Rozpad beta do stanu związanego atomu. Rodzaje przemian jądrowych, rozpad alfa i beta rozpad B liczba masowa jąder
Zgodnie z rodzajami promieniowania radioaktywnego istnieje kilka rodzajów rozpadu promieniotwórczego (rodzaje przemian promieniotwórczych). Pierwiastki ze zbyt dużą ilością protonów lub neutronów w swoich jądrach ulegają przemianie promieniotwórczej. Rozważ rodzaje rozpadu promieniotwórczego.
1. Rozpad alfa charakterystyczne dla naturalnych pierwiastków promieniotwórczych o dużym numerze seryjnym (tj. o niskich energiach wiązania). Znanych jest około 160 alfa-aktywnych typów jąder, najczęściej ich numer seryjny przekracza 82 (Z>82). Rozpadowi alfa towarzyszy emisja cząstki alfa z jądra niestabilnego pierwiastka, jakim jest jądro atomu helu He (zawiera 2 protony i 2 neutrony). Ładunek jądrowy zmniejsza się o 2, liczba masowa o 4.
ZAX → Z-2 A-4 Y + 2 4He; 92 238U → 24 He + 90 234Th;
88 226Ra → 2 4He + 86 222Ra + γ rad.
Ponad 10% izotopów promieniotwórczych ulega rozpadowi alfa.
2. Rozpad beta. Szereg naturalnych i sztucznych izotopów promieniotwórczych ulega rozpadowi z emisją elektronów lub pozytonów:
a) Elektroniczne rozpady beta. typowe zarówno dla naturalnych, jak i sztucznych radionuklidów, które mają nadmiar neutronów (czyli głównie dla ciężkich izotopów promieniotwórczych). Około 46% wszystkich izotopów promieniotwórczych ulega elektronicznemu rozpadowi beta. W tym przypadku jeden z neutronów zamienia się, a jądro emituje również antyneutrino. Ładunek jądra i odpowiednio liczba atomowa pierwiastka wzrasta o jeden, podczas gdy liczba masowa pozostaje niezmieniona.
AZ X → AZ + 1 Y + e- + v-; 24194Pu → 24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.
Gdy cząstki β są emitowane, jądra atomowe mogą znajdować się w stanie wzbudzonym, gdy w jądrze potomnym znajduje się nadmiar energii, która nie jest wychwytywana przez cząstki korpuskularne. Ta nadwyżka energii jest emitowana w postaci kwantów gamma.
13785Cs → 13756 Ва + е - + v- + γ rad .;
b) rozpad beta pozytonu. Jest obserwowany w niektórych sztucznych izotopach promieniotwórczych, które mają nadmiar protonów w jądrze. Charakteryzuje się 11% izotopów promieniotwórczych w pierwszej połowie tablicy Mendelejewa (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 +.
Pozyton po ucieczce z jądra zdejmuje „dodatkowy” z powłoki atomu lub oddziałuje ze swobodnym elektronem, tworząc parę „pozyton-elektron”, która natychmiast zamienia się w dwa kwanty gamma o ekwiwalencie energetycznym masa cząstek (e i e). Proces przekształcenia pary „pozyton-elektron” w dwa kwanty gamma nazywamy anihilacją (zniszczeniem), a powstałe promieniowanie elektromagnetyczne – anihilacją. W tym przypadku następuje przemiana jednej formy materii (cząstek materii) w inną - fotony gamma;
c) przechwytywanie elektroniczne. Jest to rodzaj przemiany radioaktywnej, w której jądro atomu wychwytuje elektron z poziomu energii K najbliższego jądru (elektroniczne wychwytywanie K) lub rzadziej 100 razy - z poziomu L. W rezultacie jeden z protonów jądra zostaje zneutralizowany przez elektron, zamieniając się w. Numer seryjny nowego jądra zmniejsza się o jeden, a numer masowy się nie zmienia. Jądro emituje antyneutrina. Zwolnione miejsce, które zajmował przechwycony na poziomie K lub L, jest wypełnione elektronem z poziomów energetycznych bardziej oddalonych od jądra. Nadmiar energii uwolniony podczas tego przejścia jest emitowany przez atom w postaci charakterystycznych promieni rentgenowskich.
AZX + e- → AZ-1 Y + v- + Promieniowanie rentgenowskie;
4019K + e- → Ar + v- + promieniowanie rentgenowskie;
6429Сu + е- → 6428 Ni + v- + promienie rentgenowskie.
Elektroniczne wychwytywanie K jest charakterystyczne dla 25% wszystkich jąder promieniotwórczych, ale głównie dla sztucznych izotopów promieniotwórczych zlokalizowanych w drugiej połowie D.I. Mendelejewa i posiadającego nadwyżkę protonów (Z = 45 - 105). Tylko trzy naturalne pierwiastki ulegają wychwytowi K: potas-40, lantan-139, lutet-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).
