Радиоактивный распад (радиоактивность) – самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающийся излучением a-, b-частиц, рентгеновского или g-излучения.
Распад радиоактивных химических элементов не зависит от состава химических соединений, в которых они находятся. Лишь состав ядер, скорость и вид радиоактивного распада отличают радионуклиды.
a-Распад сопровождается выбросом из радиоактивного ядра a-частицы (ядра атома гелия). Рассмотрим силы, которые обеспечивают устойчивость атомного ядра. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами в ядре, стремится его разрушить. Однако существует обменное или сильное взаимодействие, которое удерживает вместе нуклоны (нуклоны - частицы атомного ядра – протоны и нейтроны), и противодействует кулоновскому отталкиванию. Обменное взаимодействие между нуклонами действует на расстоянии 10-15 м, соответствующему размеру атомного ядра.
Чтобы понять, как обменное взаимодействие может удерживать вместе нуклоны, воспользуемся следующей моделью. Представим, что два человека должны удерживать большой круглый и тяжелый камень (В.И. Григорьев и Г.Я. Мякишев «Силы в природе»). По условию камень нельзя бросать на пол и невозможно нести вдвоем. Приходится его передавать друг другу поочередно. Для этого несущие камень должны всегда быть вместе, не отрываясь друг от друга. Нечто подобное происходит в атомном ядре. Протоны и нейтроны обмениваются энергией (p-мезонами). Обмен нуклонов энергией обеспечивает важное качество – устойчивость ядра. Однако устойчивость ядра резко падает, когда количество нейтронов и протонов превышает 200 частиц. Часть протонов и нейтронов может выйти за пределы размеров ядра (10-15 м). Тогда неизменно присутствовавшее кулоновское отталкивание становится определяющим фактором. Так происходит, например радиоактивный (a-распад) урана-238 (рис. 56), сопровождающийся испусканием ядер атомов гелия:
Рис. 56. Радиоактивный распад с испусканием из материнского ядра a-частицы (ядра атома гелия)
b- -Распад. В отличие от протона 
(или р+) – стабильной частицы, среднее время жизни свободного нейтрона 
(верхний индекс соответствует массовому числу, нижний – заряду частицы) составляет всего 15.3 мин. Затем он распадается на протон р+ и электрон е- (масса электрона почти в 2000 раз меньше массы протона, поэтому верхний индекс у электрона условно принимаем равным нулю):
® 
.
В составе стабильных атомных ядер нейтроны устойчивы благодаря обменному взаимодействию. В радионуклиде существует вероятность распада нейтрона на протон с испусканием из ядра электрона. Так происходит b--распад. Например, образующиеся в атомном реакторе радионуклиды йода-131 распадаются:
.
Возможны и другие виды радиоактивного распада (позитронный и К-захват), которые здесь не обсуждаются.
Любой из видов радиоактивного распада ядер сопровождается выделением энергии, носителем которой являются не только движущиеся с высокой скоростью a- и b-частицы, но и поток электромагнитного g-излучения. Радиоактивное излучение представляют опасность для живых систем, особенно если его энергия превышает естественную радиоактивность природной среды.
5.8. Ядерные реакции
Ядерные реакции осуществляются при бомбардировке атомного ядра нейтронами, протонами, электронами или ядрами других элементов, сопровождающиеся изменением состава ядер. Если радиоактивный распад осуществляется самопроизвольно, то ядерные реакции происходят при воздействии на ядро извне. Реакция деления атомных ядер используется для получения энергии на атомных электростанциях и в различных видах ядерного оружия. 
Практическое значение имеют три радионуклида 
и 
. Последний иногда называют оружейным плутонием. Схема ядерного деления, сопровождающаяся выделение энергии в форме теплоты и электромагнитного излучения, представлена на рис. 57.
Рис. 57. Цепная реакция деления урана-235. Деление одного ядра под действием нейтрона сопровождается выделением нескольких нейтронов, которые в свою очередь вызывают деление новых ядер урана-235
Уран-235 делится различными способами, например, возможно такое деление:
+ 
® 
+ 
+ 2
Делящегося металла должно быть такое количество и его атомы должны быть на таком расстоянии, чтобы нейтроны имели возможность, сталкиваясь с ядрами, продолжить цепное деление.
Атомная бомба
В атомной бомбе атомный взрыв достигается двумя способами (рис 58).
 |
Рис. 58. Схема устройства атомной бомбы (по Э. Дж Холлу «Радиация и жизнь»)
В одном случае заряд бомбы состоит из двух субкритических масс радиоактивного вещества, урана-235 или плутония-239. Когда массы уранового заряда соединяются практически мгновенно вместе, образуется критическая масса металла. В таком количестве массы происходит неконтролируемая цепная ядерная реакция деления – атомный взрыв (рис. 58, а). В случае атомного заряда, представленного на рис. 58, б, критическая масса достигается при сжатии урана или плутония.
Размер атомных бомб, сброшенных на японские города, невелик. Одна из них («Малыш») была длиной 3,1 м и диаметром 70 см, содержала урановый заряд. Другая («Толстяк») имела длину 3.2 м и диаметр 1.5 м и содержала плутониевый заряд. Атомными бомбами было уничтожено население и здания двух городов (Хиросима и Нагасаки). Оставшиеся в живых люди подверглись радиоактивному облучению.