Источники ионизирующих излучений

И.М. ОБОДОВСКИЙ

ИСТОЧНИКИ  
ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ

© 2016, È.Ì. Îáîäîâñêèé
© 2016, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

È.Ì. Îáîäîâñêèé
Èñòî÷íèêè èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé: Ó÷åáíîå ïîñîáèå/
È.Ì. Îáîäîâñêèé – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», 2016. – 144 ñ.

Âñå æèâîå íà Çåìëå ïîãðóæåíî â îêåàí èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé. Æèçíü âîçíèêëà, ðàçâèâàëàñü è äîñòèãëà ñîâðåìåííîãî ñîñòîÿíèÿ â óñëîâèÿõ îáëó÷åíèÿ è ïðîäîëæàåò ñóùåñòâîâàòü, âñåãäà ïîãðóæåííàÿ â ýòîò îêåàí. Ýòè èçëó÷åíèÿ
ïàäàþò íà ïîâåðõíîñòü Çåìëè èç êîñìîñà è ïîñòóïàþò îò âåùåñòâ, íàõîäÿùèõñÿ â çåìíîé êîðå, â îêðóæàþùèõ íàñ ñòðîåíèÿõ, â ïèùå, âîäå, âîçäóõå è äàæå â íàøåì òåëå.
Ïîñëå îòêðûòèÿ ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ è ðàäèîàêòèâíîñòè íà÷àëñÿ àêòèâíûé ïåðèîä ðàçðàáîòêè, èçãîòîâëåíèÿ è
èñïîëüçîâàíèÿ âñå íîâûõ èñòî÷íèêîâ è ÷ðåçâû÷àéíî øèðîêîãî èõ èñïîëüçîâàíèÿ.
 êíèãå îïèñàíû ðàçíîîáðàçíûå èñòî÷íèêè èîíèçèðóþùèõ
èçëó÷åíèé: åñòåñòâåííûå è èñêóññòâåííûå, ðàäèîíóêëèäíûå,
óñêîðèòåëè è ðåàêòîðû. Ðàññìîòðåíû ìíîãèå âàðèàíòû èõ
èñïîëüçîâàíèÿ. Îñîáîå âíèìàíèå îáðàùåíî íà ìåäèöèíñêèå
ïðèìåíåíèÿ. Óêàçàíû äîçîâûå íàãðóçêè â ðàçëè÷íûõ ñëó÷àÿõ
ðàáîòû ñ èñòî÷íèêàìè.
Ïðèâåäåíû ïðèìåðû ñëó÷àéíûõ è ïðåäíàìåðåííûõ ïåðåîáëó÷åíèé. Òåì íå ìåíåå, ñðàâíåíèå ðàçíîîáðàçíûõ ñôåð ÷åëîâå÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ïîêàçûâàåò, ÷òî ðàáîòà ñ èñòî÷íèêàìè èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé â íàñòîÿùåå âðåìÿ – îäíà èç
ñàìûõ áåçîïàñíûõ.
Ó÷åáíîå ïîñîáèå àäðåñîâàíî øèðîêîìó êðóãó ñòóäåíòîâ è
ïðåïîäàâàòåëåé áèîìåäèöèíñêèõ è èíæåíåðíî-ôèçè÷åñêèõ íàïðàâëåíèé, ñïåöèàëèñòàì ïðîìûøëåííîñòè è êëèíè÷åñêîé
ìåäèöèíû.