Niektóre jądra mogą rozpadać się na dwa lub trzy sposoby: przez rozpad alfa i beta oraz K-capture.
Potas-40 ulega, jak już wspomniano, rozpadowi elektronicznemu - 88%, a wychwytowi K - 12%. Miedź-64 (6428Cu) zamienia się w nikiel (rozpad pozytonów - 19%, wychwyt K - 42%; (rozpad elektroniczny - 39%).
3. Emisja promieniowania γ nie jest rodzajem rozpadu promieniotwórczego (nie ma przemian pierwiastków), ale jest strumieniem fal elektromagnetycznych powstających z rozpadu alfa i beta jąder atomowych (zarówno naturalnych, jak i sztucznych izotopów promieniotwórczych), kiedy jądro potomne okazuje się nadmiarem energii nie wychwyconej przez promieniowanie korpuskularne (cząstki alfa i beta). Nadmiar ten jest natychmiast wyświetlany w postaci kwantów gamma.
13153I → 13154Xe + e- + v- + 2γ kwanty; 22688Ra → 42He + 22286Rn + kwant γ.
4. - emisja protonu z jądra w stanie podstawowym. Proces ten można zaobserwować w sztucznie uzyskanych jądrach o dużym deficycie neutronów:
lutet - 151 (15171Lu) - zawiera o 24 neutrony mniej niż stabilny izotop 17671Lu.
Rozpad alfa(a-rozpad) - rodzaj rozpadu promieniotwórczego jąder atomowych, gdy emitowana jest cząstka alfa, ładunek jądrowy zmniejsza się o 2 jednostki, liczba masowa - o 4. Rozpad alfa jest charakterystyczny dla pierwiastków promieniotwórczych o dużej liczbie atomowej Z .
Figa. jeden. Schematyczne przedstawienie rozpadu a.
Rozpad alfa to spontaniczna transformacja jądra atomowego z pewną liczbą protonów Z i neutronów N do innego (córki) jądra zawierającego liczbę protonów Z-2 i neutrony N- 2. W tym przypadku emitowana jest cząstka a - jądro atomu helu 4 // ^ +.
W rozpadzie a początkowego jądra liczba atomowa utworzonego jądra zmniejsza się o dwie jednostki, a liczba masowa zmniejsza się o 4 jednostki, zgodnie ze schematem:
Przykładami rozpadu a są rozpad izotopu uranu-238:
(w tym rozpadzie jądro toru i cząstka a rozpraszają się z energiami kinetycznymi 0,07 MeV i 4,18 MeV) oraz radem-226:
Tutaj manifestuje się zasada przesunięcia, sformułowana przez Fajansa i Soddy'ego: pierwiastek powstały z innego pierwiastka podczas emisji promieni a zajmuje miejsce w układzie okresowym dwie grupy na lewo od pierwotnego pierwiastka.
Stopień niestabilności jąder charakteryzuje się wartością okresu półtrwania - przedziału czasu, w którym rozpada się połowa jąder danego izotopu promieniotwórczego. Większość izotopów promieniotwórczych ma złożone wzorce rozpadu. W takich przypadkach wykresy wskazują procent tego rodzaju promieniowania w stosunku do całkowitej liczby przejść (rys. 1 i 2).
Figa. 2. Schemat rozpadu 230 tys.
Całkowita energia rozpadu:
Gdzie E a- energia cząstki a, E tl jest energią atomu odrzutu, a R „sb jest energią wzbudzenia jądra potomnego.
Dla lżejszych, równych nuklidów (L
Energia kinetyczna cząstek alfa w rozpadzie alfa (E i) jest określana przez masy początkowego i końcowego jądra oraz cząstki a. Energia ta może się nieco zmniejszyć, jeśli końcowe jądro powstaje w stanie wzbudzonym, a wręcz przeciwnie, nieco wzrosnąć, jeśli jądro emitujące cząstkę a było wzbudzone (takie cząstki a o zwiększonej energii nazywane są cząstkami dalekiego zasięgu). Jednak we wszystkich przypadkach energia rozpadu a jest zawsze związana z różnicą mas i poziomów wzbudzenia jądra początkowego i końcowego, a zatem widmo emitowanych cząstek a jest zawsze nie ciągłe, lecz liniowe.
Energia uwalniana podczas rozpadu
Gdzie Mama a MA -4 to masy jądra macierzystego i potomnego, M a - masa cząstki a. Energia mi dzieli się między cząstkę a i jądro potomne w odwrotnej proporcji do ich mas, skąd energia cząstek a:
Energia odrzutu:
Energia odrzutu jądra potomnego wynosi zwykle około 1 MeV, co odpowiada kilku milimetrowej długości drogi w powietrzu.
