Beta se rozpadá do vázaného stavu atomu. Typy jaderných přeměn, alfa a beta rozpad B rozpad hmotnostní počet jader
V souladu s druhy radioaktivního záření existuje několik typů radioaktivního rozpadu (typy radioaktivních přeměn). Prvky s příliš velkým množstvím protonů nebo neutronů ve svých jádrech procházejí radioaktivní transformací. Zvažte typy radioaktivního rozpadu.
1. Alfa rozpad charakteristické pro přírodní radioaktivní prvky s velkým pořadovým číslem (tj. s nízkou vazebnou energií). Je známo asi 160 alfa-aktivních typů jader, většinou jejich sériové číslo je více než 82 (Z> 82). Alfa rozpad je doprovázen emisí částice alfa z jádra nestabilního prvku, kterým je jádro atomu helia He (obsahuje 2 protony a 2 neutrony). Jaderný náboj se sníží o 2, hmotnostní číslo o 4.
ZAX → Z-2 A-4 Y + 2 4He; 92 238U → 24 He + 90 234Th;
88 226Ra → 2 4He + 86 222Ra + γ rad.
Více než 10 % radioaktivních izotopů podléhá rozpadu alfa.
2. Beta rozpad.Řada přírodních a umělých radioaktivních izotopů podléhá rozpadu s emisí elektronů nebo pozitronů:
a) Elektronický beta rozpad. typické pro přírodní i umělé radionuklidy, které mají nadbytek neutronů (tj. především pro těžké radioaktivní izotopy). Asi 46 % všech radioaktivních izotopů podléhá elektronickému beta rozpadu. V tomto případě se jeden z neutronů změní na a jádro také emituje antineutrino. Náboj jádra a tím i atomové číslo prvku se zvýší o jednu, zatímco hmotnostní číslo zůstane nezměněno.
AZ X → AZ + 1 Y + e- + v-; 24194Pu → 24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.
Při emitování β-částic mohou být atomová jádra v excitovaném stavu, kdy je v dceřiném jádru nalezen přebytek energie, který není zachycen korpuskulárními částicemi. Tento přebytek energie je emitován ve formě gama kvant.
13785Cs → 13756 Ва + е - + v- + γ rad .;
b) rozpad pozitronu beta. Je pozorován u některých umělých radioaktivních izotopů, které mají v jádře nadbytek protonů. Je charakteristická pro 11 % radioaktivních izotopů v první polovině Mendělejevovy tabulky (Z<45). При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в , заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.
AZX → AZ-1Y + e + + v +; 3015P → 3014Si + e + + v +; 6428Ni + e + + v +.
Pozitron, který unikl z jádra, odtrhne „nadbytečný“ atom z obalu atomu nebo interaguje s volným elektronem a vytvoří pár „pozitron-elektron“, který se okamžitě změní na dvě gama kvanta s energií ekvivalentní hmotnost částic (e a e). Proces přeměny páru „pozitron-elektron“ na dvě gama kvanta se nazývá anihilace (destrukce) a vzniklé elektromagnetické záření – anihilace. V tomto případě dochází k přeměně jedné formy hmoty (částic hmoty) na jinou – gama fotony;
c) elektronické zachycení. Jedná se o typ radioaktivní přeměny, kdy jádro atomu zachytí elektron z energetické hladiny K nejblíže jádru (elektronický záchyt K) nebo méně často 100krát - z hladiny L. Výsledkem je, že jeden z protonů jádra je neutralizován elektronem, který se změní na. Sériové číslo nového jádra se sníží o jedno a hmotnostní číslo se nezmění. Jádro vyzařuje antineutrina. Uvolněné místo, které bylo obsazeno zachyceným v hladině K nebo L, je vyplněno elektronem z energetických hladin vzdálenějších od jádra. Přebytečná energie uvolněná při tomto přechodu je vyzařována atomem ve formě charakteristického rentgenového záření.
AZX + e- → AZ-1 Y + v- + RTG záření;
4019K + e- → Ar + v- + RTG záření;
6429Сu + е- → 6428 Ni + v- + rtg.
Elektronický K-záchyt je charakteristický pro 25 % všech radioaktivních jader, ale hlavně pro umělé radioaktivní izotopy nacházející se v druhé polovině D.I. Mendělejev a mající přebytek protonů (Z = 45 - 105). Pouze tři přírodní prvky podléhají záchytu K: draslík-40, lanthan-139, lutecium-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).
Některá jádra se mohou rozkládat dvěma nebo třemi způsoby: rozpadem alfa a beta a záchytem K.
Draslík-40 prochází, jak již bylo uvedeno, elektronickým rozpadem - 88% a záchytem K - 12%. Měď-64 (6428Cu) se mění na nikl (pozitronový rozpad - 19%, K-záchyt - 42%; (elektronický rozpad - 39%).
3. Emise γ-záření není druhem radioaktivního rozpadu (nedochází k přeměně prvků), ale jde o proud elektromagnetických vln vznikajících při alfa a beta rozpadu atomových jader (jak přirozených, tak umělých radioaktivních izotopů); když se dceřiné jádro ukáže jako přebytek energie nezachycený korpuskulárním zářením (částice alfa a beta). Tento přebytek se okamžitě projeví ve formě gama kvant.
