Радиоактивность — это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно изменяться с выделением энергии и частиц, превращаясь в другие ядра. Процесс радиоактивного распада подчиняется строгим статистическим закономерностям, выраженным через закон радиоактивного распада, который является фундаментальным в ядерной химии и физике.
Ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Для радиоактивных элементов характерно наличие нестабильных ядер, которые стремятся перейти в более устойчивое состояние, излучая альфа-частицы (ядра гелия), бета-частицы (электроны или позитроны) или гамма-кванты (высокоэнергетические фотоны).
Число атомов, распавшихся за единицу времени определяется вероятностью распада и не зависит от внешних условий, таких как температура, давление или химическая среда. Это ключевая особенность, отличающая радиоактивный распад от химических реакций.
Пусть (N(t)) — число радиоактивных ядер в образце в момент времени (t). Основное дифференциальное уравнение радиоактивного распада имеет вид:
[ = -N]
где:
Решение этого уравнения даёт экспоненциальную зависимость числа ядер от времени:
[ N(t) = N_0 e^{-t}]
где ( N_0 ) — начальное число радиоактивных ядер.
Активность (A(t)) определяется как число распадов в единицу времени:
[ A(t) = - = N(t) = N_0 e^{-t}]
Активность выражается в бкерелях (Бк), где 1 Бк соответствует одному распаду в секунду, или в кюри (Ки), где (1, = 3.7 ^{10}) Бк.
Период полураспада (T_{1/2}) — время, за которое распадается ровно половина исходного количества ядер:
[ T_{1/2} = ]
Период полураспада является уникальной характеристикой каждого радионуклида и не зависит от количества вещества или внешних условий. Этот параметр позволяет прогнозировать длительность существования радиоактивных элементов и является основой для радиохронологии и ядерной энергетики.
Альфа-распад — испускание α-частицы ((^4_2)), сопровождающееся уменьшением массы ядра на 4 единицы и заряда на 2 единицы.
Бета-распад:
Гамма-излучение — переход ядра из возбужденного состояния в основное без изменения состава протонов и нейтронов, сопровождающийся испусканием квантов высокой энергии.
Каждый вид распада характеризуется собственной константой распада, определяющей скорость процесса.
Радиоактивный распад носит стохастический характер: невозможно предсказать момент распада отдельного ядра, но можно точно описать поведение большой совокупности ядер. Закон экспоненциального распада отражает вероятность распада и обеспечивает математическую основу для расчёта активностей, доз облучения и времени жизни радионуклидов.
Экспоненциальная зависимость числа ядер или активности от времени демонстрирует резкое уменьшение активности в начале периода, а затем постепенное замедление распада. Для наглядности часто используют полулогарифмический график, где зависимость ( N ) от времени (t) является прямой линией с угловым коэффициентом (-).
Закон радиоактивного распада является частным случаем первого порядка кинетических процессов, аналогично химическим реакциям первого порядка, где скорость пропорциональна концентрации реагента. Однако отличие заключается в независимости константы распада от температуры, давления и химической среды.
Применение закона позволяет не только описывать распад изотопов, но и вычислять дозу облучения, активность смеси радионуклидов, а также прогнозировать изменения состава радиоактивных материалов со временем.