, даже несмотря на то, что оно является очень малой долей объема атома, его масса составляет почти всю массу атома - это очень важно. Это не атомы, это не электроны. Мы проникаем в ядро. Оказывается, иногда ядро бывает нестабильно и стремится достичь более устойчивой конфигурации. Мы не будем углубляться в детали причин неустойчивости ядра. Но, просто скажу, что иногда оно испускает так, называемые альфа-частицы. Это явление называется альфа-распадом. Запишем. Альфа-распад. Ядро испускает альфа-частицу, звучит фантастично. Это просто совокупность нейтронов и протонов. А альфа-частица – это два нейтрона и два протона. Возможно, они чувствуют, что они здесь не помещаются, вот эти, например. И происходит эмиссия. Они покидают ядро. Рассмотрим, что происходит с атомом, когда случается что-то подобное. Возьмем случайный элемент, назовем его Е. У него есть P - протоны. Нарисую буквы таким же цветом, что и протоны. Итак, вот - протоны. Естественно, у элемента Е есть массовое число атома, равное сумме протонов и нейтронов. Нейтроны серые. Происходит альфа-распад, что же будет с этим элементом? Что же будет с этим элементом? Количество протонов уменьшается на два. Поэтому количество протонов составит р минус 2. И число нейтронов тоже уменьшается на два. Итак, здесь у нас р минус 2, плюс наши нейтроны минус 2, то есть, всего минус 4. Масса уменьшается на четыре, и прежний элемент превращается в новый. Помните, что элементы определяются количеством протонов. При альфа-распаде вы теряете два нейтрона и два протона, но именно протоны превращают этот элемент в другой. Если мы назовем этот элемент 1, что я и собираюсь сделать, то теперь у нас будет новый элемент, элемент 2. Смотрите внимательно. Происходит эмиссия чего-то, что имеет два протона, и два нейтрона. Поэтому его масса будет равна массе двух протонов и двух нейтронов. Что же это? Отделяется что-то, имеющее массу четыре. Что содержит два протона и два нейтрона? Сейчас у меня нет периодической системы элементов. Я забыл ее вырезать и вставить перед съемкой этого видеоролика. Но вы быстро найдете в периодической таблице элемент, имеющий два протона, и этот элемент – гелий. Его атомная масса действительно четыре. Действительно, при альфа-распаде происходит эмиссия именно ядра гелия. Это ядро гелия. Так как это ядро гелия, у него нет электронов, чтобы нейтрализовать заряд протонов, это ион. У него нет электронов. У него только два протона, поэтому он имеет заряд плюс 2. Подпишем заряд. Альфа-частица – это просто ион гелия, ион гелия с зарядом плюс 2, самопроизвольно испускаемый ядром для достижения более устойчивого состояния. Это один вид распада. Теперь другие.. Рисуем еще одно ядро. Нарисую нейтроны. Нарисую протоны. Иногда получается так, что нейтрон чувствует себя неуютно. Он каждый день смотрит на то, что делают протоны, и говорит, знаете, что? Почему-то, когда я прислушиваюсь к себе, я чувствую, что на самом деле должен быть протоном. Если бы я был протоном, все ядро было бы немного устойчивее. И что он делает, чтобы стать протоном? Помните, нейтрон имеет нейтральный заряд? Вот что он делает, он испускает электрон. Это кажется сумасшествием. Электроны в нейтронах и все такое. И я согласен с вами. Это сумасшествие. И однажды мы изучим все, что находится внутри ядра. А пока просто скажем, что нейтрон может испустить электрон. Что он и делает. Итак, вот электрон. Мы принимаем его массу за равную нулю.. На самом деле это не так, но мы говорим сейчас о единицах атомной массы. Если масса протона – один, то масса электрона в 1836 раз меньше. Поэтому мы принимаем его массу за ноль. Хоть это и не так. А его заряд – минус 1. Итак, вернемся к процессу. Нейтрон испускает электрон. Конечно, нейтрон не остается нейтральным, а превращается в протон. Это называется бета-распадом. Запишем этот вид. Бэта-распад. А бета-частица – на самом деле просто испускаемый электрон. Вернемся к нашему элементу. У него есть определенное количество протонов и нейтронов. Вместе они составляют массовое число. Что происходит, когда он подвергается бета-распаду? Изменяется ли количество протонов? Конечно, у нас на один протон больше, чем было, потому что один нейтрон превратился в протон. Количество протонов увеличилось на 1. Изменилось ли массовое число? Посмотрим. Количество нейтронов уменьшилось на один, а количество протонов увеличилось на один. Поэтому массовое число не изменилось. Оно по-прежнему составляет Р плюс N, то есть, масса остается неизменной, в отличие от ситуации с альфа-распадом, но сам элемент изменяется. Количество протонов изменяется. В результате бета-распада мы снова получаем новый элемент. Теперь другая ситуация. Допустим, один из этих протонов смотрит на нейтроны и говорит, знаете, что? Я вижу, как они живут. Мне это очень нравится. Думаю, мне было бы удобнее, а наша группа частиц внутри ядра была бы счастливее, если бы я тоже был нейтроном. Все мы находились бы в более устойчивом состоянии. И что он делает? У этого испытывающего неудобства протона есть возможность испустить позитрон, а не протон. Он испускает позитрон. А что это такое? Это частица, которая имеет точно такую же массу, как и электрон. То есть, его масса в 1836 раз меньше массы протона. Но здесь мы пишем просто ноль, потому что в единицах атомной массы она приближается к нулю. Но позитрон имеет положительный заряд. Немного путает то, что здесь все еще написано е. Когда я вижу е, я думаю, что это электрон. Но нет, эту частицу обозначают буквой е, потому что это частица того же типа, но, вместо отрицательного заряда, она имеет положительный заряд. Это позитрон. Подпишем. Начинает происходить что-то необычное с этими типами частиц и веществом, которые мы рассматриваем. Но это - факт. И если протон испускает эту частицу, то с ней практически уходит его положительный заряд, и этот протон превращается в нейтрон. Это называется эмиссией позитрона. Эмиссию позитрона представить довольно легко, В названии все сказано. Снова элемент Е, с определенным количеством протонов, и нейтронов. Каким должен быть этот новый элемент? Он теряет протон. P минус 1. Он превращается в нейтрон. То есть, количество P уменьшается на один. Количество N увеличивается на один. Поэтому масса целого атома не изменяется. Она составит P плюс N. Но у нас все еще должен получиться другой элемент, правильно? Когда происходит бета-распад, увеличивается количество протонов. Мы переместились вправо в периодической таблице, или увеличили, вы знаете, что я имею в виду. Когда происходит эмиссия позитрона, уменьшается количество протонов. Нужно это записать в обеих этих реакциях. Итак, это эмиссия позитрона, и остается один позитрон. А в нашем бета-распаде остается один электрон. Реакции записаны абсолютно одинаково. Вы знаете, что это электрон, потому что он имеет заряд минус 1. Вы знаете, что это позитрон, потому что он имеет заряд плюс 1. Остается один, последний тип распада, о котором вы должны знать. Но он не изменяет количество протонов или нейтронов в ядре. Он просто высвобождает огромное количество энергии, или, иногда, высокоэнергетический протон. Это явление называется гамма-распадом. Гамма-распад означает, что эти частицы меняют свою конфигурацию. Они немного сближаются. И сближаясь, выделяют энергию в виде электромагнитного излучения с очень маленькой длиной волны. По существу, можно называть это гамма- частицей или гамма-лучом. Это сверхвысокая энергия. Гамма-лучи очень опасны. Они могут вас убить. Все это была теория. Теперь решим пару задач и выясним, с каким типом распада мы имеем дело. Здесь у меня бериллий-7, где семь - это атомная масса. И я превращаю его в литий-7. Итак, что здесь происходит? Масса ядра бериллия остается неизменной, но количество протонов уменьшается с четырех до трех. Уменьшилось количество протонов бериллия. Общая масса не изменилась. Несомненно, это не альфа-распад. Альфа-распад, как вы знаете, это выделение гелия из ядра. Так что же выделяется? Выделяется положительный заряд, или позитрон. Здесь это показано с помощью уравнения. Это позитрон. Поэтому этот тип распада бериллия-7 до лития-7- это эмиссия позитрона. Все ясно. А теперь взглянем на следующий пример. Уран-238, распадающийся до тория-234. И мы видим, что атомная масса уменьшается на 4, и видим, что атомное число уменьшается, количество протонов уменьшается на 2. Вероятно, выделилось что-то, что имеет атомную массу четыре, и атомное число два, то есть, гелий. Значит это альфа-распад. Вот здесь – это альфа-частица. Это пример альфа-распада. Но тут не все так просто. Потому что, если из 92 протонов осталось 90 протонов, здесь осталось еще 92 электрона. Будет ли теперь заряд минус 2? И более того, гелий, который высвобождается, он же не имеет электронов. Это просто ядро гелия. Так будет ли заряд плюс 2? Задавая такой вопрос, вы будете абсолютно правы. Но на самом деле именно в момент распада у тория больше нет причин удерживать эти два электрона, поэтому эти два электрона исчезают, и торий опять становится нейтральным. А гелий очень быстро реагирует таким же образом. Ему очень нужны два электрона для устойчивости, поэтому он очень быстро захватывает два электрона и становится стабильным. Можно записать это любым способом. Рассмотрим еще один пример. Здесь у меня йод. Хорошо. Посмотрим, что происходит. Масса не изменяется. Протоны должны превратиться в нейтроны или нейтроны – превратиться в протоны. Мы видим, тут у меня 53 протона, а здесь - 54. Видимо, один нейтрон превратился в протон. Нейтрон, видимо, превратился в протон. А нейтрон превращается в протон, испуская электрон. И мы наблюдаем это во время этой реакции. Электрон высвободился. Значит, это бета-распад. Это бета-частица. Подписали. Действует та же логика. Подождите, вместо 53 стало 54 протона. Теперь, когда прибавился еще один протон, будет ли у меня положительный заряд? Да, будет. Но очень скоро – возможно, не именно эти электроны, вокруг вращается так много электронов – я захвачу электроны из какого-нибудь места, чтобы стать устойчивым, и снова обрету устойчивость. Но вы будете абсолютно правы, если зададите вопрос, не станет ли частица ионом на малую долю времени? Рассмотрим еще один пример. Радон-222 с атомным числом 86, который превращается в полоний -218, с атомным числом 84. Небольшое интересное отступление. Полоний назван так в честь Польши, потому что Мария Кюри, открывшая его, оттуда, в то время, примерно в конце 1800-х годов – Польша еще не существовала как отдельная страна. Ее территория была разделена между Пруссией, Россией и Австрией. И поляки очень хотели, чтобы люди знали – они – единый народ. Они сделали открытие, что, когда радон подвергается распаду, образуется этот элемент. И назвали его в честь своей родины, Польши. Это привилегия открытия новых элементов. Но вернемся к задаче. Итак, что произошло? Атомная масса уменьшилась на четыре. Атомное число уменьшилось на два. Еще раз повторю, видимо, высвободилась частица гелия. Ядро гелия имеет атомную массу четыре и атомное число два. Все ясно. Значит, это альфа-распад. Можно написать, что это ядро гелия. Оно не имеет электронов. Мы можем даже сразу сказать, что оно будет иметь отрицательный заряд, но затем оно его теряет. Subtitles by the Amara.org community