13153I → 13154Xe + e- + v- + 2γ kvanta; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ kvantové.
4. - emise protonu z jádra v základním stavu. Tento proces lze pozorovat v uměle získaných jádrech s velkým deficitem neutronů:
lutecium - 151 (15171Lu) - obsahuje o 24 neutronů méně než stabilní izotop 17671Lu.
Alfa rozpad(a-rozpad) - druh radioaktivního rozpadu atomových jader, kdy je emitována alfa částice, jaderný náboj klesá o 2 jednotky, hmotnostní číslo - o 4. Alfa rozpad je charakteristický pro radioaktivní prvky s velkým atomovým číslem Z .
Rýže. 1. Schematické znázornění a-rozpadu.
Alfa rozpad je spontánní přeměna atomového jádra s množstvím protonů Z a neutrony N do jiného (dcerského) jádra obsahujícího počet protonů Z-2 a neutrony N- 2. V tomto případě je emitována a-částice — jádro atomu helia 4 // ^ +.
Při rozpadu a počátečního jádra se atomové číslo vytvořeného jádra sníží o dvě jednotky a hmotnostní číslo se sníží o 4 jednotky podle schématu:
Příklady a-rozpadu jsou rozpad izotopu uranu-238:
(při tomto rozpadu se jádro thoria a a-částice rozptýlí s kinetickými energiemi 0,07 MeV a 4,18 MeV) a radium-226:
Zde se projevuje pravidlo posunu, které formulovali Faience a Soddy: prvek vzniklý z jiného prvku při emisi a-paprsků zaujímá místo v periodické tabulce dvě skupiny vlevo od původního prvku.
Stupeň nestability jader je charakterizován hodnotou poločasu rozpadu - doby, za kterou se rozpadne polovina jader daného radioaktivního izotopu. Většina radioaktivních izotopů má složité vzorce rozpadu. V takových případech diagramy udávají procento tohoto typu záření ve vztahu k celkovému počtu přechodů (obr. 1 a 2).
Rýže. 2. Schéma rozpadu 230 tis.
Celková energie rozpadu a:
kde E a- energie a-částice, E tl je energie zpětného rázu atomu a R „sb je excitační energie dceřiného jádra.
Pro lehčí sudé nuklidy (L
Kinetická energie částic alfa při rozpadu alfa (E a) je určena hmotnostmi počátečního a koncového jádra a a-částice. Tato energie může poněkud klesnout, pokud se finální jádro vytvoří v excitovaném stavu, a naopak se poněkud zvýšit, pokud bylo excitováno jádro emitující a-částici (takové a-částice se zvýšenou energií se nazývají dálkové). Ve všech případech je však energie a-rozpadu vždy spojena s rozdílem hmotností a úrovní excitace počátečního a koncového jádra, a proto spektrum emitovaných a-částic není vždy spojité, ale lineární.
Energie uvolněná během rozpadu a
kde Ma a MA -4 jsou hmotnosti mateřského a dceřiného jádra, M a - hmotnost a-částice. Energie E je rozdělena mezi a-částici a dceřiné jádro v nepřímém poměru k jejich hmotnosti, odkud je energie a-částic:
Energie zpětného rázu:
Energie zpětného rázu dceřiného jádra je obvykle v oblasti asi 1 MeV, což odpovídá délce dráhy ve vzduchu několika milimetrů.
V pozemských podmínkách existuje asi 40 a-radioaktivních izotopů. Jsou spojeny do tří radioaktivních řad, které začínají 2 3 6 U ( A = 477), 2 3 8 U (A = 477 + 2), 2 35 U ( A = 477 + 3). Ty mohou být podmíněně (jelikož se izotopy této řady stihly během existence Země rozpadnout), zahrnují čtvrtou řadu, která začíná 2 3? Np (A = 477 + 1). Po sérii postupných rozpadů se vytvoří stabilní jádra s blízkým nebo stejným magickým počtem protonů a neutronů (Z = 82, N = 126), respektive 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2 ° 7 Pb, 2 ° 9Bi. Životnost n-aktivních jader se pohybuje od ty 17 let (2 ° 4Pb) až 3. * 7 s (212 Ro). Dlouhověké jsou nuklidy a 2 Ce, * 44Ne, 17 4Hf, jejichž poločasy rozpadu jsou
(2 + 5) 10 * 5 let.
Rýže. 3. Rovinné svazky a-paprsků ze zdroje malých rozměrů: a - zdroj 210 Po, jedna skupina a-paprsků; (b) zdroj 227 Th, dvě skupiny s podobnými rozsahy délky; c - zdroj 2u Bi + 2n Po, jsou viditelné dvě a-částice 211P0; d - zdroj ~ 8 Th s jeho produkty rozpadu ^ Ra, 2 3-Th, 21b Po, 212 Bi + 212 Po 6 skupin.
Alfa rozpad je možný, pokud je vazebná energie a-částice vzhledem k mateřskému jádru záporná. Aby bylo jádro a-radioaktivní, je nutné splnit podmínku, která je důsledkem zákona zachování energie
M (co?) > M (L-4 ^ -2) + Ma, (9)
kde M (A, Z) a M (A 4, Z-2) jsou klidové hmotnosti počátečních a konečných jader, v tomto pořadí, M a je hmotnost a-částice. V tomto případě v důsledku rozpadu získá konečné jádro a a-částice celkem Kinetická energie E.
