РАДИОАКТИВНОСТЬ

РАДИОАКТИВНОСТЬ — самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента из основного или возбужденного (метастабильного) состояния в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер. Такие превращения ядер называют радиоактивными превращениями, а такие ядра или соответствующие атомы — радиоактивными.

Открытие явления Р. сыграло огромную роль в развитии научно-технического прогресса, производстве радиоактивных изотопов и создании атомной энергетики. В биологии и медицине оно имеет значение, в частности, для изучения процессов проницаемости (см.), обмена веществ, в диагностике и при лечении ряда заболеваний (см. Радиоизотопная диагностика).

Открытие Р. относится к 1896 г., когда А. Беккерель обнаружил испускание ураном неизвестного вида проникающего излучения. Вскоре была обнаружена радиоактивность тория, а в 1898 г. М. Склодовская-Кюри и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента — полоний и радий. Ими же был введен термин «радиоактивность». Работами Э. Резерфорда и упомянутых ученых было установлено наличие трех видов излучения радиоактивных элементов — альфа-, бета- и гамма-излучение и выявлена их природа (см. Гамма-излучение). В 1903 г. Э. Резерфорд и Содди выяснили, что альфа-излучение сопровождается превращением хим. элементов, напр, радия в радон. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри открыли искусственную Р. Из общего числа (ок. 2 тыс.) известных ныне радиоактивных изотопов (см.) лишь ок. 300 являются природными, а остальные получены искусственным путем в результате ядерных реакций. Благодаря изучению искусственной Р. были открыты новые варианты бета-распада — испускание позитронов и электронный захват (см.). В 1940 г. К. А. Петржак и Г. Н. Флеров открыли спонтанное (самопроизвольное) деление ядер. В 1971 г. В. И. Гольданский предсказал существование двухпротонной Р., а в 1971 г. В. И. Гольданский и Л. К. Пекер — двухнейтронного радиоактивного деления ядер.

В настоящее время экспериментально установлены или теоретически предсказаны 6 типов элементарных радиоактивных превращений: альфа-распад (см.), все варианты бета-распада (см.), спонтанное деление ядер, протонная Р., двухпротонная, двухнейтронная Р. Протонная Р. экспериментально обнаружена, однако вероятность распада по этому типу низка. Двухпротонная и двухнейтронная Р. экспериментально пока не обнаружены. Радиоактивный распад часто сопровождается гамма-излучением, поскольку в результате любого радиоактивного процесса дочернее ядро может оказываться в возбужденном состоянии. При этом не происходит изменения состава ядра, т. е. не наступает превращения одного изотопа в другой. Поэтому в этом случае гамма-излучение не рассматривают как самостоятельный тип распада. Однако если гамма-кванты излучаются при образовании основных состояний атомных ядер из долгоживущих — метастабильиых или изомерных состояний, то такие гамма-переходы иногда рассматривают как особый тип Р. (см. Изомерия).

Самопроизвольные превращения радиоактивных ядер приводят к непрерывному уменьшению числа атомов (ядер) исходного радиоактивного изотопа и к образованию дочерних продуктов.

Закон радиоактивного распада для любых превращений ядер устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля нераспавшихся ядер данного радионуклида. Эта доля называется постоянной распада лямбда. Из закона радиоактивного распада следует, что количество ядер dN, распадающихся за промежуток времени dt, прямо пропорционально количеству нераспавшихся: dN/dt = λN.

Скорость распада (dN/dt ) атомов радиоактивного вещества называют активностью или абсолютной активностью (Q) препарата: Q = λN (т. е. активность препарата пропорциональна количеству ядер). По мере распада ядер активность радионуклида убывает по закону Q = Q₀e^-λt, где Q₀ — активность в начальный момент времени; Q = активность в момент времени t; е = 2,718... . Время, в течение к-рого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер и активность уменьшается в два раза, называется периодом полураспада (см.). Между постоянной распада и периодом полураспада (Т) существует соотношение: T = Ln2/λ = 0,693/λ.

Период полураспада для различных радионуклидов имеет значение от долей секунды до миллиардов лет. Соответственно и радиоактивные изотопы разделяют на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (многие годы).