ISBN 978-5-91559-220-8

ISBN 978-5-91559-220-8

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Глава 1. Радиоактивные нуклиды  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.1.  Строение ядра и радиоактивный распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1. Строение ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2. Радиоактивный распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.3. Изомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.4. Внутренняя конверсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.5. Закон радиоактивного распада . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.6. Элементы, изотопы, нуклиды  . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.7. Семейство изобар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.  Ядерно-физические характеристики радионуклидов . . . . . . . . 21
1.3.  Радиогенные нуклиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.1. Радиоактивные семейства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.2. Излучения радиогенных нуклидов . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.  Трансурановые элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.1. Общая характеристика проблемы 
трансурановых элементов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.2. Плутоний 94Pu  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.3. Америций 95Am . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.4. Кюрий 96Cm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.5. Берклий 97Bk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.6. Калифорний 98Cf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5.  Нуклиды – продукты деления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.6.  Космогенные радионуклиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6.1. Тритий 3H  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6.2. Изотопы бериллия 7Be и 10Ве . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6.3. Углерод-14 14C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.6.4. Изотопы натрия 22Na и 24Na . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.7.  Мёссбауэровские нуклиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Оглавление

1.8.  Меченые атомы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.9.  Некоторые особые радионуклиды: 

85Kr, 131I, 90Sr, 137Cs, 134Cs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9.1. Криптон-85, 85Kr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9.2. Йод-131, 131I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9.3. Изотопы цезия и стронций-90, 137Cs, 134Cs и 90Sr 43
1.9.4. Калий-40, 40K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.10. Применения радионуклидных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.11. Источники медицинского применения, диагностические 
и терапевтические . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.11.1. Радионуклиды для терапии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.11.2. Радионуклиды для диагностики . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.11.3. Реакторные и ускорительные радионуклиды . . . 50
1.11.4. Генераторные нуклиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.12. Радионуклидные источники нейтронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Глава 2. Ускорители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.1. Классификация ускорителей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2. Ускорители для научных исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.1. Циклотроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.2. Синхротроны и синхрофазотроны . . . . . . . . . . . . . 58
2.2.3. Мезонные фабрики  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.4. Бетатроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.5. Микротроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3. Ускорители для радиационных технологий . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1. Введение. Области применения. 
Требования к ускорителям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.2. Родотроны  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.3. Линейные ускорители прямого действия . . . . . . . 66
2.3.3.1. Генераторы Кокрофта-Уолтона . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.3.2. Динамитрон  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.3.3.3. Генераторы Ван де Граафа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.3.4. Пеллетроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.3.5. Трансформаторные системы . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3.4. Линейные резонансные ускорители  . . . . . . . . . . . 69
2.4.  Синхротронное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5.  Ионно-лучевые ускорители-имплантеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Глава 3. Ядерные реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1.  Исследовательские реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Оглавление

3.2.  Импульсные реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.  Энергетические реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.  Атомные ледоколы, авианосцы 
и подводные лодки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Глава 4. Генераторы нейтронов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Глава 5. Естественный радиационный фон  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.1.  Космическое излучение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.  Земная радиация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Глава 6. Антропогенный радиационный фон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Глава 7. Медицинская радиационная диагностика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

7.1.  Основы медицинской радиационной диагностики . . . . . . . . . . 93
7.2.  Проекционные планарные методы визуализации . . . . . . . . . . . 94
7.3.  Вычислительная (компьютерная) томография . . . . . . . . . . . . . . 98
7.4.  Однофотонная эмиссионная компьютерная 
томография (ОФЭКТ)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.5.  Позитронно-эмиссионная томография  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.6.  Магнитно-резонансная томография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Глава 8. Радиационная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104

8.1.  Основы радиационной терапии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.2.  Рентгеновская и гамма-терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3.  Бета-терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.4.  Внутреннее облучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.5.  Протонная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.6.  Ионная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.7.  Пионная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.8.  Антипротонная терапия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.9.  Нейтронная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.10. Нейтронозахватная терапия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Глава 9. Радиационная безопасность при работе 
с источниками излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122

9.1.  Общая характеристика проблем безопасности . . . . . . . . . . . . 122
9.2.  Работа с радионуклидными источниками . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.3.  Радиационная обстановка на ядерных реакторах . . . . . . . . . . 128

Оглавление

9.4.  Радиационная обстановка на ускорителях  . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.5.  Дозы при медицинских диагностических 
и терапевтических процедурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