Kinetická energie a částice se pohybují od 1,83 MeV (* 44Nd) do 11,65 MeV (izomer 212sh Po). Energie a-částic emitovaných těžkými částicemi ze základních stavů je 4 + 9 MeV a energie emitovaná prvky vzácných zemin je 2 + 4,5 MeV. Dosah částice s typickou energií E a = 6 MeV je -5 cm ve vzduchu za normálních podmínek a ~ o, 05 mm v A1.
Rýže. 4. Experimentální a-spektrum izotopů plutonia.
Spektrum -částic vznikajících rozpadem mateřského jádra se často skládá z několika monoenergetických čar odpovídajících kvantovým přechodům na různé energetické hladiny dceřiného jádra.
Protože a-částice nemá žádný spin, platí pravidla výběru pro moment hybnosti I-L a parity, které vyplývají z odpovídajících zákonů zachování, se ukazují jako jednoduché. Úhlový moment L or-částice mohou nabývat hodnot v rozsahu:
kde /, a Li- úhlové momenty počátečních a konečných stavů jader (matka a dcera). Jsou tedy povoleny pouze sudé hodnoty L, pokud se dva stavy shodují s paritou, a liché, pokud se parita neshoduje.
Rýže. 5. Závislost lg T z E a "1/2 pro sudé-sudé izotopy polonia, radonu a radia.
Vlastností a-rozpadu je přítomnost určité a navíc velmi silné závislosti mezi energií emitovaných n-částic a poločasem rozpadu n-radioaktivních jader. Při malé změně energie a-částic se poločasy (T) mění o mnoho řádů. Takže pro 2 s 2 Tb? „= 4,08 MeV, 7 = 1,41 10 hl a pro 2 18 Th E a = 9,85 MeV, T= u μs. Dvojnásobná změna energie odpovídá změně poločasu rozpadu o 24 řádů.
Pro sudé-sudé izotopy jednoho prvku je závislost poločasu rozpadu na energii rozpadu a dobře popsána vztahem (Geiger-Nettallův zákon):
kde Ci a c 2 jsou konstanty, které slabě závisí na Z.
Pro rozpadovou konstantu má Geiger-Netallův zákon tvar:
kde přihrádka 2 - konstanty a b 2 - obecné a B- individuální pro každou přírodní sérii, R - délka dráhy a-částice ve vzduchu, E a - energie a-částice.
Závislost tohoto druhu byla empiricky zjištěna v roce 1912 G. Geigerem a J. Nethallem a teoreticky doložena v roce 1928 G. Gamovem jako výsledek kvantově-mechanické úvahy o procesu rozpadu a-přechodu přes tunelový přechod. Teorie dobře popisuje přechody mezi základními stavy sudých-sudých jader. Pro jádra lichá-sudá, sudá-lichá a lichá-lichá zůstává obecný trend, ale jejich poločasy rozpadu jsou 2-1000krát delší než u jader sudých-sudých s údaji Z a E a.
Prevalence a-radioaktivity je do značné míry určena silnou závislostí doby života takových jader na energii jejich rozpadu. Tato energie je kladná, pokud je poločas rozpadu v rozmezí 12 kg sekta = w 1c let aktivita 1g izotop A= 200 je pouze 1,810 m2 Ci).
Pro izotopy prvků s Z
Je známo více než 200 a-aktivních jader umístěných převážně na konci periodický systém, za olovem (Z> 82), který ukončuje plnění protonového jaderného obalu se Z = 82. Alfa rozpad je spojen s
Coulombovo odpuzování, které se zvyšuje s tím, jak se velikost jader zvyšuje rychleji (jako Z 2) než jaderné síly přitažlivost, která se lineárně zvyšuje s rostoucím hmotnostním číslem A.
Rýže. 6. Závislost energie rozpadu izotopů prvků od polonia (Z = 84) po fermium (Z = ioo) na počtu neutronů v jádrech.
Existuje také asi 20 a-radioaktivních izotopů prvků vzácných zemin (A = i40-ri6o). Zde je rozpad nejcharakterističtější pro jádra s N = 84, které se po emisi alfa částic promění v jádra s naplněným neutronovým obalem (N = 82). V mezeře mezi jádry vzácných zemin a těžkými jádry je také malá skupina a-zářičů a existuje několik jader s deficitem neutronů vyzařujících a od A ~ do.
Životnost a-aktivních jader se pohybuje v širokých mezích: od 3-10-"s (pro 2,2 Po) do (2-5) -10*5 L (přírodní izotopy' 4 2 Ce, * 44Nd, WHO. Energie a -rozpad leží v rozmezí 44-9 MeV (kromě případu a-částic s dlouhým dosahem) pro všechna těžká jádra a 24-4,5 MeV pro prvky vzácných zemin. -100 je znázorněno na obr. 6.
V teorii a-rozpadu se předpokládá, že mateřské jádro je potenciální jámou pro a-částice, která je omezena potenciální bariérou. Energie alfa částice v jádře je nedostatečná k překonání této bariéry. Únik a-částice z jádra je možný pouze díky kvantově-mechanickému jevu zvanému tunelovací efekt. Podle kvantové mechaniky existuje nenulová pravděpodobnost průchodu částice potenciálovou bariérou. Jev tunelování má pravděpodobnostní charakter.