За единицу активности в Международной системе единиц (СИ) принят 1 распад в 1 сек.— беккерель (Бк). Удельная активность выражается в беккерелях на килограмм (Бк/кг). Исторически широкое распространение получила единица активности кюри (К и) — активность такого радиоактивного препарата, в к-ром за 1 сек. происходит 3,7 • 10¹⁰ актов распада. Для обозначения удельной активности часто пользуются единицей кюри на килограмм (Ки/кг) или кюри на литр (Ки/л) или дробными единицами, напр. мкюри/мл, мккюри/мл, мккюри/г и др. В практической работе с радиоактивными веществами абсолютная активность препаратов, как правило, не определяется непосредственно. Измерительные приборы обычно дают величину, пропорциональную абсолютной радиоактивности препарата; эту величину называют регистрируемой активностью 1. При работе со счетчиками ядерных частиц регистрируемой активностью является скорость счета, выражаемая в импульсах в минуту (имп/мин), а коэффициент, связывающий величину абсолютной и регистрируемой активности называют коэффициентом счета (φ): J =φa.

Тяжелые ядра из-за большого количества в них протонов неустойчивы и в результате радиоактивного распада образуют дочерние ядра, также являющиеся радиоактивными, и тогда образование стабильного изотопа происходит по цепочке — из нескольких актов радиоактивного распада. Группы генетически связанных радиоактивных изотопов, в которых каждый последующий изотоп возникает в результате распада предыдущего, называют радиоактивными рядами. Тяжелые изотопы с массовым числом более 209 образуют ряды тория (²³²Th), актиноурана (²³⁵U) и урана (урана — радия, ²³⁸U). Периоды полураспада тория-232 (1,41 • 10¹⁰ лет), урана-235 (7,13 • 10⁸ лет) и урана-238 (4,51 • 10⁹ лет) соизмеримы с возрастом Земли. В результате последовательных распадов из начальных изотопов радиоактивных рядов образуются изотопы радия (²²⁶Ra, ²²⁴Ra, ²²³Ra), которые путем альфа-распада превращаются в изотопы радона (²²²Rn, ²²⁰Rn, ²¹⁹Rn), являющиеся радиоактивными газами (см.). Заканчиваются ряды стабильными изотопами свинца: ²³²Th -> ²⁰⁸Pb, ²³⁵U -> ²⁰⁷Pb, ²³⁸U -> ²⁰⁶Pb.

Некоторые изотопы, члены радиоактивного ряда, распадаются двумя путями с различной вероятностью. В результате конкуренции разных путей распада возникают разветвления радиоактивных превращений. Каждый радиоактивный ряд содержит долго-и короткоживущие изотопы. Однако если изотоп принадлежит к естественному радиоактивному ряду, то он обязательно находится в природе, даже если скорость распада его ядер очень велика. Это связано с тем, что в радиоактивных рядах с течением времени устанавливается так наз. вековое равновесие. Этим объясняется присутствие в природе короткоживущих радионуклидов, таких, как актиний, радий, радон, полоний.

Радиоактивность окружающей среды обусловлена содержанием естественных радионуклидов в различных природных образованиях: в земной коре, почве, водоемах, атмосфере, биосфере. Важным фактором, определяющим радиоактивность окружающей среды, является деятельность человека. Характер распространения радиоактивных элементов в окружающей среде обусловливает их внешнее и внутреннее воздействие на организм человека. Источниками внешнего облучения являются космическое излучение (см.), излучение Земли и наземных источников и в меньшей степени атмосферы. За год эта доза составляет в среднем 70—92 мрад в гонадах, 77—110 мрад в эндостальных клетках и 67— 120 мрад в красном костном мозге.

Воздействие радиоактивности на человека в дозах, существенно превышающих естественный фон, нежелательно. Уровень фона является естественной границей для оценки воздействия ионизирующего излучения на человека (см. Радиационная безопасность).

См. также Ионизирующие излучения.

Библиография: Белоусова И. М. и Штуккенберг Ю. М. Естественная радиоактивность, М., 1961; Дубинин Н. П. и Пашин Ю. В. Мутагенез и окружающая среда, М., 1978; Иванов И. И. и др. Радиоактивные изотопы в медицине и биологии, с. 5, М., 1955; Исаев Б. М. и Б р е-г а д з е Ю. И. Нейтроны в радиобиологическом эксперименте, М., 1967; Источники и действия ионизирующей радиации, Доклад за 1977 год научного комитета ООН по действию атомной радиации, пер. с англ., т. 1, приложение В, с. 71, Нью-Йорк, 1978; Кюри М. Радиоактивность, пер. с франц., М., 1960; Нормы радиационной безопасности НРБ-76, М., 1978; Перцов Л*. А. Ионизирующие излучения биосферы, М., 1973; Радиационная медицина, под ред. А. И. Бурназяна и А. В. Лебединского, с. 5, М., 1963.

Ю. М. Штуккенберг.