ПРЕДИСЛОВИЕ

Явное взаимодействие человечества с ионизирующими излучениями насчитывает около 120 лет. До этого взаимодействие тоже 
было, но не явное. С самого возникновения первых признаков жизни 
на планете Земля все живые организмы были подвержены воздействию радиации. Весьма вероятно, что радиация сыграла заметную 
роль в возникновении жизни. Еще более вероятно, что в отсутствие 
радиации развитие живых организмов и процессы видообразования 
проходили бы гораздо медленнее и беднее. Появившееся человечество 
подвергалось облучению, не подозревая об этом. В частности, люди 
сталкивались с благотворным влиянием излучений на здоровье, не понимая истинной причины такого влияния. Лечебный эффект радоновых ванн был известен задолго до открытия радиоактивности.
Проявляла радиации и свой зловредный, опасный характер. В тех 
случаях, когда интенсивность излучения превышала привычный естественный радиационный фон, люди болели и погибали, также не подозревая об истинных причинах неприятностей. Так, из камня с большим содержанием урана в городе Яхимове, Чехия (ранее он назывался 
Йоахим сталь) в XV–XVII веках строили жилые дома. Средняя продолжительность жизни в таких домах была 35–40 лет. Заболевали и рабочие фабрик, где изготовляли краски на основе соединений урана для 
живописи по фарфору, керамических глазурей и эмалей.
Примерно 120 лет назад были открыты сначала рентгеновское излучение (ноябрь 1995 г.), а затем радиоактивность (февраль 1996). 
И начался период бурного использования ионизирующих излучений.
Эпоха взаимодействия человека с радиацией четко делится на два 
периода: первые 50 лет, до осуществления цепных реакций деления 
и последующий период вплоть до настоящего времени.
Практически сразу после открытия рентгеновского излучения была 
определена позитивная роль радиации. Уже к первому сообщению об 
открытии Рентген приложил рентгенограмму кисти руки. Стало понят

Предисловие

но. что рентгеновское излучение может использоваться для просвечивания организма. несколько позднее выяснилось, что и рентгеновское 
излучение и излучения радия способны разрушать злокачественные 
опухоли. Были заложены основы радиационной терапии.
Однако и опасность воздействия излучений на человека прояснилась 
после открытия радиации довольно быстро. Так, в 1895 году помощник 
Рентгена В. Груббе получил радиационный ожог рук при работе с рентгеновскими лучами. Первооткрыватель радиоактивности А. Беккерель 
положил пробирку с вновь открытым элементом в жилетный карман, 
где она находилась несколько часов. В результате образовалась долго 
не заживающая язва. Cразу после открытия Рентгена с катодными трубками много работали Томас Эдисон, Уильям Мортон и Николай Тесла. 
Они заметили, что многочасовая работа с катодными трубками сопровождается воспалением кожи, резью в глазах, головными болями. Мучительные, долго не заживающие ожоги, развились у супругов Кюри. 
Русские учёные Е. С. Лондон и С. В. Гольдберг в опытах на себе в 1903 г. 
также убедились, что лучи радия вызывают тяжёлые ожоги.
И физики, изучавшие радиоактивные излучения, и врачи, использовавшие эти излучения, первые годы работали с ними без всяких 
предосторожностей и защиты. Просвечивая своих пациентов, врачи 
ежедневно сами получали определённую дозу облучения. Скрытый 
вред, наносимый этими лучами, накапливался изо дня в день. Спустя 
10–15 лет после такой практики началось массовое поражение врачейрентгенологов злокачественными опухолями. Почти все энтузиасты 
этого нового метода диагностики погибли в течение нескольких лет.
В 1936 году в Гамбурге перед Госпиталем св. Георгия был установлен памятник «жертвам радия и Х-лучей». На монументе были начертаны имена 110 учёных и инженеров, ставших жертвой первых экспериментов с рентгеновскими лучами. В последующем на монумент 
постоянно наносились новые имена, и очень скоро его пришлось окружить дополнительными плитами.
После открытия деления урана, постройки первых реакторов 
и взрывов первых атомных бомб начался новый этап во взаимодействии 
человека с ионизирующим излучением. Состоялось первое и пока последнее военное использование атомного оружия при бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки. Началось строительство 
ядерных реакторов, предприятий по обогащению урана и переработке 
ядерного топлива. Огромную роль в науке и в развитии радиационных 
технологий сыграли ускорители заряженных частиц. Было получено 
большое количество новых радиоактивных нуклидов