W warunkach ziemskich istnieje około 40 izotopów radioaktywnych. Są one połączone w trzy radioaktywne rzędy, które zaczynają się od 2 3 6 U ( ALE = 477), 2 3 8 U (ALE = 477 + 2), 2 35U ( ALE = 477 + 3). Mogą one być warunkowo (ponieważ izotopy z tej serii uległy rozpadowi w czasie istnienia Ziemi), obejmują czwarty rząd, który zaczyna się od 2 3? Np (A = 477 + 1). Po serii kolejnych rozpadów powstają stabilne jądra o zbliżonej lub równej liczbie magicznej protonów i neutronów (Z=82, N=126), odpowiednio 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2°7 Pb, 2°9Bi. Czas życia n-aktywnych jąder wynosi od u 17 lat (2 ° 4Pb) do 3. * 7 s (212 Ro). Długożyciowe są nuklidy i 2 Ce, * 44Ne, 17 4Hf, których okresy półtrwania są
(2 + 5) 10 * 5 lat.
Figa. 3. Płaskie wiązki promieni a ze źródła o małych wymiarach: źródło a - 210 Po, jedna grupa promieni a; b - źródło 227 Th, dwie grupy o podobnych zakresach długości; c - źródło 2u Bi + 2n Po, widoczne są dwie cząstki a 211P0; d - źródło ~ 8 Th z produktami rozpadu ^ Ra, 2 3-Th, 21b Po, 212 Bi + 212 Po 6 grup.
Rozpad alfa jest możliwy, jeśli energia wiązania cząstki a względem jądra macierzystego jest ujemna. Aby jądro było a-radioaktywne konieczne jest spełnienie warunku będącego konsekwencją prawa zachowania energii
M (Hę?) > M (L-4 ^ -2) + M a, (9)
Gdzie M (A, Z) i M (A- 4, Z-2) to masy spoczynkowe odpowiednio początkowego i końcowego jądra, M a jest masą cząstki a. W tym przypadku w wyniku rozpadu jądro końcowe i cząstka a uzyskują sumę energia kinetyczna MI.
Energie kinetyczne cząstek a wahają się od 1,83 MeV (* 44Nd) do 11,65 MeV (izomer 212 m Po). Energia cząstek a emitowanych przez ciężkie cząstki ze stanów podstawowych wynosi 4 + 9 MeV, a energia emitowana przez pierwiastki ziem rzadkich wynosi 2 + 4,5 MeV. Zasięg cząstki o typowej energii mi a = 6 MeV wynosi -5 cm w powietrzu w normalnych warunkach i ~ 0,5 mm w A1.
Figa. cztery. Eksperymentalne widmo a izotopów plutonu.
Widmo cząstek β powstających w wyniku rozpadu jądra macierzystego często składa się z kilku linii monoenergetycznych odpowiadających przejściom kwantowym do różnych poziomów energetycznych jądra potomnego.
Ponieważ cząstka a nie ma spinu, zasady wyboru momentu pędu I-L a parytety wynikające z odpowiednich praw zachowania okazują się proste. Moment kątowy L lub-cząstki mogą przyjmować wartości z zakresu:
gdzie i Gdyby- momenty kątowe stanów początkowych i końcowych jąder (matki i córki). W tym przypadku dopuszczalne są tylko wartości parzyste L, jeśli parytety obu stanów pokrywają się, a nieparzyste, jeśli parytety się nie pokrywają.
Figa. 5. Zależność lg T z E „1/2 dla parzystych izotopów polonu, radonu i radu.
Własnością rozpadu a jest obecność określonej, a ponadto bardzo silnej zależności między energią emitowanych n-cząstek a czasem połowicznego rozpadu n-promieniotwórczych jąder. Przy niewielkiej zmianie energii cząstek a okresy półtrwania (T) zmieniają się o wiele rzędów wielkości. Czyli dla 2 s 2 Tb?N = 4,08 MeV, 7 = 1,41 10 hl, a dla 2l8 Th E a = 9,85 MeV, T= u μs. Dwukrotna zmiana energii odpowiada zmianie okresu półtrwania o 24 rzędy wielkości.
Dla parzystych izotopów jednego pierwiastka zależność czasu połowicznego rozpadu od energii rozpadu dobrze opisuje zależność (prawo Geigera-Nettalla):
gdzie Ci i c 2 są stałymi, które słabo zależą od Z.
Dla stałej rozpadu prawo Geigera-Netalla ma postać:
Gdzie kosz 2 - stałe i b 2 - ogólne i b- indywidualny dla każdej naturalnej serii, R - długość drogi cząstki a w powietrzu, E a - energia cząstki a.
Zależność tego rodzaju została empirycznie ustalona w 1912 r. przez G. Geigera i J. Nethalla, a teoretycznie poparta w 1928 r. przez G. Gamowa w wyniku kwantowo-mechanicznego rozpatrzenia procesu rozpadu zachodzącego w przejściu tunelowym. Teoria dobrze opisuje przejścia między stanami podstawowymi parzystych-parzystych jąder. Dla jąder nieparzysto-parzystych, parzysto-nieparzystych i nieparzysto-nieparzystych ogólny trend pozostaje, ale ich okresy półtrwania są 2-1000 razy dłuższe niż dla jąder parzysto-parzystych z danymi Z i E za.