Теория

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, и ядро, возникающее в результате этого распада, называют соответственно материнским и дочерним ядрами. Изменение массового числа и заряда дочернего ядра по отношению к материнскому описывается правилом смещения Содди .

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц , назвали альфа-распадом ; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц , был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом . Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада, когда в результате первого этапа распада возникает дочернее ядро в возбуждённом состоянии, затем испытывающее переход в основное состояние с испусканием гамма-квантов.

Ядра с одинаковым массовым числом A (изобары) могут переходить друг в друга посредством бета-распада. В каждой изобарной цепочке содержится от 1 до 3 бета-стабильных нуклидов (они не могут испытывать бета-распад, однако не обязательно стабильны по отношению к другим видам радиоактивного распада). Остальные ядра изобарной цепочки бета-нестабильны; путём последовательных бета-минус- или бета-плюс-распадов они превращаются в ближайший бета-стабильный нуклид. Ядра, находящиеся в изобарной цепочке между двумя бета-стабильными нуклидами, могут испытывать и β − -, и β + -распад (или электронный захват). Например, существующий в природе радионуклид калий-40 способен распадаться в соседние бета-стабильные ядра аргон-40 и кальций-40:

19 40 K + e − → 18 40 Ar + ν e , {\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}+e^{-}\rightarrow {}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}+\nu _{e},} 19 40 K → 18 40 Ar + e + + ν e , {\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}\rightarrow {}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}+e^{+}+\nu _{e},} 19 40 K → 20 40 Ca + e − + ν ¯ e . {\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}\rightarrow {}_{20}^{40}{\textrm {Ca}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}

История открытия

Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем . Он занимался исследованием связи люминесценции и недавно открытых рентгеновских лучей .

Беккерелю пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана , фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом.

Впоследствии Беккерель испытал и другие соединения и минералы урана (в том числе не проявляющие фосфоресценции), а также металлический уран. Пластинка неизменно засвечивалась. Поместив между солью и пластинкой металлический крестик, Беккерель получил слабые контуры крестика на пластинке. Тогда стало ясно, что открыты новые лучи, проходящие сквозь непрозрачные предметы, но не являющиеся рентгеновскими.

Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Таким образом, это свойство было присуще не соединениям, а химическому элементу - урану.

Своим открытием Беккерель делится с учёными, с которыми он сотрудничал. В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория , позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий .

Они выяснили, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран. Беккерель же вернулся к интересующим его люминофорам. Правда, он сделал ещё одно крупное открытие, относящееся к радиоактивности. Однажды для публичной лекции Беккерелю понадобилось радиоактивное вещество, он взял его у супругов Кюри и положил пробирку в жилетный карман. Прочтя лекцию, он вернул радиоактивный препарат владельцам, а на следующий день обнаружил на теле под жилетным карманом покраснение кожи в форме пробирки. Беккерель рассказал об этом Пьеру Кюри, и тот поставил на себе опыт: в течение десяти часов носил привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него тоже появилось покраснение, перешедшее затем в тяжелейшую язву, от которой он страдал в течение двух месяцев. Так впервые было открыто биологическое действие радиоактивности.

Но и после этого супруги Кюри мужественно делали своё дело. Достаточно сказать, что Мария Кюри умерла от лучевой болезни (дожив, тем не менее, до 66 лет).

В 1955 г. были обследованы записные книжки Марии Кюри. Они до сих пор излучают, благодаря радиоактивному загрязнению, внесённому при их заполнении. На одном из листков сохранился радиоактивный отпечаток пальца Пьера Кюри.

Закон радиоактивного распада

Закон радиоактивного распада - закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году . Современная формулировка закона:

d N d t = − λ N , {\displaystyle {\frac {dN}{dt}}=-\lambda N,}

что означает, что число распадов за интервал времени t в произвольном веществе пропорционально числу N имеющихся в образце радиоактивных атомов данного типа.

В этом математическом выражении λ - постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеет размерность −1 . Знак минус указывает на убывание числа радиоактивных ядер со временем. Закон выражает независимость распада радиоактивных ядер друг от друга и от времени: вероятность распада данного ядра в каждую следующую единицу времени не зависит от времени, прошедшего с начала эксперимента, и от количества ядер, оставшихся в образце.

Этот закон считается основным законом радиоактивности, из него было извлечено несколько важных следствий, среди которых формулировки характеристик распада - среднее время жизни атома и период полураспада .

Константа распада радиоактивного ядра в большинстве случаев практически не зависит от окружающих условий (температуры, давления, химического состава вещества и т. п.). Например, твёрдый тритий T 2 при температуре в несколько кельвинов распадается с той же скоростью, что и газообразный тритий при комнатной температуре или при температуре в тысячи кельвинов; тритий в составе молекулы T 2 распадается с той же скоростью, что и в составе тритированного валина. Слабые изменения константы распада в лабораторных условиях обнаружены лишь для электронного захвата - доступные в лаборатории температуры и давления, а также изменение химического состава способны несколько изменять плотность электронного облака в окружении ядра, что приводит к изменению скорости распада на доли процента. Однако в достаточно жёстких условиях (высокая ионизация атома, высокая плотность электронов, высокий химический потенциал нейтрино, сильные магнитные поля), труднодостижимых в лаборатории, но реализующихся, например, в ядрах звёзд, другие типы распадов тоже могут изменять свою вероятность.

Постоянство константы радиоактивного распада позволяет измерять возраст различных природных и искусственных объектов по распаду входящих в их состав радиоактивных ядер и накоплению продуктов распада. Разработан ряд методов радиоизотопного датирования , позволяющих измерять возраст объектов в диапазоне от единиц до миллиардов лет; среди них наиболее известны радиоуглеродный метод , уран-свинцовый метод , уран-гелиевый метод, калий-аргоновый метод и др.

Виды частиц, испускаемых при радиоактивном распаде

• лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами ;
• лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали β-лучами (существуют, однако, позитронные бета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);
• лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением .

Хотя в ходе исследований были обнаружены и другие типы частиц, испускающихся при радиоактивном распаде, перечисленные названия сохранились до сих пор, поскольку соответствующие типы распадов наиболее распространены.

При взаимодействии распадающегося ядра с электронной оболочкой возможно испускание частиц (рентгеновских фотонов, Оже-электронов, конверсионных электронов) из электронной оболочки. Первые два типа излучений возникают при появлении в электронной оболочке вакансии (в частности, при электронном захвате и при изомерном переходе с излучением конверсионного электрона) и последующем каскадном заполнении этой вакансии. Конверсионный электрон испускается в процессе изомерного перехода с внутренней конверсией, когда энергия, выделяющаяся при переходе между уровнями ядра, не уносится гамма-квантом, а передаётся одному из электронов оболочки.

