Энергия распада

Энергия распада — изменение энергии, которое происходит в ядре при радиоактивном распаде.

Радиоактивный распад — процесс, при котором радиоактивое атомное ядро теряет энергию путём испускания ионизирующих частиц и излучения. В результате распада, или потери энергии, атом одного типа (называемый родительским нуклидом) преобразуется в атом другого типа (называемый продуктом распада).

Количественное описание распада

Разность энергий ядер обычно обозначается Q:

$Q=\left({\text{кинетическая энергия}}\right)_{\text{после}}-\left({\text{кинетическая энергия}}\right)_{\text{до}},$

$Q=\left({\text{масса покоя}}\right)_{\text{до}}c^{2}-\left({\text{масса покоя}}\right)_{\text{после}}c^{2}.$

Энергия распада обычно выражается в единицах энергии МэВ (миллион электронвольт) или кэВ (тысяча электронвольт):

$Q{\text{ [МэВ]}}=-931.5\Delta M{\text{ [Da]}},~~({\text{где }}\Delta M=\Sigma M_{\text{продукты}}-\Sigma M_{\text{исходные }}).$

Выделяют следующие типы радиоактивного распада:

• гамма-излучение,
• бета-распад (энергия распада распределяется между испускаемым электроном и нейтрино, которое испускается одновременно),
• альфа-распад.

Энергия распада — разность масс Δm между родительским атомом и продуктами распада. Она равна энергии излучения E. Если A — активность, то есть число распадающихся атомов в единицу времени, M — молярная масса, тогда мощность излучения P равна:

$P=\Delta {m}\left({\frac {A}{M}}\right).$

или

$P=E\left({\frac {A}{M}}\right).$

или

$P=QA.$

Пример: ⁶⁰Co распадается в ⁶⁰Ni. Разность масс Δm равна 0,003 а. е.м. Испущенная энергия приблизительно равна 2,8 МэВ. Молярная масса равна 59,93. Период полураспада T равный 5,27 года соответствует активности A = N [ ln(2) / T ], где N — число атомов на моль, а T — период полураспада. С учётом перевода единиц измерения мощность излучения для ⁶⁰Co составит 17,9 Вт/г.

Мощность излучения в Вт/г для некоторых изотопов:

⁶⁰Co: 17,9

²³⁸Pu: 0,57

¹³⁷Cs: 0,6

²⁴¹Am: 0,1

²¹⁰Po: 140 (Т = 136 сут)

⁹⁰Sr: 0,9

²²⁶Ra: 0,02

Для радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов) нужна высокая энергия распада и большой период полураспада. Чтобы уменьшить стоимость и вес радиационной защиты, предпочтение отдаётся источникам, не испускающим мощное гамма-излучение. Из вышеприведённого перечня видно, почему несмотря на чрезвычайно высокую стоимость — ²³⁸Pu, имеющий период полураспада около 80 лет и слабое гамма-излучение, используется в РИТЭГах. ⁹⁰Sr имеет практически все показатели хуже, чем ²³⁸Pu: период полураспада короче, он испускает бета-излучение, а не альфа-излучение, от которого легче защититься, и испускает значительное гамма-излучение при распаде дочернего нуклида ⁹⁰Y, но из-за высокого выхода продукта ядерного деления и простоты его химического отделения от остальных продуктов деления, РИТЭГи на основе титаната стронция широко использовались в труднодоступных местностях на протяжении большей части XX века. Несмотря на то, что кобальт-60 широко используется для облучения продуктов питания, его не рационально использовать в качестве изотопа для РИТЭГов, поскольку большинство его энергии распада выделяется в виде гамма-лучей, что требует существенной защиты. Более того, период полураспада 5 лет — слишком короткий для большинства задач.

Ссылки

• Radioactivity Radionuclides Radiation by Joseph Magill and Jean Galy, Springer Verlag, 2005