O rozpowszechnieniu a-promieniotwórczości w dużej mierze decyduje silna zależność czasu życia takich jąder od energii ich rozpadu. Energia ta jest dodatnia, jeśli okres półtrwania wynosi w kg 12 s T = 10 1 lat aktywności 1 g izotopu ALE= 200 to tylko 1,810 m2 Ci).
Dla izotopów pierwiastków z Z
Znanych jest ponad 200 jąder a-aktywnych, zlokalizowanych głównie na końcu układ okresowy, za ołowiem (Z> 82), co kończy napełnianie protonowej otoczki jądrowej z Z = 82. Rozpad alfa jest związany z
Odpychanie kulombowskie, które rośnie wraz ze wzrostem rozmiaru jądra szybciej (jak Z 2) niż siły nuklearne przyciąganie, które rośnie liniowo wraz ze wzrostem liczby masy A.
Figa. 6. Zależność energii rozpadu a izotopów pierwiastków od polonu (Z = 84) do fermu (Z = ioo) od liczby neutronów w jądrach.
Istnieje również około 20 a-radioaktywnych izotopów pierwiastków ziem rzadkich (A = i40-ri6o). Tutaj rozpad jest najbardziej typowy dla jąder z N = 84, które po emisji cząstek alfa zamieniają się w jądra z wypełnioną powłoką neutronową (N = 82). Istnieje również niewielka grupa emiterów α w przerwie między jądrami ziem rzadkich i ciężkimi, a także kilka jąder z niedoborem neutronów emitujących α od A do.
Czas życia jąder a-aktywnych waha się w szerokich granicach: od 3-10-”s (dla 2,2 Po) do (2-5) -10*5 L (naturalne izotopy 4 2 Ce, * 44Nd, WHO. Energia a -rozpad leży w granicach 44-9 MeV (z wyjątkiem przypadku cząstek a o dużym zasięgu) dla wszystkich ciężkich jąder i 24-4,5 MeV dla pierwiastków ziem rzadkich.
W teorii rozpadu a zakłada się, że jądro macierzyste jest studnią potencjału dla cząstek a, która jest ograniczona barierą potencjału. Energia cząstki a w jądrze jest niewystarczająca do pokonania tej bariery. Ucieczka cząstki a z jądra jest możliwa tylko dzięki zjawisku kwantowo-mechanicznemu zwanemu efektem tunelowania. Zgodnie z mechaniką kwantową istnieje niezerowe prawdopodobieństwo, że cząstka przejdzie przez potencjalną barierę. Zjawisko tunelowania ma charakter probabilistyczny.
Efekt tunelowy(tunelowanie) - pokonanie potencjalnej bariery przez mikrocząstkę w przypadku, gdy jej całkowita energia (która pozostaje niezmieniona podczas tunelowania) jest mniejsza niż wysokość bariery. Efekt tunelowy - zjawisko o charakterze kwantowym, niemożliwe w Mechanika klasyczna; Analogiem efektu tunelowania w optyce falowej może być wnikanie fali świetlnej do ośrodka odbijającego w warunkach, w których z punktu widzenia optyki geometrycznej zachodzi całkowite odbicie wewnętrzne. Zjawisko efektu tunelowania leży u podstaw wielu ważnych procesów w fizyce atomowej i molekularnej, w fizyka jądra atomowego, ciała stałego itp. Ostatecznie tunelowanie tłumaczy się relacją niepewności.
Figa. 7.
Głównym czynnikiem decydującym o prawdopodobieństwie rozpadu a i jego zależności od energii cząstki a i ładunku jądrowego jest bariera kulombowska. Najprostsza teoria rozpadu a sprowadza się do opisu ruchu cząstki a w studni potencjału z przegrodą (rys. 7). Ponieważ energia cząstek a wynosi 5 MeV, a wysokość bariery kulombowskiej w ciężkich jądrach wynosi 254-30 MeV, emisja cząstki a z jądra może nastąpić tylko dzięki efektowi tunelowania, którego prawdopodobieństwo zależy od przepuszczalności bariery. Prawdopodobieństwo rozpadu a zależy wykładniczo od energii cząstki a.
Na ryc. 7 pokazuje zależność energii potencjalnej oddziaływania cząstki a z resztkowym jądrem w funkcji odległości między ich centrami. Potencjał kulombowski jest przycięty na odległość R, który jest w przybliżeniu równy promieniowi resztkowego jądra. Wysokość bariery kulombowskiej jest wprost proporcjonalna do ładunku jądra, ładunku cząstki a i jest odwrotnie proporcjonalna do R = r (A 1 / s, r 0 to promień rdzenia. Jest to dość znaczące, na przykład dla 2 3 **, a bariera Coulomba ma wysokość 30 MeV, dlatego zgodnie z klasycznymi koncepcjami cząstka a o energii 4,5 MeV nie może pokonać takiej bariery. Jednakże, ze względu na swoje właściwości falowe, cząstka a mimo to pokonuje taką barierę.