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы , состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

Z A X → Z − 2 A − 4 Y + 2 4 He . {\displaystyle {}_{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow {}_{Z-2}^{A-4}{\textrm {Y}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

92 238 U → 90 234 Th + 2 4 He . {\displaystyle {}_{92}^{238}{\textrm {U}}\rightarrow {}_{90}^{234}{\textrm {Th}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Бета-распад

в одном из u -кварков в одном из протонов ядра в d -кварк ; следует отметить, что свободный протон не может распасться в нейтрон, это запрещено законом сохранения энергии, т.к. нейтрон тяжелее протона; однако в ядре такой процесс возможен, если разность масс материнского и дочернего атома положительна). Позитронный распад всегда сопровождается конкурирующим процессом - электронным захватом ; в этом процессе ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу. Однако обратное неверно: для многих нуклидов, испытывающих электронный захват (ε-захват), позитронный распад запрещён законом сохранения энергии . В зависимости от того, с какой из электронных оболочек атома (K, L, M,…) захватывается электрон при ε-захвате, процесс обозначается как К-захват, L-захват, M-захват, …; все они, при наличии соответствующих оболочек и достаточности энергии распада, обычно конкурируют, однако наиболее вероятен К-захват, поскольку концентрация электронов K-оболочки вблизи ядра выше, чем более удалённых оболочек. После захвата электрона образовавшаяся вакансия в электронной оболочке заполняется путём перехода электрона из более высокой оболочки, этот процесс может быть каскадным (после перехода вакансия не исчезает, а смещается на более высокую оболочку), а энергия уносится посредством рентгеновских фотонов и/или): 4 7 Be + e − → 3 7 Li + ν e . {\displaystyle {}_{4}^{7}{\textrm {Be}}+e^{-}\rightarrow {}_{3}^{7}{\textrm {Li}}+\nu _{e}.}

После позитронного распада и ε-захвата элемент смещается на 1 клетку к началу таблицы Менделеева (заряд ядра уменьшается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Двойной бета-распад

Наиболее редким из всех известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад , он обнаружен на сегодня лишь для одиннадцати нуклидов, и период полураспада для любого из них превышает 10 19 лет . Двойной бета-распад, в зависимости от нуклида, может происходить:

• с повышением заряда ядра на 2 (при этом испускаются два электрона и два антинейтрино, 2β − -распад)
• с понижением заряда ядра на 2, при этом испускаются два нейтрино и
  • два позитрона (двухпозитронный распад, 2β + -распад)
  • испускание одного позитрона сопровождается захватом электрона из оболочки (электрон-позитронная конверсия, или εβ + -распад)
  • захватываются два электрона (двойной электронный захват, 2ε-захват).

Предсказан, но ещё не открыт безнейтринный двойной бета-распад.

, 2 H , 3 H и 3 He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьё время жизни измеряется микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.

Большинство атомных ядер нестабильно. Рано или поздно они самопроизвольно (или, как говорят физики, спонтанно ) распадаются на более мелкие ядра и элементарные частицы, которые принято называть продуктами распада или дочерними элементами. Распадающиеся частицы принято именовать исходными материалами или родителями. У всех нам хорошо знакомых химических веществ (железо, кислород, кальций и т. п.) имеется хотя бы один стабильный изотоп. (Изотопами называются разновидности химического элемента с одним и тем же числом протонов в ядре — это число протонов соответствует порядковому номеру элемента, — но разным числом нейтронов.) Тот факт, что эти вещества нам хорошо известны, свидетельствует об их стабильности — значит, они живут достаточно долго, чтобы в значительных количествах накапливаться в природных условиях, не распадаясь на составляющие. Но у каждого из природных элементов имеются и нестабильные изотопы — их ядра можно получить в процессе ядерных реакций, но долго они не живут, поскольку быстро распадаются.

Распад ядер радиоактивных элементов или изотопов может происходить тремя основными путями, и соответствующие реакции ядерного распада названы тремя первыми буквами греческого алфавита. При альфа-распаде выделяется атом гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов, — его принято называть альфа-частицей. Поскольку альфа-распад влечет за собой понижение числа положительно заряженных протонов в атоме на два, ядро, испустившее альфа-частицу, превращается в ядро элемента, отстоящую на две позиции ниже от нее в периодической системе Менделеева . При бета-распаде ядро испускает электрон, а элемент продвигается на одну позицию вперед по периодической таблице (при этом, по существу, нейтрон превращается в протон с излучением этого самого электрона). Наконец, гамма-распад — это распад ядер с излучением фотонов высоких энергий, которые принято называть гамма-лучами. При этом ядро теряет энергию, но химический элемент не видоизменяется.

Однако сам по себе факт нестабильности того или иного изотопа химического элемента отнюдь не означает, что, собрав воедино некоторое число ядер этого изотопа, вы получите картину их одномоментного распада. В реальности распад ядра радиоактивного элемента чем-то напоминает процесс жарки кукурузы при изготовлении поп-корна: зерна (нуклоны) отпадают от «початка» (ядра) по одному, в совершенно непредсказуемом порядке, пока не отвалятся все. Закон, описывающий реакцию радиоактивного распада, собственно, только констатирует этот факт: за фиксированный отрезок времени радиоактивное ядро испускает число нуклонов, пропорциональное числу нуклонов, остающихся в его составе. То есть чем больше зерен-нуклонов всё еще остается в «недожаренном» початке-ядре, тем больше их выделится за фиксированный интервал времени «жарки». При переводе этой метафоры на язык математических формул мы получим уравнение, описывающее радиоактивный распад:

dN = λN dt

где dN — число нуклонов, испускаемых ядром с общим числом нуклонов N за время dt , а λ — экспериментально определяемая константа радиоактивности исследуемого вещества. Вышеприведенная эмпирическая формула представляет собой линейное дифференциальное уравнение, решением которого является следующая функция, описывающая число нуклонов, остающихся в составе ядра на момент времени t :

N = N 0 e -λt

где N 0 — число нуклонов в ядре на начальный момент наблюдения.

Константа радиоактивности, таким образом, определяет, насколько быстро распадается ядро. Однако физики-экспериментаторы обычно измеряют не ее, а так называемое время полураспада ядра (то есть срок за который исследуемое ядро испускает половину содержащихся в нем нуклонов). У различных изотопов различных радиоактивных веществ время полураспада варьируется (в полном соответствии с теоретическими предсказаниями) от миллиардных долей секунды до миллиардов лет. То есть некоторые ядра живут практически вечно, а некоторые распадаются буквально моментально (тут важно помнить, что по истечении времени полураспада остается половина совокупной массы исходного вещества, по истечении двух сроков полураспада — четверть его массы, по истечении трех сроков полураспада — одна восьмая и т. д.).

Что касается возникновения радиоактивных элементов, то рождаются они по-разному. В частности, ионосфера (верхний разреженный слой атмосферы) Земли подвергается постоянной бомбардировке космическими лучами, состоящими из частиц с высокими энергиями (см. Элементарные частицы). Под их воздействием долгоживущие атомы и расщепляются на неустойчивые изотопы: в частности, из стабильного азота-14 в земной атмосфере постоянно образуется неустойчивый изотоп углерода-14 с 6 протонами и 8 нейтронами в ядре (см. Радиометрическое датирование).

Но вышеописанный случай — скорее экзотика. Гораздо чаще радиоактивные элементы образуются в цепи реакций ядерного деления. Так называют череду событий, в ходе которых исходное («материнское») ядро распадается на два «дочерних» (также радиоактивных), те, в свою очередь, — на четыре ядра-«внучки» и т. д. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут получены стабильные изотопы. В качестве примера возьмем изотоп урана-238 (92 протона + 146 нейтронов) со временем полураспада около 4,5 млрд лет. Этот период, кстати, приблизительно равен возрасту нашей планеты, что означает, что примерно половина урана-238 из состава первичной материи формирования Земли по-прежнему находится в совокупности элементов земной природы. Уран-238 превращается в торий-234 (90 протонов + 144 нейтрона), время полураспада которого равно 24 суткам. Торий-234 превращается в палладий-234 (91 протон + 143 нейтрона) со временем полураспада 6 часов — и т. д. После десяти с лишним этапов распада получается, наконец, стабильный изотоп свинца-206.

О радиоактивном распаде можно говорить много, но особо отметить нужно несколько моментов. Во-первых, даже если мы возьмем в качестве исходного материала чистый образец какого-то одного радиоактивного изотопа, он будет распадаться на разные составляющие, и вскоре мы неизбежно получим целый «букет» различных радиоактивных веществ с различными ядерными массами. Во-вторых, естественные цепочки реакций атомного распада успокаивают нас в том смысле, что радиоактивность — явление природное, существовала она задолго до человека, и не нужно брать грех на душу и обвинять одну только человеческую цивилизацию в том, что на Земле имеется радиационный фон. Уран-238 существовал на Земле с самого ее зарождения, распадался, распадается — и будет распадаться, а атомные электростанции ускоряют этот процесс, фактически, на доли процента; так что никакого особо пагубного влияния дополнительно к тому, что предусмотрено природой, они на нас с вами не оказывают.