Tunelový efekt(tunelování) - překonání potenciální bariéry mikročásticí v případě, kdy její celková energie (která zůstává při ražení nezměněna) je menší než výška bariéry. Tunelový efekt - fenomén kvantové povahy, nemožný v klasická mechanika; Obdobou tunelovacího efektu ve vlnové optice může být průnik světelné vlny do odrážejícího se prostředí za podmínek, kdy z hlediska geometrické optiky dochází k úplnému vnitřnímu odrazu. Fenomén tunelového efektu je základem mnoha důležitých procesů v atomové a molekulární fyzice, proti fyzika atomového jádra, pevné látky atd. Nakonec se tunelování vysvětluje vztahem nejistoty.
Rýže. 7.
Hlavním faktorem určujícím pravděpodobnost a-rozpadu a jeho závislost na energii a-částice a jaderného náboje je Coulombova bariéra. Nejjednodušší teorie a-rozpadu je redukována na popis pohybu a-částice v potenciálové jámě s bariérou (obr. 7). Protože energie a-částic je 5 MeV a výška Coulombovy bariéry v těžkých jádrech je 254-30 MeV, může k emisi a-částice z jádra dojít pouze díky tunelovému efektu, jehož pravděpodobnost je určena propustností bariéry. Pravděpodobnost a-rozpadu závisí exponenciálně na energii a-částice.
Na Obr. 7 ukazuje závislost potenciální energie interakce a-částice se zbytkovým jádrem v závislosti na vzdálenosti mezi jejich středy. Coulombův potenciál je omezen na dálku R, který se přibližně rovná poloměru zbytkového jádra. Výška Coulombovy bariéry je přímo úměrná náboji jádra, náboji a-částice a je nepřímo úměrná R = r (A 1/s, r 0 je poloměr jádra. Je to dost významné např. pro 2 3 ** a Coulombova bariéra má výšku 30 MeV, proto podle klasických koncepcí nemůže a-částice s energií 4,5 MeV takovou bariéru překonat. Nicméně díky svým vlnovým vlastnostem a-částice přesto překonává takovou bariéru.
Na energetickém diagramu jádra lze rozlišit tři oblasti:
i "- sférická potenciálová studna s hloubkou PROTI. V klasické mechanice částice s kinetickou energií Ea + V 0 se může pohybovat v této oblasti, ale není schopen ji opustit. V této oblasti existuje silná interakce mezi a-částicí a zbytkovým jádrem.
R je oblast potenciální bariéry, ve které je potenciální energie větší než energie a-částice, tzn. toto je zakázaná oblast pro klasickou částici.
7 *> r e - oblast mimo potenciální bariéru. V kvantové mechanice je možné, aby částice alfa prošla bariérou (tunelováním), ale pravděpodobnost je velmi malá.
Gamowova teorie tunelování vysvětlila silnou závislost poločasu rozpadu nuklidů emitujících a na energii a-částice. Nicméně poločasy rozpadu mnoha jader byly předpovězeny s velkými chybami. Proto byla Gamowova teorie opakovaně vylepšována. Vzali v úvahu jak možnost rozpadu jader s nenulovým orbitálním momentem hybnosti, tak silnou deformaci jader (a-částice častěji vylétají podél hlavní osy elipsoidu a průměrná pravděpodobnost úniku se od této pro sférické jádro) atd. Gamowova teorie nezohledňovala strukturu stavů počátečního a konečného jádra a problém vzniku a-částice v jádře, jejíž pravděpodobnost byla předpokládána 1. Pro sudá-sudá jádra tato aproximace popisuje experiment docela dobře. Pokud však strukturální přeskupení počátečních jader ve finále znatelně brání, pak se vypočítané hodnoty poločasu mohou lišit o dva řády.
Alfa částice neexistuje v rozpadajícím se jádru neustále, ale s určitou konečnou pravděpodobností se objeví na jeho povrchu, než unikne. V povrchové vrstvě těžkých jader jsou a-částicová seskupení nukleonů, skládající se ze dvou protonů a dvou neutronů (a-shluky). Je známo, že rozpad a-probíhá o 2 až 4 řády rychleji, když a-částice vzniká z párů neutronů a protonů, ve srovnání s rozpadem, kdy se a-částice tvoří z nepárových nukleonů. V prvním případě se a-rozpad nazývá příznivý a takové jsou všechny a-přechody mezi základními stavy sudých-sudých jader. V druhém případě se a-rozpad nazývá nepříznivý.
1. FYZIKA ATOMOVÉHO JADRA 1.4. β-rozpad
1.4. Beta rozpad.
Typy a vlastnosti beta rozpadu. Základy teorie rozpadu beta. radioaktivní rodina
Beta rozpad jádro je proces samovolné přeměny nestabilního jádra na izobarové jádro v důsledku emise elektronu (pozitronu) nebo záchytu elektronu. Je známo asi 900 beta radioaktivních jader. Z toho je pouze 20 přírodních, zbytek je získáván uměle.
Typy a vlastnosti beta rozpadu
Existují tři typy β - rozpad: elektronický β - -rozpad, pozitron β + - rozpad a záchyt elektronů ( E- zachycení). Hlavní pohled je první.