Na schemacie energetycznym rdzenia można wyróżnić trzy obszary:
i "- potencjał sferyczny dobrze z głębokością V. W mechanice klasycznej cząstka o energii kinetycznej E za + V 0 może poruszać się w tym obszarze, ale nie może go opuścić. W tym regionie zachodzi silna interakcja między cząstką a a resztkowym jądrem.
R to obszar bariery potencjalnej, w którym energia potencjalna jest większa niż energia cząstki a, tj. jest to obszar zakazany dla klasycznej cząstki.
7 *> r e - region poza barierą potencjału. W mechanice kwantowej cząstka alfa może przejść przez barierę (tunelowanie), ale prawdopodobieństwo tego jest bardzo małe.
Teoria tunelowania Gamowa wyjaśniła silną zależność okresu półtrwania nuklidów emitujących promieniowanie α od energii cząstki α. Jednak okresy półtrwania dla wielu jąder przewidywano z dużymi błędami. Dlatego teoria Gamowa była wielokrotnie ulepszana. Wzięli pod uwagę zarówno możliwość rozpadu jąder o niezerowym orbitalnym momencie pędu, jak i silną deformację jąder (cząstki a częściej wylatują wzdłuż głównej osi elipsoidy, a średnie prawdopodobieństwo ucieczki różni się od tego dla kulistego jądra) itp. Teoria Gamowa nie uwzględniała struktury stanów jądra początkowego i końcowego oraz problemu powstawania cząstki a w jądrze, której prawdopodobieństwo przyjęto jako 1. Dla parzystych-parzystych jąder przybliżenie to dość dobrze opisuje eksperyment. Jeśli jednak zmiana struktury początkowych jąder w końcowe jest zauważalnie trudna, to obliczone wartości okresów półtrwania mogą się zmienić o dwa rzędy wielkości.
Cząstka alfa nie istnieje przez cały czas w rozpadającym się jądrze, ale z pewnym skończonym prawdopodobieństwem pojawia się na jej powierzchni przed ucieczką. W warstwie powierzchniowej ciężkich jąder znajdują się ugrupowania cząstek a nukleonów, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów (klastrów a). Wiadomo, że rozpad a przebiega o 2 do 4 rzędów wielkości szybciej, gdy cząstka a powstaje z par neutronów i protonów, w porównaniu z rozpadem, gdy cząstka a powstaje z niesparowanych nukleonów. W pierwszym przypadku rozpad a nazywany jest korzystnym i takie są wszystkie a-przejścia między stanami podstawowymi parzysto-parzystych jąder. W drugim przypadku rozpad a nazywany jest niekorzystnym.
1. FIZYKA JĄDKA ATOMOWEGO 1.4. β-rozpad
1.4. Rozpad beta.
Rodzaje i właściwości rozpadu beta. Elementy teorii rozpadu beta. Rodziny radioaktywne
Rozpad beta jądro nazywane jest procesem spontanicznej transformacji niestabilnego jądra w jądro izobarowe w wyniku emisji elektronu (pozytonu) lub wychwycenia elektronu. Znanych jest około 900 jąder promieniotwórczych beta. Spośród nich tylko 20 jest naturalnych, reszta jest pozyskiwana sztucznie.
Rodzaje i właściwości rozpadu beta
Istnieją trzy rodzaje β -rozpad: elektroniczny β - -rozpad, pozyton β + -rozpad i wychwytywanie elektronów ( mi- zdobyć). Główny widok jest pierwszy.
Gdy elektroniczna β – -rozkład jeden z neutronów w jądrze zamienia się w proton z emisją elektronu i antyneutrina elektronowego.
Przykłady: swobodny rozpad neutronów
, T 1/2 = 11,7 min;
rozpad trytu
, T 1/2 = 12 lat.
Gdy pozyton β + -rozkład jeden z protonów w jądrze zamienia się w neutron z emisją dodatnio naładowanego elektronu (pozytonu) i neutrina elektronowego
... (1.41b)
Przykład
·
Z porównania okresów połowicznego rozpadu przodków rodów z okresem geologicznym Ziemi (4,5 mld lat) można zauważyć, że prawie cały tor-232 zachował się w substancji Ziemi, uran-238 rozpadł się o około połowa, uran-235 - w większości neptun-237 praktycznie cały.
Promieniowanie alfa i beta jest ogólnie określane jako rozpady radioaktywne. Jest to emisja z jądra, która występuje z duża prędkość... W rezultacie atom lub jego izotop może przechodzić z jednego pierwiastka chemicznego w drugi. Rozpady alfa i beta jąder są charakterystyczne dla pierwiastków niestabilnych. Należą do nich wszystkie atomy o liczbie ładunku większej niż 83 i liczbie masowej większej niż 209.