Наконец, неизбежность радиоактивного атомного распада сопряжена как с потенциальными проблемами, так и с потенциальными возможностями для человечества. В частности, в цепи реакций распада ядер урана-238 образуется радон-222 — благородный газ без цвета, запаха и вкуса, не вступающий ни в какие химические реакции, поскольку он не способен образовывать химические связи . Это инертный газ, и он буквально сочится из недр нашей планеты. Обычно он не оказывает на нас никакого действия — просто растворяется в воздухе и остается там в незначительной концентрации, пока не распадется на еще более легкие элементы. Однако если этот безвредный радон будет долго находиться в непроветриваемом помещении, то со временем там начнут накапливаться продукты его распада — а они для здоровья человека вредны (при вдыхании). Вот так мы получаем так называемую «радоновую проблему».

С другой стороны, радиоактивные свойства химических элементов приносят людям и значительную пользу, если подойти к ним с умом. Радиоактивный фосфор, в частности, теперь вводится в виде инъекций для получения радиографической картины костных переломов. Степень его радиоактивности минимальна и не причиняет вреда здоровью пациента. Поступая в костные ткани организма вместе с обычным фосфором, он излучает достаточно лучей, чтобы зафиксировать их на светочувствительной аппаратуре и получить снимки сломанной кости буквально изнутри. Хирурги, соответственно, получают возможность оперировать сложный перелом не вслепую и наугад, а заранее изучив структуру перелома по таким снимкам. Вообще же, применениям радиографии в науке, технике и медицине несть числа. И все они работают по одному принципу: химические свойства атома (по сути, свойства внешней электронной оболочки) позволяют отнести вещество к определенной химической группе; затем, используя химические свойства этого вещества, атом доставляется «в нужное место», после чего, используя свойство ядер этого элемента к распаду в строгом соответствии с установленным законами физики «графику», регистрируются продукты распада.

Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии, которая "уносится" с альфа- бета- и гамма-излучениями.

Все радиоактивные элементы подвержены радиоактивным превращениям.
В некоторых случаях у радиоактивного элемента наблюдается альфа- и бета-излучения одновременно.
Чаще химическому элементу присуще или альфа-излучение, или бета-излучение.
Альфа- или бета- излучения часто сопровождаются гамма- излучением.

Испускание радиоактивных частиц называется радиоактивным распадом.
Различают альфа-распад (с испусканием альфа-частиц), бета-распад (с испусканием бета-частиц), термина "гамма-распад" не существует.
Альфа- и бета-распады – это естественные радиоактивные превращения.

Альфа - распад

Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами, т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того, чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией.
При объединении двух протонов и двух нейтронов в альфа-частицу ядерные силы в подобном сочетании (между нуклонами частицы) являются наиболее крепкими, а связи с другими нуклонами слабее, поэтому альфа-частица способна "выйти" из ядра. Вылетевшая альфа-частица уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы.
В результате альфа-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, меньше.

То ядро, которое распадается, называют материнским, а образовавшееся дочерним.
Дочернее ядро оказывается обычно тоже радиоактивным и через некоторое время распадается.
Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор, пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.

Бета-распад

Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы - антинейтрино.
Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения.
Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов.

В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом.

Гамма - распад - не существует

В процессе радиоактивного излучения ядра атомов могут испускать гамма-кванты. Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома.

Гамма излучение зачастую сопровождает явления альфа- или бета-распада.
При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и, когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты (в оптическом или рентгеновском диапазоне волн).

Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается потерей массы и энергии ядра, атома и вещества в целом.
Доказательством того, что радиоактивное излучение несет энергию, является опыт, показывающий, что при поглощении радиоактивного излучения вещество нагревается.

33. Виды бета-распада.

Явление β-распада состоит в том, что ядро(A,Z) самопроизвольно испускает лептоны 1-го поколения – электрон (позитрон) и электронное нейтрино (электронное антинейтрино), переходя в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу большим или меньшим. При e-захвате ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из ближайшей к нему K-оболочки), испуская нейтрино.В литературе для e-захвата часто используется термин EC (Electron Capture).
Существуют три типа β-распада – β - -распад, β + -распад и е-захват.

Правило смещения при радиоактивном распаде в радиохимии и ядерной физике, которое также известно под названием закона Содди-Фаянса, представляет собой правило, определяющее превращение одного элемента в другой во время радиоактивного распада. Оно было изложено в 1913 году независимо двумя учеными: английским радиохимиком Фредериком Содди и американским физико-химиком с польскими корнями Казимиром Фаянсом.

Достижения Фредерика Содди в области радиоактивности

Содди вместе с Резерфордом стоит у истоков открытия радиоактивных атомных превращений. Так, в 1903 году Содди открыл, что радий в процессе своего распада излучает ядра гелия. Также этот ученый показал, что атомы одного и того же химического элемента могут иметь различные массы, что привело его к разработке концепции изотопов. Содди установил правила смещения химических элементов во время альфа- и бета- радиоактивных распадов, что стало важным шагом в понимании взаимосвязи между семействами радиоактивных элементов.

В 1921 году Фредерик Содди был удостоен Нобелевской премии по химии за важные открытия в области физики радиоактивных элементов и за исследования природы изотопов.

Работы Казимира Фаянса

Этот ученый провел важные исследования радиоактивности различных изотопов и разработал квантовую теорию электронной структуры молекул. В 1913 году одновременно с Фредериком Содди и независимо от него Фаянс открыл правила смещения, которые регулируют преобразование одних химических элементов в другие в процессе радиоактивных распадов. Также Фаянс открыл новый химический элемент - протактиний.

Понятие радиоактивности

Перед тем как рассмотреть законы радиоактивного распада и правила смещения, необходимо разобраться с понятием радиоактивности. В физике под этим словом понимают способность ядер некоторых химических элементов испускать излучение, обладающее следующими свойствами:

• способность проникать в человеческие ткани, оказывая разрушающее действие;
• способность ионизировать газы;
• стимуляция процесса флюоресценции;
• прохождение через различные твердые и жидкие тела.

Благодаря этим способностям обычно это излучение называют ионизирующим. Природа радиоактивного излучения может быть либо электромагнитной, например, рентгеновские лучи или гамма-излучение, либо носить корпускулярный характер, испускание ядер гелия, протонов, электронов, позитронов и других элементарных частиц.

Таким образом, радиоактивность - это феномен, наблюдаемый у нестабильных ядер атомов, которые спонтанно способны превращаться в ядра более стабильных элементов. Говоря простыми словами, нестабильный атом испускает радиоактивное излучение, чтобы стать стабильным.

Нестабильные атомные изотопы

Нестабильные изотопы, то есть атомы одного и того же химического элемента, которые обладают различной атомной массой, находятся в возбужденном состоянии. Это говорит о том, что они обладают повышенной энергией, которую стремятся отдать, чтобы перейти в равновесное состояние. Учитывая, что все энергии атома квантованы, то есть имеют дискретные значения, то и сам радиоактивный распад происходит за счет потери конкретной кинетической энергии.

Нестабильный изотоп в процессе радиоактивного распада переходит в более стабильный, но это не значит, что новое образованное ядро не будет обладать радиоактивностью, оно также может распадаться. Ярким примером этого процесса является ядро урана-238, которое за несколько столетий испытывает ряд распадов, превращаясь, в конце концов, в атом свинца. Отметим, что в зависимости от вида изотопа, он спонтанно может распадаться, как через миллионные доли секунды, так и через миллиарды лет, например, тот же уран-238 имеет период полураспада (время, за которое половина ядер распадается) равный 4,468 млрд лет, в то же время для изотопа калия-35 этот период равен 178 миллисекундам.

Различные виды радиоактивности

Применение того или иного правила радиоактивного смещения зависит от типа радиоактивного распада, который испытывает конкретный элемент. В общем случае выделяют следующие виды радиоактивности:

• альфа-распад;
• бета-распад;
• гамма-распад;
• распад с испусканием свободных нейтронов.

Все эти виды радиоактивного распада (за исключением испускания свободных нейтронов) установил новозеландский физик Эрнест Резерфорд еще в начале XX века.

Корпускулярные виды распада

Альфа-распад связан с испусканием ядер гелия-4, то есть речь идет о корпускулярном излучении, частицы которого состоят из двух протонов и двух нейтронов. Это означает, что масса этих частиц равна 4 в атомных единицах массы (АЕМ), а электрический заряд равен +2 в единицах элементарного электрического заряда (1 элементарный заряд в системе СИ равен 1,602*10 − 19 Кл). Испущенное ядро гелия до распада входило в состав ядра нестабильного изотопа.

Природа бета-распада заключается в испускании электронов, которые имеют массу 1/1800 АЕМ и заряд -1. Ввиду отрицательного заряда электрона, этот распад называют бета-отрицательным. В отличие от альфа-частицы электрон не существовал до распада в атомном ядре, а образовался в результате превращения в протон нейтрона. Последний остался в ядре после распада, а электрон покинул атомное ядро.

Впоследствии был обнаружен бета-положительный распад, который заключается в испускании позитрона-античастицы электрона. Радиоактивный позитрон образуется в результате обратной реакции, чем электрон, то есть протон в ядре превращается в нейтрон, теряя при этом свой положительный заряд.

В ряде радиоактивных превращений одного ядра в другое происходит испускание нейтронов различных энергий. Как и протон, нейтрон имеет массу 1 АЕМ (если быть более точным, то нейтрон на 0,137% тяжелее протона) и обладает нулевым электрическим зарядом. Таким образом, при данном типе распада ядро-родитель теряет только 1 единицу своей массы.