Na elektronický β – -rozklad jeden z neutronů v jádře se promění v proton s emisí elektronu a elektronového antineutrina.
Příklady: rozpad volných neutronů
, T 1/2 = 11,7 min;
rozpad tritia
, T 1/2 = 12 let.
Na pozitron β + -rozklad jeden z protonů v jádře se změní na neutron s emisí kladně nabitého elektronu (pozitronu) a elektronového neutrina
... (1,41b)
Příklad
·
Z porovnání poločasů rozpadů předků čeledí s geologickou dobou života Země (4,5 miliardy let) je vidět, že téměř všechno thorium-232 se zachovalo v látce Země, uran-238 se rozpadl o cca. polovina, uran-235 - z velké části neptunium-237 prakticky celý.
Alfa a beta záření jsou obecně označovány jako radioaktivní rozpady. Toto je emise z jádra, která se vyskytuje s velká rychlost... V důsledku toho se atom nebo jeho izotop může přeměnit z jednoho chemického prvku na druhý. Alfa a beta rozpady jader jsou charakteristické pro nestabilní prvky. Patří sem všechny atomy s nábojovým číslem větším než 83 a hmotnostním číslem větším než 209.
nastane reakční stav
Rozpad, stejně jako ostatní radioaktivní přeměny, je přirozený a umělý. K tomu druhému dochází v důsledku vniknutí jakékoli cizí částice do jádra. Kolik alfa a beta rozpadu může atom podstoupit, závisí pouze na tom, jak brzy dosáhne stabilního stavu.
Za přirozených okolností dochází k rozpadu alfa a beta-minus.
V umělých podmínkách dochází k neutronovým, pozitronovým, protonovým a dalším, vzácnějším typům rozpadů a přeměn jader.
Tato jména dala osoba zapojená do studia radioaktivního záření.
Rozdíl mezi stabilním a nestabilním jádrem
Rozpadová schopnost přímo závisí na stavu atomu. Pro nerozpadající se atomy je charakteristické takzvané „stabilní“ neboli neradioaktivní jádro. Teoreticky lze pozorování takových prvků provádět donekonečna, aby se konečně ujistila o jejich stabilitě. To je nutné k oddělení takových jader od nestabilních, které mají extrémně dlouhý poločas rozpadu.
Omylem lze takto „zpomalený“ atom zaměnit za stabilní. Jakkoli nápadným příkladem může být telur a konkrétněji jeho izotopové číslo 128, které má 2,2 x 1024. Tento případ není ojedinělý. Lanthan-138 má poločas rozpadu 10 11 let. Toto období je třicetkrát starší než stávající vesmír.
Podstata radioaktivního rozpadu
Tento proces je libovolný. Každý rozkládající se radionuklid nabývá rychlosti, která je pro každý případ konstantní. Rychlost rozpadu se pod vlivem nemůže změnit vnější faktory... Nezáleží na tom, zda dojde k reakci pod vlivem obrovské gravitační síly, při absolutní nule, v elektrickém a magnetickém poli, během jakékoli chemická reakce atd. Proces lze ovlivnit pouze přímým působením na vnitřek atomového jádra, což je prakticky nemožné. Reakce je spontánní a závisí pouze na atomu, ve kterém probíhá, a jeho vnitřním stavu.
Když se mluví o radioaktivních rozpadech, často se setkáváme s termínem „radionuklid“. Kdo to nezná, měl by vědět, že toto slovo označuje skupinu atomů, které mají radioaktivní vlastnosti, vlastní hmotnostní číslo, atomové číslo a energetický stav.
Různé radionuklidy se používají v technických, vědeckých a dalších oblastech lidského života. Například v medicíně se tyto prvky používají při diagnostice nemocí, zpracování léků, nástrojů a dalších předmětů. K dispozici je dokonce celá řada terapeutických a prognostických radiopreparátů.
Neméně důležité je stanovení izotopu. Toto slovo označuje zvláštní druh atomu. Mají stejné atomové číslo jako normální prvek, ale jiné hmotnostní číslo. Tento rozdíl je způsoben počtem neutronů, které neovlivňují náboj, jako protony a elektrony, ale mění hmotnost. Například jednoduchý vodík má celé 3. Toto je jediný prvek, jehož izotopy dostaly názvy: deuterium, tritium (pouze radioaktivní) a kon. Jinak jsou názvy uváděny podle atomových hmotností a hlavního prvku.
Alfa rozpad
Jedná se o typ radioaktivní reakce. Typické pro přírodní živly ze šesté a sedmé periody tabulky chemické prvky Mendělejev. Zejména pro umělé nebo transuranové prvky.
Prvky podléhající rozpadu alfa
Mezi kovy, pro které je tento rozpad charakteristický, patří thorium, uran a další prvky šesté a sedmé periody z periodické tabulky chemických prvků, počítáno od bismutu. Izotopy z řady těžkých prvků jsou také podrobeny procesu.
Co se děje během reakce?
Při rozpadu alfa se z jádra začnou uvolňovat částice skládající se ze 2 protonů a dvojice neutronů. Samotná emitovaná částice je jádrem atomu helia s hmotností 4 jednotek a nábojem +2.
