Химический элемент определяется числом протонов. Углерод всегда содержит шесть протонов, но число нейтронов может различаться. Такие варианты называют изотопами, а конкретный вид ядра — нуклидом. Если сочетание протонов и нейтронов неустойчиво, ядро самопроизвольно переходит в другое состояние и испускает частицы или электромагнитное излучение.
Распад одного ядра случаен, множества — предсказуем
Нельзя сказать, какая именно частица распадётся следующей. Зато для огромного числа одинаковых ядер доля распадов подчиняется устойчивой статистике. Период полураспада — время, за которое в среднем остаётся половина исходных радиоактивных ядер. Ещё через такой же период останется четверть, затем восьмая часть.
Температура и давление почти не меняют обычные ядерные периоды полураспада, потому что энергии химических процессов слишком малы по сравнению с ядерными. Есть специальные исключения для некоторых способов распада, зависящих от электронного окружения, но они не отменяют общего правила.
Альфа, бета и гамма описывают разные переносчики
При альфа-распаде ядро испускает тяжёлую частицу из двух протонов и двух нейтронов. Она быстро теряет энергию и плохо проходит через вещество, но опасна при попадании источника внутрь организма. Бета-распад связан с испусканием электрона или позитрона и нейтрино. Гамма-квант — высокоэнергичное электромагнитное излучение, которому требуется более серьёзное экранирование.
Радиоактивность источника показывает число распадов в секунду и измеряется в беккерелях. Поглощённая доза и биологический эффект — другие величины. Поэтому фраза «высокая радиоактивность» без расстояния, времени, вида излучения и пути попадания мало говорит о риске.
Почему нестабильность полезна
Короткоживущий медицинский радионуклид может дать сигнал для изображения и быстро потерять активность. Более долгоживущие нуклиды используют в терапии, промышленной дефектоскопии или измерителях толщины, если источник надёжно закрыт. В геологии известный закон распада превращает отношение родительского и дочернего нуклидов в часы — при условии, что система оставалась закрытой.
Искусственный изотоп не обязательно опаснее природного. Значение имеют активность, энергия и тип излучения, химическое поведение, защита и способ контакта. Нестабильное ядро становится инструментом именно потому, что его распад вероятностен для одной частицы, но точно описывается для большого ансамбля.