Гамма-распад в отличие от предыдущих видов распада имеет электромагнитную природу, то есть это излучение подобно рентгеновскому или видимому свету, однако, длина волны гамма-излучения намного меньше, чем у любой другой электромагнитной волны. Гамма-лучи не обладают массой покоя и зарядом. По сути, гамма-лучи - это лишняя энергия, которая существовала до распада в ядре атома, обуславливая его нестабильность. Химический элемент сохраняет свое положение в периодической таблице Д. И. Менделеева при гамма-распаде.

Правила радиоактивного смещения

Пользуясь этими правилами, можно легко определить, какой химический элемент должен получиться из данного родительского изотопа при определенном виде радиоактивного распада. Поясним эти правила смещения в физике:

• При альфа-распаде, поскольку ядро теряет 4 АЕМ массы и +2 единицы заряда, образуется химический элемент, стоящий на 2 позиции левее в периодической системе Д. И. Менделеева. Например, 92 U 238 = 90 Th 234 , здесь нижний индекс - заряд, верхний - масса ядра.
• В случае бета-отрицательного распада заряд материнского ядра увеличивается на 1 единицу, при этом масса остается неизменной (масса электрона, испускаемого в процессе этого распада, составляет всего 0,06% от массы протона). В данном случае правило смещения равновесия гласит, что должен образоваться изотоп химического элемента, стоящий на одну клетку правее от материнского элемента в таблице Д. И. Менделеева. Например, 82 Pb 212 = 83 Bi 212 .
• Правило смещения при бета-положительном распаде (излучение позитрона) гласит, что в результате этого процесса образуется химический элемент, который на 1 позицию стоит левее от материнского элемента, и имеет ту же массу ядра, что и он. Например, 7 N 13 = 6 C 13 .

Лекция 5. Радиоактивный распад. Общие закономерности

5.1. Сущность явления радиоактивности. Открытие и изучение явления радиоактивного распада явилось первым этапом на пути познания структуры ядра и свойств элементарных частиц. Развитие исследований в этой области проходило в возрастающем темпе, начиная с конца XIX в., и продолжается в настоящее время.

В 1896 г. Анри Беккерель открыл радиоактивность урана (92 U). Чуть позже было обнаружено, что радиоактивностью обладают и соединения тория (90 Th). В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри выделили из урановой руды радий (88 Ra) и полоний (84 Po), радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория. Однако природа радиоактивности стала понятной лишь после того, как Резерфорд и Содди показали, что радиоактивность элементов сопровождается их превращением в другие химические элементы (тем самым постулат о неизменяемости атомов был опровергнут).

Явление радиоактивности состоит в самопроизвольном распаде ядра с испусканием одной или нескольких частиц. В результате распада у ядра может измениться как заряд Z , так и массовое число А . Ядра, испытывающие самопроизвольный распад, называют радиоактивными , а не испытывающие – стабильными . Тем не менее, такое деление в значительной мере условно, и на практике радиоактивными считаются те ядра, распад которых может быть зарегистрирован существующими на данный момент физическими методами.

Область времен жизни радионуклидов охватывает промежутки времени от сколь угодно больших до заметно превышающих ядерное время τ я = 10 –22 секунды. Считается, что изменение состава ядра вследствие радиоактивного распада должно происходить не раньше, чем через 10 –12 с после его рождения: за это (очень большое в ядерном масштабе) время проходят все внутриядерные процессы, и ядро успевает полностью сформироваться. Если среднее время жизни ядра меньше, чем 10 –12 с, распад уже не принято считать радиоактивным. Так, при ядерных реакциях образуются короткоживущие агрегаты нуклонов, которые сильно возбуждены и распадаются настолько быстро, что не могут считаться сложившимися атомными ядрами.

Радиоактивный распад характеризуется скоростью его протекания, видом испускаемых частиц и их энергией, а при вылете из ядра нескольких частиц еще и относительными углами между направлениями вылета частиц. Различают следующие основные виды радиоактивного распада: 1) α-распад ; 2) β-распад ; 3) γ-распад ; 4) спонтанное деление . Существуют и некоторые другие виды распада, наблюдающиеся достаточно редко.

При α-распаде ядро испускает α-частицу ():

.

Образуется новое ядро, массовое число которого меньше, чем у исходного, на 4 единицы, а заряд – на 2 единицы, т.е. ΔА = –4, ΔZ = –2.

При β-распаде возможен один из трех следующих процессов:

а) испускание электрона и антинейтрино (β – -распад )

;

б) испускание позитрона и нейтрино (β + -распад )

;

в) захват орбитального электрона и испускание нейтрино (электронный захват )

.

Таким образом, в процессах β-распада ΔА = 0, а ΔZ = ±1 (знак «+» соответствует β – -распаду, а знак «–» β + -распаду и электронному захвату).

Изомерный переход – это испускание ядром фотона высокой энергии (γ-кванта ):

При этом заряд и массовое число ядра не изменяются, меняется лишь его энергетическое состояние.

Результатом спонтанного деления является образование двух сравнимых по массам осколков и испускание нескольких (двух-трех) нейтронов:

Необходимым (но не всегда достаточным) условием радиоактивного распада является энергетическая выгодность: масса распадающегося (материнского ) ядра должна превышать сумму масс образующегося (дочернего ) ядра и испускаемых частиц:

.

Отсюда следует, что радиоактивный распад – процесс экзотермический, т.е. идет с выделением энергии

Выделяющаяся энергия Е – это суммарная кинетическая энергия всех продуктов распада. Как уже отмечалось, само по себе условие положительности Е еще не достаточно для того, чтобы ядро претерпевало данный вид распада. Энергетически разрешенный распад может быть запрещен другим законами сохранения: момента импульса, электрического заряда и т.п. С другой стороны, в отсутствие строгого запрета любой энергетически выгодный процесс обязательно будет происходить с той или иной (пусть исчезающее малой) вероятностью.

5.2. Основной закон радиоактивного распада. Активность. Радиоактивный распад является следствием неустойчивости ядра, или, более точно, – его состояния. Повлиять на ход распада, не изменив состояния атомного ядра, нельзя, поэтому на радиоактивный распад не оказывают влияния ни изменение температуры, давления или агрегатного состояния вещества, ни электрические и магнитные поля, ни химические реакции, в которых участвует радионуклид.

Как показывают наблюдения, радиоактивный распад – процесс статистический. Так, например, в одних и тех же условиях за одинаковый промежуток времени можно зарегистрировать несколько распадов, а можно не зарегистрировать ни одного. Однако средняя скорость распада радионуклида, вычисленная по наблюдению очень большого числа распадов отдельных ядер, оказывается постоянной в любых независимых измерениях при любых условиях. В этом случае кинетика распада будет описываться следующим образом. Пусть в некоторый момент времени t имеется ансамбль из N одинаковых радиоактивных ядер. Предположим, что за время dt распадается dN ядер. Величина dN будет пропорциональна промежутку времени dt и числу ядер N :

где λ – коэффициент пропорциональности, характеризующий среднюю скорость распада данного радионуклида и называемый постоянной распада . Знак минус означает, что с течением времени число нераспавшихся ядер уменьшается. Разделив переменные и проинтегрировав, получаем:

, (5.3)

где N 0 – число радиоактивных ядер при t = 0. Равенство (5.3) носит название основного закона радиоактивного распада .

Постоянную распада λ можно связать со средним временем жизни радиоактивного ядра τ . Для этого изобразим кривую радиоактивного распада в координатах N /N 0 – t (рис. 5.1). В соответствии с математическим определением среднего значения функции (в интервале от 0 до 1),

.

Учитывая, что значение интеграла равно площади S (заштрихована на рис. 5.1), а также то, что площадь не зависит от способа ее вычисления, имеем:

.

Используя (5.3), находим значение последнего интеграла:

.

Таким образом, среднее время жизни ядра

В качестве характеристики скорости распада радионуклида на практике чаще используют другую величину – период полураспада Т 1/2 . Это время, в течение которого количество ядер уменьшается в два раза. Между периодом полураспада и постоянной распада также существует простая зависимость: из (5.3) после подстановки N = N 0 /2 и логарифмирования получаем

Подчеркнем еще раз, что постоянная распада λ – величина, не зависящая от времени, поскольку различные моменты времени ничем не выделены друг перед другом с точки зрения предстоящего распада ядра. В силу этого для радиоактивных ядер не существует понятия возраста: они не «стареют и не портятся». Получаемые в реакторах и ускорителях радионуклиды распадаются с той же средней скоростью, что и те же радионуклиды природного происхождения, образовавшиеся много лет назад. Именно поэтому период полураспада может использоваться для идентификации радионуклидов. Однако прежде чем перейти к методам измерения Т 1/2 , введем еще одно важное определение.

