Закон радиоактивного распада
Радиационная биофизика
Введение
Ионизирующие излучения подразделяются по своей природе на корпускулярные (ионизирующие частицы имеют массу покоя отличную от нуля) и электромагнитные. Электромагнитные излучения – это гамма-излучение и рентгеновское излучение. Все остальные виды ионизирующих излучений имеют корпускулярную природу – α-частицы, β-частицы, нейтроны, нейтрино, антинейтрино, осколки деления ядер.
Рисунок 1. Процесс ионизации атома гамма-квантами и бета-частицами.
Электромагнитное ионизирующее излучение
Рентгеновское излучение – электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, в пределах длин волн от 10-12 до 10-5 см. Рентгеновские лучи с длиной волны менее 0,2 нм условно называются жёсткими, более 0,2 нм – мягкими рентгеновскими лучами.
В зависимости от механизма возникновения рентгеновское излучение делят на тормозное и характеристическое. Тормозное рентгеновское излучение имеет непрерывный энергетический спектр и возникает при уменьшении кинетической энергии (торможении, рассеянии) быстрых заряженных частиц – например, при торможении ускоренных электронов в кулоновском поле.
Характеристическое рентгеновское излучение имеет дискретный энергетический спектр и возникает при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул.
Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,01 нм. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высокоэнергетичных частиц. Возникает при распаде радиоактивных ядер (гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное), взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар.
Рисунок 2. Возникновение гамма-излучения при переходе ядра из возбужденного энергетического состояния в основное
Корпускулярное ионизирующее излучение
α-частицы представляют собой положительно заряженные ядра атомов гелия 
, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. α-частицы испускаются при радиоактивном распаде изотопов тяжелых элементов (Z>82). Альфа-частицы имеют положительный заряд, скорость распространения до 20 000 км/c, обладают большой массой – 4.003 а.е.м., большой энергией – 2-11 МэВ, проникающая способность в воздухе 2-10 см, в биологических тканях – несколько десятком микрометров. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100-250 тыс. пар ионов, при попадании в организм они крайне опасны для человека и животных (плотноионизирующее радиоактивное излучение).
Рисунок 3. Схема альфа-распада
β–частицы представляют собой электроны (отрицательный заряд) и позитроны (положительный заряд), испускаемые ядрами атомов при бета–распаде. Бета-частицы имеют массу 0,000548 а.е.м., распространяются со скоростью света, проникающая способность в воздухе до 25 метров, а в биологических тканях до 1 см, в воздухе на 1 см пробега образует 50-100 пар ионов (редкоионизирующее излучение).
Рисунок 4. Схема электронного бета-распада
Рисунок 5. Схема позитронного бета-распада
Нейтроны не несут заряда (электронейтральны), проникающая способность в воздухе и в биологических тканях очень большая, они являются плотноионизирующими, атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми, распадаются с испусканием протонов, альфа-частиц, фотонов гамма-излучения, осколков ядра. Сам по себе нейтрон также неустойчив – он испытывает бета-распад, при этом время жизни его в свободном состоянии (вне атомного ядра) составляет около 880 с.
Радиоактивность. Единицы измерения радиоактивности
Радиоактивность – это свойство ядер определенных элементов самопроизвольно (без внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением.
Активность (А) – мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида. Единицей активности в СИ служит распад в секунду (расп/с). Этой единице присвоено наименование Беккрель – Бк (Вq), 1 Бк = 1 расп/с (с-1). Внесистемной единицей служит Ки. 1 Kи [Кюри] = 3.7 ∙ 1010 Бк.
А = – dN/dt = λN,
где N – число распавшихся ядер за время t, λ – постоянная (вероятность) радиоактивного распада с-1;
Закон радиоактивного распада
Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля имеющихся в наличии ядер. Математически закон радиоактивного распада выражается уравнением:
N(t) = N0 e-lt , А(t) = А0 e-lt
T1/2=0,693/ λ
где Nt – количество радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени t;
N0 – исходное количество радиоактивных ядер в момент времени t = 0 (N0 > Nt);
At – активность радионуклида по прошествии времени t;
А0 – активность радионуклида в момент времени t = 0;
е – основание натуральных логарифмов (е = 2,72);
λ – постоянная радиоактивного распада, с-1;
t – промежуток времени, равный t- t0, с