Радиоактивный распад (также известный как ядерный распад , радиоактивность , радиоактивный распад или распад ядра ) — это процесс, при котором нестабильное атомное ядро теряет энергию за счет излучения . Материал, содержащий нестабильные ядра, считается радиоактивным . Три наиболее распространенных типа распада — это альфа-распад ( α-распад ), бета-распад ( β-распад ) и гамма-распад ( γ-распад ), каждый из которых включает испускание одной или нескольких частиц . Слабая силаэто механизм , ответственный за бета-распад, в то время как два других управляются электромагнетизмом и ядерным взаимодействием . [1]
Радиоактивный распад – это стохастический (то есть случайный) процесс на уровне отдельных атомов. Согласно квантовой теории , невозможно предсказать, когда конкретный атом распадется, независимо от того, как долго он существует. [2] [3] [4] Однако для значительного числа идентичных атомов общая скорость распада может быть выражена как константа распада или период полураспада . Периоды полураспада радиоактивных атомов имеют огромный диапазон; от почти мгновенного до намного большего, чем возраст Вселенной .
Распадающееся ядро называют исходным радионуклидом (или исходным радиоизотопом [примечание 1] ), и в процессе образуется по крайней мере один дочерний нуклид . За исключением гамма-распада или внутренней конверсии из возбужденного состояния ядра , распад представляет собой ядерную трансмутацию , в результате которой дочерний элемент содержит другое количество протонов или нейтронов (или того и другого). Когда число протонов изменяется, создается атом другого химического элемента .
Напротив, существуют процессы радиоактивного распада, которые не приводят к ядерной трансмутации. Энергия возбужденного ядра может быть испущена в виде гамма-излучения в процессе, называемом гамма-распадом , или эта энергия может быть потеряна, когда ядро взаимодействует с орбитальным электроном, вызывая его выброс из атома, в процессе, называемом внутренней конверсией . Другой тип радиоактивного распада приводит к различным продуктам, проявляющимся в виде двух или более «фрагментов» исходного ядра с диапазоном возможных масс. Этот распад, называемый спонтанным делением, происходит, когда большое нестабильное ядро спонтанно распадается на два (или иногда три) меньших дочерних ядра, и обычно приводит к испусканию гамма-лучей, нейтронов или других частиц из этих продуктов. Напротив, продукты распада ядра со спином могут распределяться неизотропно по отношению к этому направлению спина. Либо из-за внешнего воздействия, такого как электромагнитное поле , либо из-за того, что ядро образовалось в динамическом процессе, ограничивающем направление его вращения, анизотропию можно обнаружить. Таким исходным процессом мог быть предыдущий распад или ядерная реакция . [5] [6] [7] [примечание 2]
Сводную таблицу, показывающую количество стабильных и радиоактивных нуклидов, см . Radionuclide . На Земле имеется 28 встречающихся в природе химических элементов, которые являются радиоактивными и состоят из 34 радионуклидов (6 элементов имеют 2 разных радионуклида), датируемых временем до образования Солнечной системы . Эти 34 известны как первичные нуклиды . Хорошо известными примерами являются уран и торий , но также включены встречающиеся в природе долгоживущие радиоизотопы, такие как калий-40 .
Еще 50 или около того короткоживущих радионуклидов, обнаруженных на Земле, таких как радий-226 и радон-222 , являются продуктами цепочек распада , начавшихся с первичных нуклидов, или являются продуктом продолжающихся космогенных процессов, таких как производство углерод- 14 из азота-14 в атмосфере космическими лучами . Радионуклиды также могут быть получены искусственно в ускорителях частиц или ядерных реакторах , в результате чего 650 из них имеют период полураспада более часа, а еще несколько тысяч имеют еще более короткий период полураспада. (См. Список нуклидовдля списка из них, отсортированных по периоду полураспада.)