На практике часто приходится иметь дело с такими малыми количествами радионуклидов, когда привычные единицы измерения массы или количества вещества (грамм, моль и т.п.) оказываются более чем избыточными. С другой стороны, для определения количества радионуклида чаще всего используется регистрация испускаемого им излучения (α-, β-, γ-, нейтронов и т.п.). Поэтому целесообразнее характеризовать это количество единицами активности , т.е. числом ядер n , распадающихся за единицу времени. Активность радионуклида связана с количеством его ядер следующим образом:

. (5.6)

За единицу активности в системе СИ принимается один распад в секунду, или один беккерель (Бк). Часто используется и внесистемная единица – кюри (Ки). 1 Ки – активность такого радиоактивного образца, в котором за 1 секунду происходит 3,7·10 10 распадов (1 Ки = 3,7·10 10 Бк). Исторически своим появлением последняя единица обязана открытию радия: один кюри приблизительно соответствует активности одного грамма изотопа 226 Ra.

Экспериментальное определение периода полураспада (постоянной распада) радионуклида осуществляют, используя детекторы излучения ядер. Зная количество ядер N и измерив с помощью детектора активность А , можно определить постоянную распада из равенства (5.6). Такой метод абсолютного счета пригоден для долгоживущих радионуклидов, активность которых в течение эксперимента (в том числе, по определению N ) практически не изменяется. В противном случае используется метод прямого определения . Число частиц (α-, β-, γ- квантов, нейтронов), регистрируемых детектором за малые промежутки времени, пропорционально активности на момент измерения. В свою очередь,

. (5.7)

Таким образом, график зависимости скорости счета частиц детектором в полулогарифмических координатах – прямая, угловой коэффициент которой есть постоянная распада λ .

Метод прямого определения используют, когда период полураспада лежит в пределах от нескольких минут до нескольких дней или недель. Для более короткоживущих радионуклидов трудности, связанные с определением времени, прошедшего с начала эксперимента, в настоящее время помогают преодолеть электронные схемы, включающие и выключающие детектор через короткие и строго фиксированные промежутки времени.

5.3. Статистический характер радиоактивного распада. Как отмечалось выше, закон уменьшения числа радиоактивных ядер выполняется статистически, т.е. тем точнее, чем больше их количество. Отдельные же распады происходят совершенно случайно: предсказать, в какой момент времени распадется то или другое ядро, невозможно. Таким образом, количество распадов в единицу времени представляет собой случайную величину. В данном разделе мы найдем вид распределения этой случайной величины и установим, насколько велики могут быть отклонения скорости распада от среднего значения.

Рассмотрим распад в ансамбле из N 0 радиоактивных ядер в течение времени t . Ядра ансамбля можно разбить на две группы. В первую войдут те ядра, которые распадутся за время t , во вторую – те, которые не распадутся за это время. Вероятность распада одного ядра p = 1 – q . Тогда вероятность такого сложного события, когда по истечении времени t распадутся n ядер из N 0 , будет равна

, (5.8)

где – вероятность распада n ядер первой группы, – вероятность того, что ядер второй группы при этом не распадутся,

(5.9)

– число способов выбрать n ядер из общего числа N 0 . Зависимость W (n ) вероятности случайного события от количественной характеристики n в полученном нами виде носит название биномиального распределения дискретной случайной величины, поскольку может быть представлена как один из членов разложения бинома Ньютона:

(из последнего равенства видно, что сумма вероятностей всех возможных событий равна единице). Можно показать (см. ПРИЛОЖЕНИЕ Г), что для биномиального распределения среднее значение

. (5.10)

Реальное количество распадов, являясь случайной величиной, всегда более или менее отличается от среднего. Для оценки разброса значений случайной величины используется дисперсия D , определяемая как средний квадрат отклонения от среднего значения:

.

Для биномиального распределения

Закон биномиального распределения можно упростить, если выполняются следующие условия: n << N 0 и р << 1, т.е. если начальное количество ядер велико, а распадаются они не слишком часто. В этом случае биномиальное распределение переходит в распределение Пуассона

. (5.12)

В отличие от биномиального распределения (5.8), характеризующегося двумя параметрами (N 0 и р ), оно содержит только один параметр . Эксперименты по определению истинного числа распадов в единицу времени дают результаты, хорошо согласующиеся с таким распределением. Дисперсия случайной величины, распределенной по закону Пуассона,

Данный результат следует непосредственно из (5.11), если р << 1.

Распределение Пуассона определено для целочисленных значений n . При этом через соответствующие точки можно провести плавную кривую. Для малых значений получается несимметричная кривая. По мере увеличения , а значит, и числа точек, кривая становится все более симметричной, причем ее максимум приходится на (рис. 5.2). Таким образом, при >> 1 число распадов можно рассматривать как непрерывную случайную величину, распределенную нормально, или по закону Гаусса:

. (5.14)

Дисперсия нормального распределения (5.14) связана со средним значением так же, как и в распределении Пуассона: .

Вывод среднего и дисперсии биномиального распределения, а также связь между тремя распределениями даны в ПРИЛОЖЕНИИ Г.

Для определения доверительного интервала нормально распределенной величины n используют следующее выражение:

где k P – квантиль нормального распределения, соответствующий выбранной доверительной вероятности Р . На практике при обработке экспериментальных данных часто пользуются стандартным отклонением Δn , для которого k P = 1, а Р ≈ 0,683 (т.е. среднее число распадов с вероятностью 68,3% отличается от экспериментально полученного не более чем на ). Величина

представляет собой относительную ошибку измерения. Если в эксперименте зарегистрировано достаточно большое число распадов, то для определения ошибки вместо неизвестного среднего можно использовать само значение n . Так как , относительная ошибка

Отсюда следует, что для достижения заданного уровня точности измерения необходимо зарегистрировать 1/r 2 распадов (например, для измерения с 1%-ной ошибкой n должно быть равно 10 4).

Лекция 6. Радиоактивный распад. Общие закономерности (окончание)

6.1. Сложный распад. Последовательные и параллельные превращения. Обратимся теперь вновь к эксперименту по определению периода полураспада радионуклида. Статистический характер радиоактивного распада приводит к тому, что в реальных измерениях активности со сколь угодно совершенной аппаратурой экспериментальные точки, нанесенные на график в координатах lnA – t , всегда будут иметь разброс по обе стороны прямой, проведенной по методу наименьших квадратов. При этом следует убедиться, что стандартное отклонение не превышает , т.е. прямая лежит внутри доверительного интервала, определенного для каждой из точек. Если провести прямую не получается (рис. 6.1), то аппаратурой регистрируется более сложное явление, чем простой распад ядер одного и того же сорта. Рассмотрим различные виды сложного распада.

Во-первых, сложный распад может быть обусловлен тем, что исследуемое вещество содержит не один, а несколько различных радионуклидов. Тогда зависимость активности от времени будет выглядеть следующим образом:

где – активность i -го радионуклида в начальный момент времени. В случае смеси двух радионуклидов

Если периоды полураспада радионуклидов различаются достаточно сильно (λ 1 >> λ 2), то при малых t показатель экспоненты при А 02 близок к нулю. Тогда

При больших t можно пренебречь первым слагаемым под логарифмом в (6.1):

Таким образом, постоянные λ 1 и λ 2 определяются по угловым коэффициентам касательной к графику в точке t = 0 и асимптоты при (рис. 6.1).

Во-вторых, в результате распада материнского ядра Э 1 образующееся дочернее ядро Э 2 может также оказаться радиоактивным. В этом случае мы имеем дело с последовательностью радиоактивных превращений, например

Э 1 (l 1) → Э 2 (l 2) → Э 3 (l 3) → …

Количество дочерних ядер каждого вида как функция времени определяется, с одной стороны, скоростью их распада и, с другой стороны, скоростью их образования, равной скорости распада соответствующих материнских ядер. Тогда, в соответствии с (5.2), получаем следующую систему дифференциальных уравнений:

, (6.2)

и т.д. Ее решение для простейшего случая двух последовательных распадов при начальных условиях и имеет вид:

,

. (6.3)

Отметим, что первое слагаемое в (6.3) описывает изменение во времени числа дочерних ядер, уже существовавших к начальному моменту времени. Если (дочернего радионуклида еще нет), то суммарная активность будет определяться следующим выражением:

A. Пусть материнский радионуклид является короткоживущим по сравнению с долгоживущим дочерним, т.е. λ 1 >> λ 2 . Тогда из (6.4) получим

Это выражение по своему виду аналогично (6.1). Следовательно, зависимость активности от времени будет в этом случае выглядеть так же, как это изображено на рис. 6.1: материнский радионуклид очень быстро распадается, и долгоживущая активность определяется скоростью распада дочернего радионуклида.

B. Наибольший интерес представляет противоположный случай, когда дочерний радионуклид является короткоживущим по сравнению с долгоживущим материнским, т.е. когда λ 2 > λ 1 . Из (6.3) найдем, что

Логарифм суммарной активности выразится тогда как

Значение экспоненты во втором слагаемом быстро стремится к нулю, поэтому на начальном отрезке времени активность быстро увеличивается, а затем медленно спадает в соответствии с изменением А 1 (рис. 6.2).

