Радиоактивность

Три вида ионизирующего излучения

Нестабильное ядро может избавиться от избыточной энергии и заряда тремя принципиально разными способами. Альфа- и бета-излучение были различены ещё в 1899 году Эрнестом Резерфордом по их разной проникающей способности; обнаруженное в 1900 году Полем Вийаром ещё более проникающее гамма-излучение Резерфорд включил в эту схему в 1903 году — задолго до того, как стала известна точная природа всех трёх видов излучения.

Проникающая способность в сравнении: альфа-излучение задерживается уже кожей или бумагой, бета требует алюминия, гамма — лишь толстой свинцовой защиты.

Период полураспада

Радиоактивный распад — чисто случайный процесс на уровне отдельного ядра: никто не может предсказать, когда именно распадётся конкретный атом. Однако для большого числа ядер из этого следует точный статистический закон: за каждый равный промежуток времени, называемый периодом полураспада t_½, распадается ровно половина ещё имеющихся ядер — независимо от того, сколько их было изначально.

Периоды полураспада различаются колоссально: полоний-214 распадается за десятую долю миллисекунды, а урану-238 требуется 4,5 миллиарда лет — почти возраст Земли. Это постоянство делает радиоактивные изотопы точными «часами», как в радиоуглеродном методе.

Ряды распада и радиоактивное равновесие

Многие тяжёлые ядра достигают стабильности не за один шаг. Уран-238, например, проходит целый ряд распада из четырнадцати последовательных альфа- и бета-распадов, прежде чем в конце образуется стабильный свинец-206. Каждый промежуточный продукт этой цепочки сам по себе радиоактивен и имеет собственный, зачастую совершенно иной период полураспада.

Значение 1,17 минуты относится к короткоживущему изомеру протактиний-234m, который образуется более чем в 99,8 % случаев; оставшийся, более долгоживущий протактиний-234 (основное состояние, период полураспада ≈ 6,7 часа) переходит в уран-234 по более редкому побочному пути.

Первый шаг этой цепочки — альфа-распад урана-238 — показывает, насколько чувствительны периоды полураспада к лежащей в их основе физике. Чтобы альфа-частица (ядро гелия) оторвалась от ядра урана, ей классически пришлось бы преодолеть кулоновский барьер — электрическое отталкивание между ней и положительно заряженным остаточным ядром, для преодоления которого у неё на самом деле недостаточно энергии. Тем не менее ей это удаётся — но только благодаря квантово-механическому туннельному эффекту: небольшой, но ненулевой вероятности пройти сквозь этот барьер за одну попытку, вместо того чтобы его преодолевать. Насколько мала эта вероятность, чрезвычайно чувствительно зависит от энергии, высвобождаемой при распаде, — а уран-238 высвобождает необычно мало энергии (около 4,3 вместо до 9 мегаэлектронвольт (МэВ) у других альфа-излучателей). Это делает барьер сравнительно толстым, а успешную туннельную попытку — чрезвычайно редкой: отдельное ядро урана «пытается» невообразимо часто в секунду, но почти всегда безуспешно — в статистическом среднем это удаётся лишь спустя 4,47 миллиарда лет.

Тот же ряд распада, но на карте нуклидов (N относительно Z) вместо цепочки: каждый альфа-распад смещается на два поля влево и на два вниз (Z−2, N−2), каждый бета-распад — на одно поле вправо и на одно вниз (Z+1, N−1). Одинаковый цвет = один и тот же элемент, независимо от дефекта массы — U, Po и Pb встречаются неоднократно как разные изотопы.