Ядра 14С образуются в атмосфере за счёт взаимодействия нейтронов космического излучения с ядрами азота: 147N+10n®146C+11р. Их период полураспада Т1/2 = 5730 лет.
Концентрация 14С в атмосферном воздухе (в составе СО2) практически постоянна в течение последних нескольких десятков тысяч лет и соответствует уровню активности около 15 Бк на 1 г углерода. При фотосинтезе растения усваивают углекислый газ, содержащий радиоуглерод, затем он попадает и в организмы животных. В результате, активность углерода во всех живых организмах одинакова. Но как только организм погибает, он перестаёт усваивать радиоуглерод, а тот, который в нём уже есть, непрерывно распадается.
Если имеется материал растительного или животного происхождения (льняная ткань, шерсть, шёлк, древесина, торф, каменный уголь, кожа, кости животных и т. д.), то, измеряя активность оставшегося радиоуглерода, можно установить возраст образца. За разработку радиоуглеродного метода определения возраста археологических находок американский учёный Уиллард Фрэнк Либби (1908—1980) получил Нобелевскую премию.
В наши дни радионуклиды известны у большинства химических элементов. Они имеют много самых разных применений, особенно в химии и биохимии. Дело в том, что химическое поведение радионуклидов какого-либо элемента практически такое же, как и у его стабильных нуклидов. Но ядра радионуклидов в момент распада «посылают сигнал» о своём присутствии. Учёные разработали аппаратуру, позволяющую надёжно регистрировать сигналы от распада буквально единичных атомов. Благодаря этому становится возможным использовать радионуклиды в качестве атомов-меток, так называемых радиоактивных индикаторов.
Например, с помощью фосфора-32 можно установить, как кукуруза усваивает из почвы фосфорное удобрение. В удобрение добавляют очень малое количество радионуклида. Далее, анализируя радиоактивность различных частей растения, можно определить, быстро ли фосфат усваивают корни, с какой скоростью он поступает в листья, стебли или початки и как усвоение удобрения зависит от его химической формы (в частности, от того, в виде какой именно соли — аммония, калия или кальция — взят фосфат), от способа введения в почву и других факторов. Полученная информация позволила существенно повысить эффективность применения минеральных удобрений.
Один из самых давних (хотя и не очень точных) методов определения возраста минералов основан на изучении так называемых окрашенных ореолов. Часто в прозрачные кристаллы вещества вкраплены крохотные частички какого-нибудь радиоактивного минерала, содержащего, например, торий или уран. Он излучает a-частицы, которые распространяются во все стороны с высокой скоростью, причём дальность полёта зависит от их начальной скорости и от плотности минерала. В воздухе пробег этих частиц измеряется несколькими сантиметрами, а в минералах — всего десятками микрометров.
В реакциях ядерного синтеза источником нейтронов может служить небольшая ампула, в которую помешена смесь бериллия и a-радиоактивного нуклида, например радия-226 или америция-243. При облучении бериллия a-частицами протекает ядерная реакция 94Ве+42Не®126С+10n, обеспечивающая общий поток источника около 107—108 нейтронов в секунду.
Наиболее мощный источник нейтронов — ядерный реактор. Поток нейтронов в каналах ядерного реактора достигает 1013—1014 нейтронов в секунду на квадратный сантиметр сечения.
Для замедления нейтронов используют материалы, содержащие лёгкие атомы (атомы элементов с небольшими атомными номерами). Чаше других замедлителями служат обычная вода, тяжёлая вода D2O, парафин, графит. При столкновении с атомами протия 1Н, дейтерия или углерода нейтроны теряют бо'льшую часть своей энергии. Важно, что ядра перечисленных атомов сами нейтронов не поглощают.
Для получения радионуклидов используют ядерные реакции. От химической ядерная реакция отличается тем, что в ходе её изменяются ядра, и, следовательно, одни атомы превращаются в другие. В таких реакциях участвуют ядра-мишени атомов различных элементов, а снарядами (бомбардирующими частицами) чаще всего служат нейтроны, протоны, дейтроны (ядра атомов тяжёлого водорода — дейтерия 21H), a-частицы, а иногда также g-кванты с большой энергией или ядра других атомов (более лёгких, чем ядра атомов-мишеней).
Первую ядерную реакцию осуществил в 1919 г. Эрнест Резерфорд. Он облучал a-частицами атомы азота.
Эрнест Резерфорд.
Из-за распада число имеющихся ядер данного радионуклида постепенно убывает. График, показывающий, как происходит уменьшение числа ядер Nt радионуклида со временем t (экспонента) аналогичен кинетической кривой для реакций первого порядка (см. дополнительный очерк «Экспонента и гиперболы»).
Схема деления ядра.
Было установлено, что a-лучи представляют собой ядра гелия 42Не. В результате a-распада заряд ядра исходного атома уменьшается на 2 единицы, а массовое число — на 4, например 22688Ra ® 22286Rn+42He.
Изучение b-лучей показало, что это поток электронов. В ядрах некоторых нуклидов нейтрон способен превращаться в протон и электрон; при этом из ядра и вылетают электроны. Заряд ядра при таком типе b-распада возрастает на единицу, а массовое число остаётся неизменным, например 9038Sr ® 9039Y.
И a-, и b-распад чаще всего сопровождаются испусканием g-лучей — коротковолнового электромагнитного излучения, близкого по своей природе к рентгеновскому.
Вильгельм Конрад Рентген.
В конце XIX столетия учёные находились под впечатлением обнаруженных в 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном невидимых лучей, способных беспрепятственно проходить через твёрдые тела и вызывать почернение фотоплёнки. Рентген назвал их Х-лучами (теперь в Германии и России они называются рентгеновскими).