Если время, прошедшее с момента t = 0, в несколько раз превышает период полураспада дочерних ядер, то

, (6.6)

Т.е. активности материнского и дочернего радионуклидов в любой момент времени равны с точностью до постоянного множителя λ 2 /(λ 2 – λ 1).

lnA

Соотношение (6.6) выражает закон радиоактивного равновесия . При активности материнского и дочернего радионуклидов практически равны: А 2 = А 1 . Если при этом рассматриваемый промежуток времени настолько мал по сравнению с периодом полураспада материнского радионуклида, что изменением его активности со временем можно пренебречь, говорят о вековом равновесии (в противном случае равновесие называют подвижным ). В состоянии векового равновесия скорость распада дочерних ядер равна скорости их образования за счет распада материнских, т.е. dN 2 /dt = 0 и N 2 = const.

Наконец, рассмотрим случай, когда одни и те же ядра испытывают несколько видов радиоактивных превращений (примерами могут служить конкуренция α- и β – -распада у тяжелых ядер, β – - и β + -распада у нечетно-нечетных ядер, образование различных ядерных изомеров и т.д.). Существенно то, что каждое превращение характеризуется собственной постоянной распада, определяющей его вероятность.

Пусть ядро Э 1 способно превращаться в одно из ядер Э i . Уравнение для скорости распада будет тогда выглядеть как

,

т.е. постоянная распада λ 1 есть сумма постоянных λ 1i по всем возможным видам, или каналам распада . Если, в свою очередь, Э i – радиоактивное ядро, то

.

Величину

называют выходом i -го продукта превращения. Очевидно, что суммарный выход по всем каналам (как полная вероятность превращения)

6.2. Радиоактивные цепочки. Параллельные и последовательные превращения радиоактивных ядер нередко приводят к достаточно сложным радиоактивным цепочкам, например

Э 1 (l 1) → Э 2 (l 2) → Э 3 (l 3) → Э 5 (l 5) →…→ Э n (l n ) →….

Э 4 (l 4) → Э 6 (l 6)

Как было показано Г. Бейтманом (1910 г.), для неразветвленной цепочки, состоящей из двух и более звеньев, когда при t = 0 имеется только радионуклид Э 1 , число ядер n -го радионуклида

. (6.9)

В том случае, когда требуется общее решение при N 02 , N 03 ,… ≠ 0, его можно получить путем добавления к (6.9) аналогичных решений для более коротких цепочек, начинающихся с Э 2 , Э 3 и т.д.

Если в цепочке последовательных превращений для любого i -го дочернего ядра λ i >> λ 1 , то с течением времени равновесие устанавливается для всех дочерних радионуклидов, т.е. при t >> T 1/2 наиболее долгоживущего продукта распада

Закон векового равновесия, записанный в виде (6.10), можно использовать для определения периода полураспада долгоживущих материнских ядер, если предварительно определить относительное содержание каких-либо дочерних ядер в радиоактивном образце. Например, в урансодержащих минералах на каждые 2,8·10 6 ядер 238 U приходится одно ядро 226 Ra – продукта его распада с периодом полураспада 1620 лет. Используя (6.10), найдем, что период полураспада 238 U составляет около 4,5·10 9 лет.

Если цепочка содержит разветвления, обусловленные различными каналами распада, к ней также применимо решение (6.9), однако постоянные λ i , стоящие перед знаком суммы, в точках разветвления i следует умножить на величины выходов y i+ 1 . Каждую ветвь цепочки надо просчитать независимо. Если вслед за разветвлением после ряда распадов ветви цепочки снова соединяются, число ядер за точкой соединения получается суммированием решений по всем ветвям.

6.3. Радиоактивные семейства. Радионуклиды в природе. Как отмечалось в Лекции 2, энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, уменьшается с ростом массового числа A из-за возрастающей роли кулоновского отталкивания протонов. В результате тяжелые ядра становятся неустойчивыми относительно испускания α-частиц и переходят в стабильные путем одного или нескольких последовательных α-распадов. Однако в результате α-распада ядро теряет одинаковое количество протонов и нейтронов, что приводит к нарушению оптимального соотношения Z /A : образующееся дочернее ядро содержит избыточное количество нейтронов и стабилизируется путем β − -распада. Поэтому на пути превращений тяжелых радиоактивных ядер (уран, торий и др.) в стабильные наблюдается чередование процессов α- и β − -распада.

При α-распаде массовое число ядра уменьшается на четыре, а при β-распаде не изменяется. Поэтому все тяжелые радиоактивные ядра можно распределить по четырем группам, или радиоактивным семействам (табл. 6.1), в соответствии с их массовым числом , где n − некоторое целое число, а m − остаток от деления A на четыре, т.е. 0, 1, 2 или 3. Превращение радионуклида одного семейства в радионуклид, принадлежащий другому, практически невозможно, т.к. это потребовало бы изменения массового числа на число, иное, нежели 4. Хотя такие виды радиоактивных превращений известны, выход соответствующих продуктов ничтожно мал.

Таблица 6.1

Радиоактивные семейства

А	Название	Наиболее долгоживущий родоначальник (T 1/2)	Конечный стабильный нуклид
4n	Ториевое	Th (1,4·10 10 лет)	Pb
4n +1	Нептуниевое	Np (2,2·10 6 лет)	Bi
4n +2	Уран-радиевое	U (4,5·10 9 лет)	Pb
4n +3	Уран-актиниевое	U (7·10 8 лет)	Pb

Радионуклиды трех семейств − ториевого, уран-радиевого и уран-актиниевого − встречаются в природе. Содержание в земной коре урана составляет 3·10 −4 , а тория 1·10 −3 % масс. Содержание дочерних радионуклидов можно определить из соотношения (6.10), выражающего вековое равновесие, т.к. все дочерние радионуклиды имеют гораздо меньшие периоды полураспада, чем долгоживущие родоначальники. Нептуниевое семейство в природе отсутствует, и поэтому было исследовано позже остальных, лишь после того, как техника получения искусственных радионуклидов достигла достаточно высокого уровня.

Конечным продуктом распада в природных радиоактивных семействах являются изотопы свинца. Это связано с повышенной устойчивостью ядер, содержащих магическое число протонов (Z = 82). Что касается 209 Bi (нептуниевое семейство), то это ядро содержит магическое число нейтронов (N = 126). Именно поэтому 209 Bi − самое тяжелое стабильное ядро. Заметное содержание 209 Bi в земной коре может указывать на то, что много миллионов лет назад в ней присутствовали и радионуклиды семейства нептуния-237, но из-за малости периода полураспада его родоначальника перестали существовать.

Кроме представителей трех радиоактивных семейств в земной коре присутствуют еще около двадцати долгоживущих радионуклидов, дающих при распаде, как правило, стабильные ядра. Важнейшие из них – 40 К (Т 1/2 = 1,28·10 9 лет) и 87 Rb (Т 1/2 = 4,75·10 10 лет).

Под действием космических лучей в атмосфере Земли происходят ядерные реакции, приводящие к образованию множества радионуклидов с относительно небольшими периодами полураспада: 3 Н (12,3 лет), 10 Ве (1,6·10 6 лет), 14 С и др. Эти радионуклиды получили название космогенных . Благодаря непрерывному образованию, компенсирующему их распад, космогенные радионуклиды присутствуют на Земле в количествах, достаточных для их обнаружения.

6.4. Ядерная геохронология. Ядерная геохронология использует явление радиоактивного распада для определения возраста геологических объектов. Скорость радиоактивного распада оставалась постоянной во все геологические эпохи, будучи не зависимой от внешних условий. Поэтому показания «ядерных часов», изготовленных самой природой могут считаться весьма надежными.

В настоящее время для датирования геологических объектов применяется целый ряд методов. Ядерная геохронология превратилась в самостоятельную отрасль науки о Земле. Обобщение и систематизация результатов ядерно-геохронологических исследований привели к созданию шкалы абсолютного летоисчисления Земли. Совершенствование аналитической техники (главным образом, масс-спектрометрии) позволило применять при анализе одного и того же образца несколько методов. Только в том случае, если результаты, полученные разными методами, согласуются друг с другом, данному образцу приписывается определенный абсолютный возраст.

Для решения ядерно-геохронологических задач более удобна следующая запись основного закона радиоактивного распада (5.3):

Накопившееся за время t количество ядер дочернего нуклида определяется разностью D = N 0 – N , откуда следует формула для возраста образца:

. (6.11)

При выводе (6.11) предполагалось, что на момент образования объекта (минерала, породы) в его составе не было обнаружено атомов дочернего нуклида. Если же только что образовавшийся объект уже содержал D 0 таких атомов, то D = D 0 + N 0 – N , и

. (6.12)

Следовательно, для датирования образца необходимо измерить содержание в нем материнского (радиоактивного) и дочернего (стабильного) нуклидов. Для этого чаще всего используют масс-спектрометрический анализ. Точность определения времени t , которое и принимается за абсолютный геологический возраст минерала или породы, зависит от точности определения D и N , а также от точности, с которой известна постоянная распада λ .

Важной предпосылкой успешного использования методов ядерной геохронологии является замкнутость исследуемого образца для материнского и дочернего нуклидов. Этоозначает, что за весь период «жизни» объекта ни тот, ни другой не выносились и не добавлялись извне. Возможность частичного «открытия» в тот или иной интервал времени всегда должна учитываться. Так, при высокой температуре становится вероятной диффузия, а значит, и удаление некоторых элементов из минералов. Надежным подтверждением замкнутости системы служит совпадение возрастов, полученных разными методами, т.е. при использовании различных материнских и дочерних нуклидов.

