Что происходит при радиоактивных распадах

Все ядра тяжелее урана нестабильны, так как слишком большое число протонов, в конце концов, «разваливает» ядро: ведь все протоны в пределах ядра электрически отталкиваются, а ядерные силы «склеивают» только ближайших соседей. Более легкие радиоактивные изотопы нестабильны, если содержат избыток или дефицит нейтронов по сравнению со стабильными ядрами того же элемента.

Некоторые ядра распадаются путём альфа-распада, другие — путём бета-распада, а гамма-излучение может сопровождать любой из этих видов распада. Природный образец радиоактивного минерала всегда содержит целое семейство радиоактивных изотопов, так что все три вида радиоактивных излучений обычно наблюдаются одновременно.

Всем видам радиоактивного распада присущ общий закон протекания процесса во времени. Однозначно предсказать, когда распадётся конкретное ядро, невозможно — процесс носит вероятностный характер, причем эта вероятность не зависит от времени: каждую следующую секунду шанс распасться для конкретного ядра не зависит от того, сколько уже это ядро «прожило». Образно говоря, ядра распадаются, но не стареют.

В качестве характеристики скорости процесса распада используют интервал времени Т, за который число исходных (материнских) ядер убывает в 2 раза — это так называемый период полураспада. С какого бы момента времени мы ни начали отсчёт, за время Т число материнских ядер уменьшится вдвое, через время 2Т — в 2²=4 раза, через время 3Т — в 2³=8 раз и так далее. Период полураспада для разных изотопов может варьироваться от долей секунды до миллиардов лет.

При альфа-распаде ядро «выплевывает» альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов. Вылет альфа-частицы из ядра — это туннельный эффект: ее энергия меньше высоты потенциального барьера, удерживающего частицу в ядре.

Вообще, с точки зрения квантовой механики, понятие стабильного ядра весьма условно. В принципе любое ядро может распасться за счёт туннельного эффекта, но когда вероятность туннелирования столь мала, что вряд ли реализуется за время жизни Земли и Вселенной, мы можем считать ядро стабильным.

При бета-распадах из ядра вылетает электрон или позитрон. При этом вылетающий электрон или позитрон не присутствовал в ядре изначально, но родился непосредственно перед вылетом в результате превращения протона в нейтрон или наоборот. Так что бета-распад — это внутринуклонный процесс.

Позднее было установлено, что при всех видах бета-распадов вылетает еще одна незаряженная частица — нейтрино или антинейтрино, имеющая почти нулевую массу и движущаяся поэтому практически со световой скоростью. Она почти не взаимодействует с веществом, поэтому обнаружить её удалось далеко не сразу. Главным аргументом в пользу существования нейтрино было кажущееся несохранение энергии при бета-распадах. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, Вольфганг Паули и «придумал» в 1930 году нейтрино. Зарегистрировать эту неуловимую частицу удалось лишь 25 лет спустя.

Нейтрино настолько мало взаимодействует с веществом, что могло бы без помех пролететь в воде расстояние от Земли до далеких звезд! Поэтому «отец» нейтрино Паули полагал, что нейтрино никогда не будет напрямую зарегистрировано и даже заключал об этом пари. И всё же через 25 лет, в 1956 году, он проиграл пари: американским физикам удалось зарегистрировать нейтрино от ядерного реактора — мощного источника нейтрино, о чем экспериментаторы известили Паули телеграммой.

 

Сегодня мы знаем, что наш мир буквально кишит нейтрино! Каждую секунду ваше тело пронзает более миллиона миллиардов нейтрино (в основном, от Солнца), не оказывая никакого вреда.

При любых радиоактивных распадах выделяется энергия в виде кинетической энергии вылетающих частиц, поэтому образец, содержащий достаточно много радиоактивных изотопов, всегда тёплый на ощупь. Поначалу физики были в недоумении: откуда берётся этот «неисчерпаемый» запас энергии? Только после создания специальной теории относительности удалось разгадать эту загадку.

Выделение энергии связано с уменьшением суммарной массы: масса материнского ядра всегда больше суммы масс продуктов распада. Вот эта-то «пропавшая» масса и превращается в кинетическую энергию продуктов распада, в соответствии с формулой Эйнштейна Е = mc².

В Земной коре и мантии присутствуют радиоактивные изотопы. Четыре из них особенно важны: уран-238, уран-235, торий-232 и калий-40 (указаны массовые числа изотопов). Их распад идет очень медленно. Энергия, выделяющаяся при распадах, превращается в конечном счёте в тепло земных недр. Общее количество тепла, произведенного радиоактивными изотопами — это мощный энергетический фактор, влияющий на температуру земных недр. В прошлом радиоактивность Земли была еще более высокой. 4,5 миллиарда лет назад, когда Солнечная система только образовалась, урана-235 на Земле было в сто раз больше, а калия-40 — в двенадцать раз. Следовательно, в прошлом радиоактивность была еще более мощным источником внутреннего нагрева Земли, чем в современную эпоху.