Warunki reakcji
Rozpad, podobnie jak inne przemiany radioaktywne, jest naturalny i sztuczny. Ta ostatnia występuje z powodu wniknięcia jakiejkolwiek obcej cząstki do jądra. Ile rozpadów alfa i beta może przejść atom, zależy tylko od tego, jak szybko zostanie osiągnięty stan stabilny.
W warunkach naturalnych zachodzą rozpady alfa i beta-minus.
W sztucznych warunkach występują neutrony, pozytony, protony i inne, rzadsze typy rozpadów i przemian jąder.
Nazwiska te nadała osoba zajmująca się badaniem promieniowania radioaktywnego.
Różnica między stabilnym a niestabilnym jądrem
Zdolność do rozpadu zależy bezpośrednio od stanu atomu. Tak zwane „stabilne” lub nieradioaktywne jądro jest charakterystyczne dla atomów nierozkładających się. Teoretycznie obserwację takich elementów można prowadzić w nieskończoność, aby ostatecznie upewnić się o ich stabilności. Jest to wymagane, aby oddzielić takie jądra od niestabilnych, które mają wyjątkowo długi okres półtrwania.
Przez pomyłkę taki „spowolniony” atom można pomylić ze stabilnym. Jednak tellur, a dokładniej jego izotop 128, który ma 2,2 · 10 24 lata, może stać się uderzającym przykładem. Ten przypadek nie jest odosobniony. Lantan-138 ma okres półtrwania 10 11 lat. Okres ten jest trzydziestokrotnie dłuższy od istniejącego wszechświata.
Istota rozpadu promieniotwórczego
Ten proces jest arbitralny. Każdy rozpadający się radionuklid uzyskuje stałą szybkość w każdym przypadku. Szybkość rozpadu nie może się zmienić pod wpływem czynniki zewnętrzne... Nie ma znaczenia, czy reakcja zajdzie pod wpływem ogromnej siły grawitacyjnej, przy zera absolutnym, w polu elektrycznym i magnetycznym, podczas dowolnej Reakcja chemiczna itp. Na proces ten może wpływać jedynie bezpośrednie działanie na wnętrze jądra atomowego, co jest praktycznie niemożliwe. Reakcja jest spontaniczna i zależy tylko od atomu, w którym zachodzi i jego stanu wewnętrznego.
Odnosząc się do rozpadów promieniotwórczych, często spotyka się termin „radionuklid”. Ci, którzy go nie znają, powinni wiedzieć, że to słowo oznacza grupę atomów, które mają właściwości radioaktywne, własną liczbę masową, liczbę atomową i stan energetyczny.
Różne radionuklidy są wykorzystywane w technicznych, naukowych i innych sferach ludzkiego życia. Na przykład w medycynie elementy te są wykorzystywane do diagnozowania chorób, przetwarzania leków, narzędzi i innych przedmiotów. Dostępnych jest nawet szereg radiopreparatów terapeutycznych i prognostycznych.
Nie mniej ważne jest określenie izotopu. To słowo odnosi się do specjalnego rodzaju atomu. Mają taką samą liczbę atomową jak normalny pierwiastek, ale inną liczbę masową. Różnica ta jest spowodowana liczbą neutronów, które nie wpływają na ładunek, jak protony i elektrony, ale zmieniają masę. Na przykład prosty wodór ma ich aż 3. Jest to jedyny pierwiastek, którego izotopy zostały nazwane: deuter, tryt (jedyny radioaktywny) i prot. W przeciwnym razie nazwy są podawane zgodnie z masami atomowymi i głównym pierwiastkiem.
Rozpad alfa
To jest rodzaj reakcji radioaktywnej. Typowe dla naturalnych elementów z szóstego i siódmego okresu tabeli pierwiastki chemiczne Mendelejew. Specjalnie do elementów sztucznych lub transuranowych.
Elementy podlegające rozpadowi alfa
Liczba metali, dla których ten rozpad jest charakterystyczny, obejmuje tor, uran i inne pierwiastki szóstego i siódmego okresu z układu okresowego pierwiastków chemicznych, licząc od bizmutu. Procesowi poddawane są również izotopy z szeregu pierwiastków ciężkich.
Co się dzieje podczas reakcji?
Wraz z rozpadem alfa z jądra zaczynają być emitowane cząstki składające się z 2 protonów i pary neutronów. Sama emitowana cząstka jest jądrem atomu helu o masie 4 jednostek i ładunku +2.
W rezultacie pojawia się nowy pierwiastek, który znajduje się dwie komórki na lewo od oryginału w układzie okresowym. Ten układ jest zdeterminowany faktem, że pierwotny atom stracił 2 protony, a wraz z tym ładunek początkowy. W rezultacie masa powstałego izotopu zmniejsza się o 4 jednostki masy w porównaniu ze stanem początkowym.
