Что такое радиоактивность?

Радиоактивность – физический процесс самопроизвольных превращений атомных ядер. Исходное ядро называется материнским, или родительским ядром (mother nucleus, или parent nucleus, англ.). Соответствующий радионуклид также называется материнским (родительским). Ядро, образовавшееся в результате радиоактивного превращения, называют дочерним ядром, или ядром-потомком (daughter nucleus, или progeny nucleus, англ.). Аналогичное наименование имеет и образующийся радионуклид. Материнское и дочернее ядра, а также состоящие из них радионуклиды, называются генетически связанными. Если дочернее ядро оказывается радиоактивным, то говорят о цепочках радиоактивных превращений, или о радиоактивных рядах (семействах). Все элементы в радиоактивных рядах также называются генетически связанными.

При альфа-распаде (обозначается a ) ядро атома испускает ядро ⁴He, называемое a-частицей.

К явлениям ß-превращений относятся следующие самопроизвольные процессы:

• ß^--превращение (ß^--распад) - самопроизвольное испускание ядром пары частиц «электрон и антинейтрино электронное»;
• ß⁺-превращение (ß⁺-распад) - самопроизвольное испускание ядром пары частиц «позитрон и нейтрино электронное»;                                                
• е-захват, электронный захват (e) - явление самопроизвольного захвата электрона атомарной электронной оболочки (чаще всего К-электрона; поэтому его часто называют К-захватом) с испусканием электронного нейтрино;

• y-излучение (y) – процесс самопроизвольного испускания ядром фотона (или нескольких фотонов) со значениями энергии, при которых данное фотонное излучение считается ионизирующим.

                                  Электронный захват

Переходы ядер из долгоживущих состояний (со средним временем жизни от 100 нс и более) называются изомерными переходами, а долгоживущие в возбужденных состояниях ядра - изомерами. Возбуждение ядер изомеров может сниматься не только за счет электромагнитных взаимодействий, но и путем испускания альфа- и бета-частиц, или других частиц при наличии соответствующих условий.

Кроме этих процессов к явлениям радиоактивности относят:

• спонтанное деление (обозначается символом f от слова fission - деление, англ.) – самопроизвольное деление тяжелых ядер на два осколка сравнимой массы (редко – три и более);
• кластерная активность - самопроизвольное испускание тяжелыми ядрами ядер-кластеров тяжелее ⁴He (на сегодня известны кластеры вплоть до ³²S);
• нейтронная активность (n) – спонтанное испускание нейтронов ядрами (имеет место среди легких ядер, перегруженных нейтронами, например, ⁵He, или ¹⁰Li);
• протонная активность (p) – спонтанное испускание протонов ядрами (например, ¹¹²Cs, ¹³⁵Tb; самый тяжелый - ¹⁸⁵Bi);
• бета-задержанные распады ядер – спонтанное испускание нейтронов (ßn,ß2n), протонов (ßp,ep,e2p), альфа-частиц (ßa,ea), либо бета-задержанное спонтанное деление для сверхтяжелых ядер (ßf,ef). Они возникают из-за образования дочерних ядер в высоковозбужденных состояниях. Типичный пример – испускание т.н. запаздывающих нейтронов осколками деления тяжелых ядер.

Среди бета-превращений иногда отдельно выделяют следующие процессы:

• Бета-превращение «голых» ядер - самопроизвольное ß^--превращение в сильно ионизированном атоме, период полураспада которого отличается (иногда очень значительно) от периода полураспада нейтрального атома. Например, период полураспада ¹⁸⁷Re в виде нейтрального атома составляет 5×10¹⁰ лет, а в полностью ионизированном состоянии – на 9 порядков меньше. В многозарядных радиоактивных ионах также возникает связанное бета-превращение - самопроизвольное    испускание ядром пары «электрон – антинейтрино» с последующим захватом электрона электронной оболочкой атома (обозначается ß_b).
• Двойные бета-превращения – спонтанное испускание двух пар «электрон – антинейтрино» (2ß^-), либо двух пар «позитрон – нейтрино» (2ß⁺), либо двойной электронный захват (2e),  либо же электронный захват с эмиссией позитрона (eß⁺). Эти процессы очень редки и характеризуются самыми большими известными на сегодня периодами полураспада (от 7×10¹⁸ лет у ¹⁰⁰Ru до (3,5±2,0)⋅10²⁴ лет у ¹²⁸Te).

Осколки деления, протоны и нейтроны можно считать составными частями атомных ядер. Альфа-частицы и кластеры, возникающие в соответствующих явлениях радиоактивности, можно считать составными частями ядер с некоторыми оговорками (их надо рассматривать как виртуальные частицы). Электроны и антинейтрино, также как позитроны и нейтрино не являются составными частями ядра, а также не входят в структуру нуклонов. Гамма-излучение ядер появляется в результате электромагнитных переходов в ядрах, и поэтому их вовсе нельзя отнести к распадам ядер. Таким образом, прижившийся в научном и житейском обиходе термин «распад» нельзя трактовать применительно к явлению радиоактивности буквально, а следует считать его синонимом слова «превращение». В этом смысле тогда можно использовать термины «бета-распад», «гамма-распад».

Электромагнитные квантовые переходы в ядрах могут сопровождаться явлениями внутренней конверсии (вместо гамма-кванта атом испускает электрон с электронной оболочки) или парной конверсии (вместо гамма-кванта образуется электрон-позитронная пара). Но эти явления не рассматривают в качестве отдельных видов радиоактивности.

Таким образом, радиоактивность следует рассматривать в целом как атомарное явление, связанное с превращениями атомного ядра.

Некоторые радионуклиды способны проявлять два (например, a- и ß^- ядра ²¹²Bi; ß^- и e y ⁴⁰K и ⁶⁴Cu; p и a у ¹⁸⁵Bi) или даже три вида радиоактивности (например, a, e и ep у ¹¹⁰Xe; ß^-, ß^-n и ß^-2n у ⁹⁸Rb; e, ep и e2p  y ³⁵Ca), проявляющиеся с различной вероятностью. В этом случае говорят, что эти радионуклиды способны испытывать радиоактивные превращения по различным модам.

В природе встречаются 4 радиоактивных семейства, или 4 естественных радиоактивных ряда:

Наиболее распространенные три вида семейств из них представлены на рисунке: