Основи радіаційної фізики, дозиметрії і радіометрії

Радіонукліди випромінюють альфа-частинки або однієї енергії, або певного набору дискретних значень. Це говорить про те, що енергія ядра квантується, тобто приймає дискретний ряд значень. Альфа-частинки мають значну енергію (до 10 МеВ).

Існує залежність між енергією альфа-частинок і періодом піврозпаду елемента: зі збільшенням періоду піврозпаду енергія альфа-частинок зменшується. Ця залежність кількісно виражається законом Гейгера-Нетола

 ,                 (3.17)

де С і Д – постійні величини, що не залежать від масового чісла А і слабо залежать від Z:    . Закон Гейгера-Нетола говорить про

те, що вихід альфа-частинок з ядра відбувається шляхом тунелювання через потенціальний бар’єр ядра, висота і ширина якого зменшуються при збільшенні енергії альфа-частинок, що приводить до збільшення імовірності розпаду (рис.1), де U – потенціальна енергія взаємодії дочірнього ядра і альфа-частинки в залежності від віддалі r між ними. 

 

 

Розрізняють три види бета-розпаду:  бета “-“-розпад, бета “+”-розпад і електронне захоплення. При  бета “-“-розпаді з ядра вилітає електрон, наприклад

 .                               (3.18)

Материнське ядро   розпадається і утворюється дочірнє ядро  . При цьому випромінюється електрон  , який має заряд –1 і масове число нуль. При бета “-“-розпаді випромінюється також антинейтріно  . Таким чином при бета “-“-розпаді утворюється дочірнє ядро, яке в таблиці Д.І.Менделєєва розміщене на одну позицію у напрямку збільшення Z, а масове число його дорівнює масовому числу материнського ядра.   є продуктом поділу ядер урану і утворюється в ядерному реакторі (період піврозпаду Т = 28,8 р).

Електронів в ядрі нема, електрон утворюється в результаті перетворення одного з нейтронів ядра

 .                                     (3.19)

При бета “+“-розпаді з ядра вилітає позитрон- античастинка до електрона, і нейтріно – античастинка до антинейтріно

 .                             (3.20)

Тут   і    - символи позитрона і нейтріно. З перетворення (20) видно, що при бета “+“-розпаді утворюється ядро, яке в таблиці Д.І.Менделєєва розміщене на одну позицію в сторону зменшення Z по відношенню до материнського ядра. Масове число дочірнього ядра дорівнює масовому числу материнського.   є природний радіоактивний нуклід, який утворюється в верхніх шарах атмосфери в результаті дії космічного випромінювання і в земній корі в результаті ядерних реакцій, має період піврозпаду Т=2,6 р.

В ядрі позитронів нема, він утворюється в результаті перетворення одного з протонів ядра

 .                                     (3.21)

Явище електронного захоплення заключається в тому, що ядро захоплює один з найближчих електронів К-оболонки, при цьому відбувається ядерне перетворення. Наприклад, електронне захоплення відбувається в деяких ядрах  , тобто для цього нукліда характерні два види бета-розпаду

 .                            (3.22)

При цьому виді розпаду з ядра випромінюється лише нейтріно. Дочірнє ядро, як і при бета “+”-розпаді, зміщене в таблиці Д.І.Менделєєва на одну позицію в сторону зменшення Z по відношенню до материнського. Масове число дочірнього ядра дорівнює масовому числу материнського. 

Всередині ядра при приєднанні електрона відбувається перетворення одного з протонів ядра в нейтрон

 .                                     (3.23)

При електронному захопленні в К-оболонці утворюється пусте місце , на яке переходить електрон з верхньої електронної оболонки. При цьому випромінюється рентгенівський фотон.

Електрони і позитрони, які утворюються при бета-розпаді, називаються бета-частинками. Вони є безпосередньо-іонізуючими частинками, оскільки, рухаючись в речовині, вони взаємодіють з електронами атомів і можуть відривати атомні електрони. Нейтріно і антинейтріно не мають електричного заряду, наявність маси спокою у цих частинок в даний час не встановлена. Тому вони дуже слабо взаємодіють з речовиною і не можуть вважатись іонізуючими частинками, незважаючи  на значну їх енергію. При електронному захопленні ні одна з вказаних вище іонізуючих частинок не випромінюється. Але при електронному захопленні випромінюються рентгенівські фотони, які є іонізуючими частинками. 

З (19), (21) і (23) випливає, що бета-розпад є внутрішньонуклонним процесом, тобто перетворення відбувається всередині одного нуклона. Структура ядра при цьому може не змінюватись.

Протон, нейтрон, позитрон, електрон, нейтріно і антинейтріно мають спін, рівний 1/2. При бета-розпаді, крім інших законів збереження, повинен виконуватись закон збереження моменту імпульсу. Виконання цього закону згідно з (19), (21), (23) без нейтріно або антинейтріно було б неможливим. Ці міркування були вагомим доказом існування нейтріно і антинейтріно задовго до того, як ці частинки вдалось зареєструвати на досліді.

Закон збереження енергії при бета “-“ і “+”-розпадах можна записати у вигляді

 ,