В общей сложности разработано более десятка ядерно-геохронологических методов. Пригодность того или иного метода для оценки абсолютного возраста зависит от времени существования объекта исследования. При определении возраста молодых образований следует использовать радионуклиды со сравнительно небольшим периодом полураспада. Напротив, при исследовании древних минералов или пород требуются радионуклиды с периодом полураспада в 1 млрд. лет и больше. К наиболее широко применяемым методам относятся методы, связанные с распадом изотопов урана, 40 K и 14 C.

Очевидно, что максимальный возраст, установленный для земных пород, указывает нижний предел возраста Земли как планеты. Чтобы определить верхний предел возраста Земли, исследуют закономерности распределения изотопов свинца в свинцовых минералах. По современным оценкам, полученным таким методом, возраст Земли составляет 4,53 – 4,55 млрд. лет.

Уран-свинцовое датирование. Датирование по урану и свинцу является самым ранним ядерно-геохронологическим методом, использованным для определения абсолютного возраста. В 1907 г. Б. Болтвуд измерил этим методом возраст уранового минерала и сделал вывод о том, что геологические времена следует исчислять сотнями миллионов и миллиардами лет.

Средний изотопный состав свинца на Земле характеризуется следующими данными: 204 Pb – 1,5%; 206 Pb – 23,6%; 207 Pb – 22,6%; 208 Pb – 52,3%. Ядра трех последних изотопов (или часть их) являются радиогенными , представляя собой конечные продукты распада природных радиоактивных семейств.

При анализе образца на содержание изотопов U, Th и Pb можно получить три изотопных отношения: 206 Pb/ 238 U, 207 Pb/ 235 U, 208 Pb/ 232 Th. Подстановка их в (6.11) дает три независимые оценки абсолютного геологического возраста. Из-за очень большого периода полураспада Th отношение 208 Pb/ 232 Th отличается низкой чувствительностью, поэтому используется не всегда. Таким образом, сущность уран-свинцового датирования состоит, прежде всего, в определении отношений 206 Pb/ 238 U и 207 Pb/ 235 U; отсюда название метода: «уран-свинцовый». Удобными объектами для его применения являются такие урансодержащие минералы, как уранинит, циркон, монацит и др.

Если замкнутость системы нарушается, возможны потери свинца из-за диффузии. Однако если при этом все изотопы свинца теряются в одной и той же пропорции, то справедливым остается равенство

. (6.13)

Отношение 238 U/ 235 U для современной геологической эпохи постоянно и равно 137,8 практически для всех объектов. Поэтому отношение 207 Pb/ 206 Pb может служить дополнительным фактором, позволяющим по уравнению (6.13) рассчитать возраст t . Если полученное отношение согласуется с величинами, следующими из (6.11), это свидетельствует о замкнутости системы.

Присутствие первичного свинца нерадиогенного происхождения приводит, согласно (6.11), к завышению возраста урановых минералов. Можно сделать поправку на это завышение, измерив содержание нерадиогенного изотопа 204 Pb. Отношения 206 Pb/ 204 Pb и 207 Pb/ 204 Pb (а также 208 Pb/ 204 Pb, если дополнительно определяется возраст по 208 Pb/ 232 Th) в радиоактивных минералах сравнивают с этими же отношениями в сопутствующих минералах, где содержание U и Th пренебрежимо мало, и все изотопы свинца можно считать нерадиогенными.

При наличии потерь урана возрасты, вычисленные по различным соотношениям, должны составлять такой ряд: t (206 Pb/ 238 U) > t (207 Pb/ 235 U) > t (207 Pb/ 206 Pb). В случае потерь свинца последовательность величин t обратная.

Калий-аргоновое датирование. Калий-аргоновый метод определения геологического возраста был разработан Э.К. Герлингом (1949 г.). Природный калий имеет радиоактивный изотоп 40 К, среднее содержание которого в естественной смеси равно 0,012%. Распад 40 К происходит путем β – - распада или электронного захвата. Первый канал с образованием 40 Ca не имеет практического значения, так как в калийсодержащих минералах обычно присутствует нерадиогенный 40 Ca, вклад которого не поддается точному учету. Второй канал ведет к образованию 40 Arи используется для датирования. Долю 40 К, превращающегося в 40 Ar, можно подсчитать из соотношения между выходом β-распада y β (88%) и выходом электронного захвата y е (12%):

. (6.14)

Суммарное количество радиогенных изотопов 40 Ar и 40 Ca, образовавшихся за время t , равно

(λ – постоянная распада 40 К). С другой стороны, из (6.14) следует, что

. (6.16)

Сравнивая (6.15) и (6.16), получаем формулу для определения возраста:

. (6.17)

Калий-аргоновый метод более универсален по сравнению с уран-свинцовым, так как калийсодержащие минералы шире распространены.

Аргон, образующийся при распаде 40 К, имеет тенденцию диффундировать из минералов. Для большинства минералов диффузия становится значительной при температуре > 300 о С. Скорость диффузии аргона из минерала зависит от размера его зерен: мелкозернистый минерал быстрее теряет аргон из-за большей величины отношения площади к объему. Потеря аргона вследствие диффузии приводит к тому, что для одного и того же типа минерала данной породы получаются не согласующиеся друг с другом результаты датирования. Величины такого возраста обычно занижены по сравнению с истинными, причем, чем больше потери аргона, тем в большей степени занижен кажущийся возраст. В отдельных случаях удается выявить конкретную причину несогласованности результатов определения возраста.

Радиоуглеродное датирование. В верхних слоях атмосферы изменяется состав космических лучей. Частицы первичного космического излучения (в основном, протоны) обладая высокой энергией, могут расщеплять ядра атомов, встречающихся на их пути. В результате расщеплений появляются нейтроны, которые в свою очередь могут вызывать ядерные реакции. Важнейшей реакцией, вызванной нейтронами, является превращение 14 N в 14 C. Космогенный 14 С, называемый радиоуглеродом, имеет период полураспада 5730 лет. Испуская β-частицы, он превращается в стабильный 14 N. Образуясь в атмосфере Земли, радиоуглерод быстро окисляется, превращаясь в радиоактивный углекислый газ 14 СO 2 , который за 10-15 лет полностью перемешивается со всей массой углекислого газа атмосферы. Через углекислый газ 14 С попадает в растения, а оттуда – в другие живые организмы. Равновесная концентрация 14 С в обменном углероде биосферы составляет 1,2∙10 -10 %.

Как только в организме прекращается обмен веществ, концентрация радиоуглерода в тканях начинает уменьшаться. Таким образом, по количеству 14 С, присутствующему в остатках организмов, можно определить момент прекращения углеродного обмена с атмосферой, т.е. момент гибели. Время, прошедшее с этого момента, определяется формулой:

, (6.18)

где С обр и С атм – концентрации 14 С в образце и атмосферном углероде; λ – постоянная распада 14 С.

Радиоуглеродный метод датирования был предложен в 1951 г. В. Либби и сначала применялся для определения возраста археологических объектов органического происхождения. Радиоуглеродный метод имеет большое значение для абсолютной четвертичной хронологии. Круг объектов для датирования по 14 С очень широк. Обычно используют органические остатки, встречающиеся в породах, – древесину, торф, гумус и т.д. Сравнительно небольшой период полураспада радиоуглерода ограничивает верхний предел применимости метода, который при современном уровне измерительной техники составляет 50 тыс. лет. Нижний предел применимости метода оценивается в 1 тыс. лет; объекты моложе 1000 лет нецелесообразно датировать по 14 С, т.к. погрешность измерения разности между С атм и С обр становится велика.

В основе радиоуглеродного метода лежит допущение о том, что содержание 14 С во внешней среде (воздух, вода) в момент, фиксирующий прекращение обмена веществ в объекте, было таким же, как и в настоящее время. Это допущение не является вполне строгим. За последние 200 лет в результате сжигания ископаемого топлива атмосфера разбавлена техническим СО 2 , который практически не содержит изотопа 14 С (в каменном угле и нефти концентрация радиоуглерода ничтожно мала). Термоядерные взрывы, при которых образуется большое количество нейтронов, наоборот, в отдельные периоды значительно повышали содержание 14 С в атмосфере.

Кроме того, равновесная концентрация 14 С в атмосфере зависит от интенсивности космического излучения. Протоны космического излучения отклоняются магнитным полем Земли, действующим подобно экрану. Судя по палеомагнитным данным, напряженность магнитного поля Земли за последние 10 тыс. лет непрерывно менялась. Соответственно этому изменялась и интенсивность потока космических протонов, достигающих верхних слоев атмосферы, а значит, и число вторичных нейтронов, ответственных за образование 14 С. Это обстоятельство может вносить ошибку (порядка 10%) в результаты определения возраста радиоуглеродным методом.

Широкое применение радиоуглеродного метода датирования позволило создать климатохронологическую схему новейшего этапа геологической истории. При этом важнейшим результатом исследований было доказательство синхронных изменений климата в различных регионах Земли. Например, резко выраженное похолодание между 33 и 30 тыс. лет назад и потепление между 16,5 и 15 тыс. лет назад прослеживаются во всех частях земного шара.