Предисловие

Справедливости ради надо сказать, что и реакторы и ускорители 
появились задолго до нашего времени. Примерно два миллиарда лет 
назад в районе местечка, которое теперь называется Окло, на территории современного африканского государства Габон действовал на 
протяжении более нескольких тысяч лет природный ядерный реактор. 
В космических лучах на Землю приходят частицы, ускоренные в космических ускорителях до таких энергий, которые получить на земных 
ускорителях не представляется возможным в пределах времени, которое может охватить своим взглядом любой футурист.
В результате длительной, напряженной, а порой и драматичной работы выяснилось, что излучения, выходящие из атома, не только несут 
колоссальную энергию и богатую информацию об обширном субатомном мире, но и являются мощнейшим инструментом в исследованиях 
и технологии. К настоящему времени они используются практически 
во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, охране окружающей среды, в геологии, биологии, криминалистике, археологии, 
искусствоведении, ювелирном деле и во многих других сферах человеческой деятельности. Хорошо известна роль ядерных излучений в медицине, где они играют важнейшую роль и в диагностике, и в терапии. 
Возникли самостоятельные отрасли –  ядерная энергетика и радиоизотопное приборостроение. Существенно, что ядерные излучения воздействуют на вещество и могут изменять его характеристики, в частности, в желательном для человека направлении.
Однако из-за печального опыта военного применения ядерного оружия, из-за сложившейся неблагоприятной репутации ядерных излучений, из-за особых свойств ядерных излучений –  их невидимости, отсутствии запаха, вкуса, из-за некоторых опасных происшествий в сфере 
ядерной энергетики в обществе создалась некоторая негативная атмосфера, отталкивающая людей от этой области знаний и деятельности. Большая часть негативных реакций общественности вызвана 
недопониманием, недостатком достоверной информации. Требуется 
длительная и постоянная работа по демонстрации благоприятных, безопасных, а часто, совершенно необходимых аспектов использования 
радиационных технологий.
Тема «Источники излучений» чрезвычайно обширна и многообразна. С одной стороны, источники излучений –  это инструменты, позволяющие решать определенные задачи в науке, различных отраслях 
хозяйства и медицине. С другой стороны, источники изучений –  это 
основная причина радиационной опасности. Грамотное использование 
источников излучений позволяет с одной стороны удовлетворить фун

Предисловие

даментальные потребности человечества, создает конкурентные преимущества в производстве, повышает наши знания о природе и о процессах в ней происходящих. С другой стороны чётко определены 
и сформулированы правила обращения с источниками ионизирующих 
излучений и если бы эти правила всегда неукоснительно выполнялись, 
работа с ионизирующими излучениями была бы одной из самых безопасных сфер человеческой деятельности.
Целью данной книги является изложение принципов, лежащих в основе использования различных источников излучений. Книга предназначена для студентов, аспирантов и преподавателей инженерно-физических и технических специальностей, для инженеров и специалистов 
различных отраслей промышленности, использующих источники ионизирующих излучений в своей работе или пользующиеся результатом 
их воздействий на вещество и биологические структуры, а также для 
читателей, интересующихся современными проблемами, связанными 
с использованием источников ионизирующих излучений.
На содержание и объем настоящей книги решающим образом повлияли советы Л. Ф. Соловейчика, за что ему особая благодарность. 
Бесспорную помощь оказали автору его коллеги по работе в МИФИ, 
А. И. Болоздыня и С. Г. Покачалов. Автор всегда ценит моральную поддержку Оксаны Кириченко.

