Радиоактивный распад представляет собой самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в более устойчивые состояния, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или электромагнитного излучения. Причина нестабильности кроется в несбалансированности ядерных сил: избыточном числе нуклонов, неблагоприятном соотношении протонов и нейтронов либо избыточной внутренней энергии ядра. Каждый тип распада определяется конкретным механизмом перераспределения энергии и нуклонного состава ядра.
Альфа-распад характерен для тяжёлых ядер с большим атомным номером (обычно Z > 82). В ходе процесса ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия-4, состоящее из двух протонов и двух нейтронов.
Основные характеристики:
Пример ядерной реакции: [ ^{238}{92} , ^{234}{90} + , ^{4}_{2}]
С точки зрения квантовой механики альфа-распад объясняется эффектом туннелирования: альфа-частица, сформированная внутри ядра, преодолевает потенциальный барьер, создаваемый кулоновским отталкиванием.
Бета-распад связан с изменением соотношения протонов и нейтронов в ядре и подразделяется на несколько разновидностей.
Происходит в ядрах с избытком нейтронов. Один из нейтронов превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино.
[ n p + e^{-} + {}]
Ядерное следствие:
Пример: [ ^{14}{6} , ^{14}{7} + e^{-} + {}]
Характерен для ядер с избытком протонов. Протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.
[ p n + e^{+} + ]
Особенности:
Ядро поглощает электрон с внутренней электронной оболочки, в результате чего протон превращается в нейтрон.
[ p + e^{-} n + ]
Процесс сопровождается характеристическим рентгеновским излучением или эмиссией оже-электронов вследствие перестройки электронной оболочки.
Гамма-распад представляет собой переход ядра из возбуждённого энергетического состояния в более низкое без изменения его нуклонного состава. Испускается гамма-квант — фотон высокой энергии.
Ключевые свойства:
[ ^{*} + ]
Гамма-излучение отражает дискретную структуру энергетических уровней ядра, аналогично спектрам атомных электронов.
Испускание нейтронов характерно для сильно возбуждённых ядер, образующихся, например, при ядерных реакциях. Свободные нейтроны электрически нейтральны, что обеспечивает им высокую проникающую способность.
Следствия:
Этот тип распада играет важную роль в ядерных реакторах и цепных реакциях деления.
Спонтанное деление наблюдается у сверхтяжёлых ядер, в которых кулоновское отталкивание между протонами становится сравнимым с ядерными силами.
Характеристика процесса:
[ ^{252}_{98} + n + ]
Вероятность спонтанного деления значительно ниже вероятности альфа-распада, однако оно имеет фундаментальное значение для ядерной физики и техники.
Процесс, при котором ядро одновременно испускает два электрона и два антинейтрино. Существует гипотеза безнейтринного двойного бета-распада, имеющая ключевое значение для физики элементарных частиц.
Наблюдается у ядер, находящихся за протонной границей устойчивости. Сопровождается испусканием одного или нескольких протонов.
Ядро испускает более тяжёлый кластер, чем альфа-частица (например, ядро углерода или кислорода). Является промежуточным механизмом между альфа-распадом и делением.
Совокупность различных типов радиоактивного распада отражает сложную внутреннюю структуру атомного ядра и многообразие механизмов достижения ядерной устойчивости.