V důsledku toho se objeví nový prvek, který se v periodické tabulce nachází o dvě buňky vlevo od původního. Toto uspořádání je určeno skutečností, že původní atom ztratil 2 protony a tím i počáteční náboj. V důsledku toho se hmotnost výsledného izotopu sníží o 4 jednotky hmotnosti ve srovnání s výchozím stavem.
Příklady
Při tomto rozpadu vzniká z uranu thorium. Z thoria pochází radium, z něj radon, který nakonec dává polonium, a nakonec olovo. V tomto případě v procesu vznikají izotopy těchto prvků, nikoli samy sebe. Získáme tak uran-238, thorium-234, radium-230, radon-236 a tak dále, až do vzniku stabilního prvku. Vzorec pro takovou reakci je následující:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Rychlost uvolněné částice alfa v okamžiku emise je od 12 do 20 tisíc km / sec. Být ve vakuu by taková částice obcházela Země za 2 sekundy, pohybující se podél rovníku.
Beta rozpad
Rozdíl mezi touto částicí a elektronem je v místě vzhledu. K rozpadu beta dochází v jádře atomu, nikoli v elektronovém obalu, který jej obklopuje. Nejčastěji se vyskytuje ze všech existujících radioaktivních přeměn. Lze jej pozorovat téměř u všech v současnosti existujících chemických prvků. Z toho vyplývá, že každý prvek má alespoň jeden rozkládající se izotop. Ve většině případů má beta rozpad za následek beta mínus rozpad.
Průběh reakce
Při tomto procesu je z jádra vyvržen elektron, který vznikl spontánní přeměnou neutronu na elektron a proton. V tomto případě protony díky své větší hmotnosti zůstávají v jádře a elektron zvaný beta-minus částice opouští atom. A protože je protonů o jeden více, jádro prvku samotného se mění směrem nahoru a nachází se v periodické tabulce vpravo od originálu.
Příklady
Rozpad beta s draslíkem-40 jej převádí na izotop vápníku, který se nachází vpravo. Radioaktivní vápník-47 se stává skandiem-47, které lze přeměnit na stabilní titan-47. Jak vypadá tento beta rozpad? Vzorec:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Úniková rychlost beta částice je 0,9krát větší než rychlost světla, tedy 270 tisíc km/s.
V přírodě není příliš mnoho beta-aktivních nuklidů. Těch významných je poměrně dost. Příkladem je draslík-40, který je v přírodní směsi pouze 119/10000. Také přírodní beta-minus-aktivní radionuklidy z těch významných jsou alfa a beta produkty rozpadu uranu a thoria.
Beta rozpad má typický příklad: thorium-234, které se při rozpadu alfa mění na protaktinium-234 a poté se stejným způsobem stává uranem, ale jeho dalším izotopem pod číslem 234. Tento uran-234 se vlivem alfa rozpadu opět stává thoriem, ale jeho odlišnou odrůdou. Toto thorium-230 se pak stává radiem-226, které se mění na radon. A ve stejném pořadí až po thalium, jen s různými beta přechody zpět. Tento radioaktivní beta rozpad končí vytvořením stabilního olova-206. Tato transformace má následující vzorec:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206
Přírodními a významnými beta-aktivními radionuklidy jsou K-40 a prvky od thalia po uran.
Decay Beta Plus
K dispozici je také beta plus transformace. Nazývá se také rozpad pozitronu beta. Z jádra emituje částici zvanou pozitron. Výsledkem je transformace původního prvku na prvek vlevo, který má nižší číslo.
Příklad
Když dojde k elektronickému beta rozpadu, hořčík-23 se stane stabilním izotopem sodíku. Radioaktivní europium-150 se změní na samarium-150.
Výsledná beta rozpadová reakce může vytvářet beta + a beta emise. Úniková rychlost částic je v obou případech 0,9krát větší než rychlost světla.
Jiné radioaktivní rozpady
Kromě reakcí, jako je rozpad alfa a rozpad beta, jejichž vzorec je široce známý, existují další, vzácnější a charakteristické procesy pro umělé radionuklidy.
Neutronový rozpad... Je emitována neutrální částice o hmotnosti 1 jednotky hmotnosti. Během ní se jeden izotop přemění na druhý s nižším hmotnostním číslem. Příkladem může být přeměna lithia-9 na lithium-8, helia-5 na helium-4.
Když se ozáří gama kvanty stabilního izotopu jódu-127, stane se izotopem 126 a stane se radioaktivním.
Protonový rozpad... Je extrémně vzácný. Při ní je emitován proton, který má náboj +1 a 1 jednotku hmotnosti. Atomová hmotnost bude o jednu nižší.
Jakákoli radioaktivní přeměna, zejména radioaktivní rozpady, je doprovázena uvolňováním energie ve formě záření gama. Říká se tomu gama kvanta. V některých případech jsou pozorovány rentgenové záření s nižší energií.
Je to proud gama kvant. Je elektromagnetická radiace, závažnější než rentgen, který se používá v lékařství. V důsledku toho se objevují gama kvanta neboli energetické toky z atomového jádra. Rentgenové záření je také elektromagnetické, ale vzniká z elektronových obalů atomu.
Alfa částicový běh
Částice alfa o hmotnosti 4 atomových jednotek a náboji +2 se pohybují po přímce. Z tohoto důvodu můžeme mluvit o rozsahu alfa částic.