Г Л А В А
1

РАДИОАКТИВНЫЕ НУКЛИДЫ

Явление радиоактивности позволило создать большое количество типов 
источников разных излучений. Прежде чем рассматривать их характеристики, напомним некоторые необходимые сведения из ядерной физики, относящиеся к проблеме источников.

1.1.  Строение ядра и радиоактивный распад

1.1.1. Строение ядра

Атомные ядра состоят из Z положительно заряженных 
протонов и N электрически нейтральных нейтронов. Общее число 
протонов и нейтронов в ядре А = Z + N называется массовым числом 
и приблизительно определяет массу ядра. Они связаны особым, так называемым, сильным (или ядерным) взаимодействием. Если пренебречь 
электрическим зарядом, то свойства нейтрона и протона оказываются 
настолько схожи, что часто их называют одним термином нуклон. Особенность ядерного взаимодействия проявляется, в частности, в том, 
что ядро оказывается стабильным только при определенном соотношении числа нейтронов и протонов.
В лёгких ядрах число протонов примерно равно числу нейтронов, 
т. е. Z/A ~ 0,5. Например, 4
2He, 12
6C и так до 40
20Ca. Только в водороде, 
ядро которого состоит из одного протона, Z/A = 1. С ростом Z число нейтронов обгоняет число протонов, величина Z/A немонотонно 
уменьшается, испытывая от элемента к элементу незначительные 
колебания вокруг среднего, и достигает значения Z/A = 0,39 для 
урана. Такое соотношение числа нейтронов и протонов соответствует стабильным ядрам. Если соотношение числа нейтронов или протонов отличается от устойчивого, ядра испытывают радиоактивный 
распад.

Глава 1. Радиоактивные нуклиды

В окружающем нас мире известны ядра со всеми значениями Z от 1 
до 118 (январь 2016), но утверждённые названия имеют только ядра 
с атомными номерами до Z = 112, а также 114 и 116. Область стабильных ядер заканчивается висмутом (Z = 83). Далее вплоть до урана 
(Z = 92) идут радиоактивные ядра, а при больших значениях Z –  ядра, 
полученные искусственно, так называемые трансурановые элементы. Не существует стабильных ядер для Z = 43 (технеций) и 61 (прометий). Стабильные ядра имеют массовые числа А от 1 до 209, кроме 
А = 5 и А = 8, а получение все более тяжелых трансурановых элементов 
продолжается. Самый тяжёлый известный на сегодня трансурановый 
элемент (январь 2016) с временным названием Унуноктий (Z = 118, 
A = 294). Этот элемент относится к группе инертных газов. С получением этого элемента замкнут 7-ой ряд таблицы Менделеева.

20

20

40

40

60

60

80

80

100

100

120
140
160
Число нейтронов N

Число протонов Z

Стабильные ядра

β+ - или р-Распад

β– - или n-Распад

α-Распад

Граница протонной
стабильности

Спонтанное деление

Нейтронная линия
стабильности

Рис. 1.  Протонно-нейтронная диаграмма. На основе [1].

На рис. 1 приведена протонно-нейтронная диаграмма известных 
ядер. Стабильные нуклиды показаны черными точками примерно 
по центру затемненной области. Светло-серые точки обозначают известные р/а нуклиды, испытывающие преимущественно β+-распад или 
электронный захват (EC). Они расположены выше ряда стабильных ну

1.1.  Строение ядра и радиоактивный распад

клидов. Темно-серые точки обозначают известные р/а нуклиды, испытывающие преимущественно β–-распад. Очень светлые точки в верхней части диаграммы обозначают нуклиды, испытывающие в основном 
альфа-распад. Выше области альфа-активных ядер находится намечающийся «остров стабильности».