Przykłady
Podczas tego rozpadu z uranu powstaje tor. Z toru pochodzi rad, z niego radon, z którego w końcu powstaje polon, aw końcu ołów. W tym przypadku w procesie powstają izotopy tych pierwiastków, a nie same. Tak więc otrzymujemy uran-238, tor-234, rad-230, radon-236 i tak dalej, aż do pojawienia się stabilnego pierwiastka. Wzór na taką reakcję jest następujący:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Prędkość emitowanej cząstki alfa w momencie emisji wynosi od 12 do 20 tys. km/s. Będąc w próżni taka cząsteczka krąży wokół Ziemia w 2 sekundy, poruszając się wzdłuż równika.
Rozpad beta
Różnica między tą cząstką a elektronem polega na miejscu pojawienia się. Rozpad beta zachodzi w jądrze atomu, a nie w otaczającej go powłoce elektronowej. Najczęściej znajdowane ze wszystkich istniejących przemian promieniotwórczych. Można to zaobserwować w prawie wszystkich obecnie istniejących pierwiastkach chemicznych. Wynika z tego, że każdy pierwiastek ma co najmniej jeden ulegający rozkładowi izotop. W większości przypadków rozpad beta powoduje rozpad beta minus.
Postęp reakcji
W procesie tym elektron jest wyrzucany z jądra, które powstało w wyniku spontanicznej przemiany neutronu w elektron i proton. W tym przypadku protony, ze względu na większą masę, pozostają w jądrze, a elektron, zwany cząsteczką beta-minus, opuszcza atom. A ponieważ jest więcej protonów o jeden, jądro samego pierwiastka zmienia się w górę i znajduje się na prawo od oryginału w układzie okresowym.
Przykłady
Rozpad beta z potasem-40 przekształca go w izotop wapnia, który znajduje się po prawej stronie. Radioaktywny wapń-47 staje się skandem-47, który można przekształcić w stabilny tytan-47. Jak wygląda ten rozpad beta? Formuła:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Prędkość ucieczki cząstki beta jest 0,9 razy większa od prędkości światła, równa 270 tys. km/s.
W przyrodzie nie ma zbyt wielu nuklidów beta-aktywnych. Jest kilka znaczących. Przykładem jest potas-40, który w naturalnej mieszance jest tylko 119/10000. Również naturalne radionuklidy beta-minus-aktywne spośród najbardziej znaczących to produkty rozpadu alfa i beta uranu i toru.
Rozpad beta ma typowy przykład: tor-234, który podczas rozpadu alfa zamienia się w protaktyn-234, a następnie w ten sam sposób staje się uranem, ale jego drugim izotopem pod numerem 234. Ten uran-234 ponownie staje się torem w wyniku rozpadu alfa, ale w innej odmianie. Ten tor-230 staje się radem-226, który zamienia się w radon. I w tej samej kolejności, aż do talu, tylko z różnymi przejściami beta z powrotem. Ten radioaktywny rozpad beta kończy się utworzeniem stabilnego ołowiu-206. Ta transformacja ma następującą formułę:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206
Naturalne i znaczące radionuklidy beta-aktywne to K-40 i pierwiastki od talu do uranu.
Próchnica Beta Plus
Istnieje również transformacja beta plus. Nazywa się to również rozpadem beta pozytonów. Emituje z jądra cząstkę zwaną pozytonem. Rezultatem jest przekształcenie oryginalnego elementu na ten po lewej, który ma niższą liczbę.
Przykład
Kiedy następuje elektroniczny rozpad beta, magnez-23 staje się stabilnym izotopem sodu. Radioaktywny europ-150 staje się samarem-150.
Powstała reakcja rozpadu beta może powodować emisje beta + i beta. Prędkość ucieczki cząstek w obu przypadkach jest 0,9 razy większa od prędkości światła.
Inne rozpady promieniotwórcze
Oprócz takich reakcji jak rozpad alfa i rozpad beta, których wzór jest powszechnie znany, istnieją inne, rzadsze i bardziej charakterystyczne procesy dla sztucznych radionuklidów.
Rozpad neutronów... Emitowana jest obojętna cząstka o masie 1 jednostki masy. W tym czasie jeden izotop jest przekształcany w inny o niższej liczbie masowej. Przykładem może być konwersja litu-9 do litu-8, helu-5 do helu-4.
Napromieniowany kwantami gamma stabilnego izotopu jodu-127 staje się izotopem 126 i staje się radioaktywny.
Rozpad protonu... Jest niezwykle rzadki. W tym czasie emitowany jest proton, który ma ładunek +1 i 1 jednostkę masy. Masa atomowa staje się o jedną mniej wartością.
Każdej przemianie radioaktywnej, w szczególności rozpadom promieniotwórczym, towarzyszy uwalnianie energii w postaci promieniowania gamma. Nazywa się to kwantami gamma. W niektórych przypadkach obserwuje się promieniowanie rentgenowskie o niższej energii.