Hodnota ujetých kilometrů závisí na počáteční energii a pohybuje se od 3 do 7 (někdy 13) cm ve vzduchu. V hustém prostředí je to jedna setina milimetru. Takové záření nemůže proniknout listem papíru a lidskou kůží.
Částice alfa má díky své vlastní hmotnosti a číslu náboje nejvyšší ionizační schopnost a ničí vše, co jí stojí v cestě. V tomto ohledu jsou alfa radionuklidy nejnebezpečnější pro lidi a zvířata, když jsou vystaveny tělu.
Pronikání beta částic
Vzhledem k malému hmotnostnímu číslu, které je 1836krát menší než proton, zápornému náboji a velikosti, má beta záření slabý vliv na látku, kterou prolétá, ale navíc je let delší. Také cesta částice není přímočará. V tomto ohledu hovoří o pronikavé schopnosti, která závisí na přijaté energii.
Schopnost průniku beta částic, které vznikly při radioaktivním rozpadu, dosahuje ve vzduchu 2,3 m, v kapalinách je počet v centimetrech a v pevné látky- ve zlomcích centimetru. Tkáně lidského těla propouštějí záření do hloubky 1,2 cm. Jako ochrana proti beta záření může sloužit jednoduchá vrstva vody do 10 cm Tok částic s dostatečně vysokou rozpadovou energií 10 MeV je téměř zcela absorbován těmito vrstvami: vzduch - 4 m; hliník - 2,2 cm; železo - 7,55 mm; olovo - 5,2 mm.
Vzhledem ke své malé velikosti mají částice beta ve srovnání s částicemi alfa nízkou ionizační kapacitu. Při požití jsou však mnohem nebezpečnější než při vnější expozici.
Nejvyšší penetrační indikátory ze všech typů záření mají v současnosti neutron a gama. Dosah těchto záření ve vzduchu někdy dosahuje desítek a stovek metrů, ale s nižšími ionizačními indexy.
Většina izotopů gama kvant v energii nepřesahuje 1,3 MeV. Občas je dosaženo hodnot 6,7 MeV. V tomto ohledu se pro ochranu před takovým zářením používají vrstvy oceli, betonu a olova jako faktor útlumu.
Například pro desetinásobné oslabení gama záření kobaltu je nutná ochrana olova o tloušťce asi 5 cm, pro 100násobný útlum to bude trvat 9,5 cm. Ochrana betonu bude 33 a 55 cm a voda - 70 a 115 cm.
Ionizační výkon neutronů závisí na jejich energetické náročnosti.
V každé situaci bude nejlepší ochranná metoda proti záření maximální vzdálenost od zdroje a co nejkratší čas v oblasti s vysokým zářením.
Štěpení atomových jader
Atomy se rozumí spontánní nebo pod vlivem neutronů na dvě části, přibližně stejně velké.
Tyto dvě části se stávají radioaktivními izotopy prvků z hlavní části tabulky chemických prvků. Začínají od mědi k lanthanoidům.
Během uvolňování je emitován pár neutronů navíc a vzniká přebytek energie ve formě gama kvant, který je mnohem větší než při radioaktivním rozpadu. Takže při jednom aktu radioaktivního rozpadu se objeví jedno gama kvantum a během štěpného aktu se objeví 8,10 gama kvanta. Také rozptýlené fragmenty mají velkou kinetickou energii, která se mění na tepelné indikátory.
Uvolněné neutrony jsou schopny vyprovokovat oddělení páru podobných jader, pokud se nacházejí poblíž a neutrony je zasáhnou.
V tomto ohledu vzniká pravděpodobnost rozvětvení, zrychlení řetězové reakce oddělení atomových jader a vytvoření velkého množství energie.
Když takový řetězová reakce je pod kontrolou, pak může být použit pro určité účely. Například na topení nebo elektřinu. Takové procesy se provádějí v jaderných elektrárnách a reaktorech.
Pokud ztratíte kontrolu nad reakcí, stane se to jaderný výbuch... Podobné se používá v jaderných zbraních.
V přírodních podmínkách existuje pouze jeden prvek - uran, který má pouze jeden štěpný izotop s číslem 235. Je zbrojní.
V běžném uranovém atomovém reaktoru z uranu-238 pod vlivem neutronů tvoří nový izotop s číslem 239 az něj - plutonium, které je umělé a v přírodních podmínkách se nevyskytuje. V tomto případě je výsledné plutonium-239 použito pro zbrojní účely. Tento proces štěpení atomových jader je podstatou všeho atomové zbraně a energie.
Jevy jako rozpad alfa a rozpad beta, jejichž vzorec se studuje ve škole, jsou v naší době rozšířené. Díky těmto reakcím existují jaderné elektrárny a mnoho dalších odvětví založených na jaderné fyzice. Nezapomínejte však na radioaktivitu mnoha těchto prvků. Při práci s nimi je nutná zvláštní ochrana a dodržování všech opatření. Jinak to může vést k nenapravitelné katastrofě.
Těžké iontové akumulační prstence otevírají zásadně nové možnosti ve studiu vlastností exotických jader. Umožňují zejména akumulovat a dlouhodobě využívat plně ionizované atomy – „nahá“ jádra. Díky tomu je možné studovat vlastnosti atomových jader, která nemají žádné elektronické prostředí a ve kterých neexistuje Coulombův efekt vnějšího elektronového obalu s atomovým jádrem.