1.1.2. Радиоактивный распад

При определённых соотношениях числа протонов и нейтронов ядра оказываются нестабильными. С ними происходят превращения, получившие название радиоактивный (далее р/а) распад. 
Аналогичные превращения испытывают и все ядра в возбуждённом 
состоянии.
Известны 3 вида самопроизвольного распада ядер: альфа-распад, бета-распад и спонтанное деление. Гамма-излучение испускается 
ядром при переходах между энергетическими уровнями без изменения состава ядра, так что, строго говоря, здесь распада не происходит. 
Тем не менее по традиции и в этом случае используется термин распад. 
Строго говоря, все процессы распада спонтанные, т. е. самопроизвольные. Но в случае деления указывают, что это процесс спонтанный, чтобы отличить этот относительно редкий процесс от основного процесса 
в ядерной энергетике –  деления ядер под действием нейтронов.
Если число нейтронов в ядре превышает равновесное значение, 
то происходит β–-распад, при котором в ядре нейтрон превращается 
в протон, заряд ядра вырастает на единицу, а из ядра вылетает электрон 
и антинейтрино. Если число нейтронов меньше равновесного, то происходит β+-распад, протон в ядре превращается в нейтрон, заряд ядра 
уменьшается на единицу, а из ядра вылетают позитрон и нейтрино. Одним из вариантов β+-распада является электронный захват (EC –  electron 
capture). При этом ядро захватывает электрон собственной электронной 
оболочки.
Распады удобно показывать на энергетической диаграмме (рис. 2a, 
b, c, d). На диаграмме по оси абсцисс подразумевается атомный номер Z, а по оси ординат масса ядра (как правило, в энергетических 
единицах, часто, условно, без соблюдения масштаба). Поскольку для 
потенциальной энергии калибровка, т. е. установка нуля, произвольна, 
то обычно за нуль принимается основное состояние дочернего ядра. 
В распаде могут участвовать не только основные состояния ядер, 
но и возбуждённые уровни, показанные на диаграмме. Стрелки для 
β–-распада направлены вправо, т. к. заряд ядра при этом увеличивает

Глава 1. Радиоактивные нуклиды

ся. Для β+-распада, стрелки направлены влево, т. к. заряд ядра уменьшается. На диаграммах рис. 2 горизонтальные стрелки показывают на 
какой энергетический уровень произошёл переход.

а)

c)

b)

d)

Na
22
11

Nе
22
10

Со
60
27

Ni
60
28

Ba
137
56

Cs
137
55

2,6 лет

1,27

5,3 лет

β+ 90,5%; ЕС 9,5%

β+ 0,06%

K
40
19

Ar
40
18

Са
40
20

1,46

β+ 0,001%; ЕС 0,2%

ЕС 10,5%

β–
β–

β– 89,3%

99,88%

0,12%

2,5

1,33

1,28·109 лет

30,2 лет

0,662
94,6%
5,4%

Рис. 2.  Энергетические диаграммы распадов: a) β+-распад 22Na; b) β–- и ЕСраспады ядра 40К; с) β–-распад ядра 60Co d) β–-распад ядра 137Cs. Энергия уровней в МэВ.

При определенных условиях могут одновременно идти 2 конкурирующих процесса: β+-распад и электронный захват. Некоторые ядра 
могут распадаться как путем β–-распада, так и путем β+-распада (или 
электронного захвата). Например, нуклид 40К в 89,3% случаев испускает электрон, превращаясь в 40Са, а в 10,7% случаев испытывает электронный захват, превращаясь в 40Ar. С вероятностью 0,001% 
с электронным захватом конкурирует β+-распад. Схема распада 40К 
приведена на рис. 2b.
Часто в процессе бета-распада электрон (позитрон) переходит не на 
основное состояние, а на возбуждённое и тогда β-распад сопровождается гамма-излучением. Переходы между энергетическим уровнями 
ядра с испусканием гамма-квантов показаны вертикальными стрелками. Эти переходы подчиняются правилам отбора, которые определяют 
время жизни соответствующего уровня и, в некоторых случаях, запрет 
перехода. Поскольку ядерные уровни дискретны, спектр гамма-квантов –  линейчатый. Нуклиды, в которых бета-переход осуществляется 
сразу на основное состояние дочернего ядра и, следовательно, бетаизлучение не сопровождается излучением гамма-квантов, называют