Радиоактивность
- это самопроизвольное, спонтанное изменение свойств ядер со временем. Ядра, испытывающие
изменение такого рода, называются радиоактивными или нестабильными ядрами.
Радиоактивные ядра являются неустойчивыми нуклонными системами и, как принято
говорить, испытывают радиоактивный распад. Каждое ядро характеризуется
определенным нуклонным составом (А,Z)
и определенной энергией Е. Если спонтанно изменяется хотя бы одна из этих
характеристик, то такое изменение является радиоактивным распадом. Ядро, испытывающие
радиоактивный распад, будем называть материнским, а ядро-продукт – дочерним.
Радиоактивный распад характеризуется временем протекания, видом и энергией испускаемых
частиц, называемых излучением.
Радиоактивность
ядер, существующих в природных условиях, называют естественной. Радиоактивные
ядра, синтезированные в лабораторных условиях искусственными способами посредством
ядерных реакций, называются искусственными.
По физической природе искусственные радиоактивные ядра ничем не отличаются от
естественных и такое разделение условно, так как свойства ядер данного радиоактивного
нуклида не зависят от способа его образования. Основным критерием здесь является
характерное время жизни ядер. Естественные радиоактивные ядра образовались в процессе
эволюции Солнечной системы (или вообще Вселенной) и существуют в заметных количествах
в настоящее время потому, что имеют характерные времена жизни, превышающие возраст
Земли, или же сравнимые с ним. Остальные радиоактивные ядра распались в процессе
эволюции Земли.
Впервые
радиоактивность природных солей урана была обнаружена А. Беккерелем в 1896 г.
Искусственная радиоактивность синтезируемых ядер была открыта Ф. и И. Кюри в 1934
г.
К числу радиоактивных
процессов относятся: 1) a-распад;
2) b‑распад;
3) g-излучение
ядер; 4) спонтанное
деление тяжелых ядер; 5) испускание запаздывающих нейтронов и протонов.
Все
тяжелые ядра с массовым числом А, превышающим значение 209, нестабильны по отношению
к a-распаду.
Поэтому ядра нуклидов, у которых массовое число А превышает граничное значение
209, являются родоначальниками последовательных цепочек распадов. При каждом a-распаде
число протонов Z
и число нейтронов в дочернем ядре уменьшается на две единицы (число нуклонов –
на 4) по отношению к материнскому. Такое ядро чаще всего нестабильно по отношению
к β-распаду, так как
оказывается ниже дорожки стабильности (см. рис. 1.1.2). Поэтому в последовательных
цепочках распадов процессы a-
и β-распадов чередуются
друг с другом.
Метастабильньми состояния ядер
Время жизни ядер в возбужденных
состояниях колеблется в пределах 10‑14 ÷ 10-7с.
В редких случаях сочетания низкой энергии с высокой степенью запрета перехода
могут наблюдаться возбужденные состояния с временами жизни макроскопического
порядка, измеряемые секундами, часами, а иногда и годами. Такие состояния
называют метастабильньми, а соответствующие уровни энергии – изомерными
уровнями. Ядронуклидав
метастабильном состоянии и это же ядро в основном энергетическом состоянии
образуют изомерную пару, ядра которой называются изомерами.Часто
изомером называют возбужденное метастабильное ядро из изомерной пары.
Ядерные изомеры наблюдаются как среди стабильных, так и преимущественно
среди β-активных
нуклидов. У стабильного нуклида один из изомеров стабилен, а второй распадается
с испусканием γ-кванта. Но у β-
активного нуклида изомерный уровень не обязательно обращается в основное
состояние с испусканием γ-кванта, а может претерпевать β-распад
со своим типом и периодом полураспада, отличными от характеристик распада
основного состояния. Различие во временах жизни ядер изомерной пары может
изменяться в широких пределах от долей секунды до многих лет.
Как
правило, изомерное состояние относится к первому возбужденному уровню ядра. Обычно
изомерные ядра – ядра с числами нуклонов от 30 до 49, от 69 до 81 и от 111до 125
(только для нейтронов), т.е. при числах протонов и нейтронов, предшествующих магическим
числам 50, 82, 126.Такое распределение изомеров
находится в хорошем согласии с моделью оболочек (§2.3).В
этих областях значений N или Z
оболочечные уровни, близкие друг к другу по энергии, сильно различаются значениями
спинов, так как принадлежат состояниям с разными значениями главных квантовых
чисел. (см. рис. 2.3.2). Например, ядро 
у
которого не хватает одного протона до Z = 50
(т.е. для замыкания соответствующей оболочки – см. §2.3), имеет в основном состоянии
характеристику 9/2+, а первый возбужденный уровень имеет энергию 336
кэВ с характеристикой 
.
Переход между этими уровнями может происходить, согласно правилам отбора по спину
и четности, лишь при испускании g-кванта
М4 и запрещен настолько, что среднее время жизни возбужденного уровня оказывается
равным 14,4 часа.