Rýže. 3.2 Schéma e-záchytu v izotopu (vlevo) a plně ionizovaných atomech a (vpravo)
Rozpad atomu do vázaného stavu byl poprvé objeven v roce 1992. Byl pozorován β - rozpad plně ionizovaného atomu na vázané atomové stavy. Na N-Z diagramu atomových jader je černě vyznačeno jádro 163 Dy. To znamená, že se jedná o stabilní jádro. Protože je jádro 163 Dy součástí neutrálního atomu, je stabilní. Jeho základní stav (5/2 +) může být obsazen jako výsledek e-capture ze základního stavu (7/2 +) jádra 163 Ho. Jádro 163 Ho, obklopené elektronovým obalem, je β - radioaktivní a jeho poločas rozpadu je ~ 10 4 let. To však platí pouze tehdy, uvažujeme-li jádro obklopené elektronovým obalem. U plně ionizovaných atomů je obrázek zásadně odlišný. Nyní se ukazuje, že základní stav jádra 163 Dy má vyšší energii než základní stav jádra 163 Ho a otevírá se možnost rozpadu 163 Dy (obr. 3.2).
| → + e - + e. | (3.8) |
Elektron vzniklý v důsledku rozpadu může být zachycen prázdným K nebo L-slupkou iontu. V důsledku toho má rozpad (3.8) tvar
→ + e - + e (vázaný stav).
Energie β-rozpadů na K a L-skořápky jsou (50,3 ± 1) keV a (1,7 ± 1) keV. Pro pozorování rozpadu do vázaných stavů K- a L-skořápky v úložném kruhu ESR GSI nashromáždilo 108 plně ionizovaných jader. Během doby akumulace se v důsledku β + -rozpadu vytvořila jádra (obr. 3.3).
Rýže. 3.3. Dynamika akumulace iontů: a - proud iontů Dy 66+ akumulovaných v úložném prstenci ESR během různých fází experimentu, β- intenzity iontů Dy 66+ a Ho 67+ měřené externími a vnitřními polohově citlivými detektory, resp.
Protože ionty Ho 66+ mají prakticky stejný poměr M/q jako ionty primárního svazku Dy 66+, hromadí se na stejné dráze. Doba akumulace byla ~ 30 minut. Aby bylo možné změřit poločas rozpadu jádra Dy 66+, musel být paprsek nahromaděný na oběžné dráze očištěn od příměsi iontů Ho 66+. Pro vyčištění paprsku od iontů byl do komory vstřikován proud argonu o hustotě 6 × 10 12 atomů / cm 2 a průměru 3 mm, který křižoval nahromaděný iontový paprsek ve vertikálním směru. Vzhledem k tomu, že ionty Ho 66+ zachytily elektrony, opustily rovnovážnou dráhu. Paprsek byl čištěn přibližně 500 s. Poté byl proud plynu zablokován a ionty Dy 66+ a nově vzniklé (po vypnutí proudnice plynu) v důsledku rozpadu iontů Ho 66+ dále cirkulovaly v prstenci. Délka této fáze se pohybovala od 10 do 85 minut. Detekce a identifikace Ho 66+ byla založena na skutečnosti, že Ho 66+ může být ionizován ještě silněji. K tomu byl v poslední fázi opět vháněn proud plynu do akumulačního prstence. Poslední elektron byl odstraněn z iontu 163 Ho 66+ a výsledkem byl iont 163 Ho 67+. Poblíž trysky plynu byl umístěn polohově citlivý detektor, který zaznamenal 163 Ho 67+ iontů opouštějících paprsek. Na Obr. 3.4 ukazuje závislost počtu 163 Ho jader produkovaných v důsledku β-rozpadu na době akumulace. Vložka ukazuje prostorové rozlišení polohově citlivého detektoru.
Akumulace jader 163 Ho v paprsku 163 Dy byla tedy důkazem možnosti rozpadu
→ + e - + e (vázaný stav).
Rýže. 3.4. Poměr dceřiných iontů 163 Ho 66+ k primárním iontům 163 Dy 66+ v závislosti na době akumulace. Vložka ukazuje vrchol 163 Ho 67+ zaznamenaný interním detektorem.
Změnou časového intervalu mezi čištěním paprsku od nečistoty Ho 66+ a dobou záznamu nově vytvořených iontů Ho 66+ v paprsku nečistot lze měřit poločas rozpadu plně ionizovaného izotopu Dy 66+. Ukázalo se, že je to ~ 0,1 roku.
Podobný rozpad byl nalezen pro 187 Re 75+. Tento výsledek je pro astrofyziku nesmírně důležitý. Faktem je, že neutrální atomy 187 Re mají poločas rozpadu 4 · 10 10 let a používají se jako radioaktivní hodiny. Poločas rozpadu 187 Re 75+ je pouze 33 ± 2 roky. Proto je nutné provést příslušné korekce v astrofyzikálních měřeních, neboť ve hvězdách je 187 Re nejčastěji v ionizovaném stavu.
Studium vlastností plně ionizovaných atomů otevírá nový směr výzkumu exotických vlastností jader zbavených Coulombova jevu vnějšího elektronového obalu.