Jest to strumień kwantów gamma. jest promieniowanie elektromagnetyczne, cięższy niż RTG, który jest używany w medycynie. W efekcie pojawiają się kwanty gamma, czyli energia płynąca z jądra atomowego. Promienie rentgenowskie są również elektromagnetyczne, ale powstają z powłok elektronowych atomu.
Uruchom cząsteczkę alfa
Cząstki alfa o masie 4 jednostek atomowych i ładunku +2 poruszają się po linii prostej. Z tego powodu możemy mówić o zasięgu cząstek alfa.
Przebieg zależy od energii początkowej i wynosi od 3 do 7 (czasami 13) cm w powietrzu. W gęstym środowisku jest to jedna setna milimetra. Takie promieniowanie nie może przeniknąć przez kartkę papieru i ludzką skórę.
Ze względu na swoją masę i liczbę ładunków cząsteczka alfa ma najwyższą zdolność jonizacji i niszczy wszystko na swojej drodze. Pod tym względem radionuklidy alfa są najbardziej niebezpieczne dla ludzi i zwierząt w kontakcie z ciałem.
Penetracja cząstek beta
Ze względu na małą liczbę masową, która jest 1836 razy mniejsza od protonu, ładunek ujemny i rozmiar, promieniowanie beta ma słaby wpływ na substancję, przez którą przelatuje, ale ponadto lot jest dłuższy. Również ścieżka cząstki nie jest prosta. W związku z tym mówią o zdolności przenikliwej, która zależy od otrzymanej energii.
Zdolność penetracyjna cząstek beta powstałych podczas rozpadu promieniotwórczego sięga w powietrzu 2,3 m, w cieczach liczy się w centymetrach, a w ciała stałe- w ułamkach centymetra. Tkanki ludzkiego ciała przenoszą promieniowanie na głębokość 1,2 cm. Prosta warstwa wody do 10 cm może służyć jako ochrona przed promieniowaniem beta Strumień cząstek o wystarczająco dużej energii rozpadu 10 MeV jest prawie w całości pochłaniany przez takie warstwy: powietrze - 4 m; aluminium - 2,2 cm; żelazo - 7,55 mm; ołów - 5,2 mm.
Biorąc pod uwagę ich mały rozmiar, cząstki beta mają niską zdolność jonizacji w porównaniu z cząstkami alfa. Jednak po spożyciu są znacznie bardziej niebezpieczne niż podczas ekspozycji zewnętrznej.
Najwyższe wskaźniki penetracji spośród wszystkich rodzajów promieniowania mają obecnie neutron i gamma. Zasięg tych promieniowań w powietrzu sięga niekiedy dziesiątek i setek metrów, ale przy niższych wskaźnikach jonizujących.
Większość izotopów kwantów gamma w energii nie przekracza 1,3 MeV. Czasami osiągane są wartości 6,7 MeV. W związku z tym, aby chronić przed takim promieniowaniem, jako współczynnik tłumienia stosuje się warstwy stali, betonu i ołowiu.
Np. w celu dziesięciokrotnego osłabienia promieniowania gamma kobaltu wymagana jest ochrona ołowiana o grubości około 5 cm, dla stukrotnego tłumienia zajmie to 9,5 cm. Ochrona betonu wyniesie 33 i 55 cm, a ochrona przed wodą - 70 i 115 cm.
Wydajność jonizacji neutronów zależy od ich wydajności energetycznej.
W każdej sytuacji najlepszą metodą ochrony przed promieniowaniem będzie maksymalna odległość od źródła i jak najmniej czasu przebywania w obszarze wysokiego promieniowania.
Rozszczepienie jąder atomowych
Przez atomy rozumie się spontaniczne lub pod wpływem neutronów, na dwie części, w przybliżeniu równej wielkości.
Te dwie części stają się radioaktywnymi izotopami pierwiastków z głównej części tablicy pierwiastków chemicznych. Zaczynają od miedzi do lantanowców.
Podczas uwalniania emitowana jest para dodatkowych neutronów i występuje nadmiar energii w postaci kwantów gamma, znacznie większy niż podczas rozpadu promieniotwórczego. Tak więc przy jednym akcie rozpadu promieniotwórczego pojawia się jeden kwant gamma, a podczas aktu rozszczepienia pojawia się 8,10 kwantów gamma. Również rozproszone fragmenty mają dużą energię kinetyczną, która zamienia się we wskaźniki termiczne.
Uwolnione neutrony są w stanie wywołać separację pary podobnych jąder, jeśli znajdują się w pobliżu i neutrony w nie uderzają.
W związku z tym powstaje prawdopodobieństwo rozgałęzienia, przyspieszającej reakcji łańcuchowej separacji jąder atomowych i wytworzenia dużej ilości energii.
Kiedy takie reakcja łańcuchowa jest pod kontrolą, to może być używany do określonych celów. Na przykład do ogrzewania lub elektryczności. Takie procesy są przeprowadzane w elektrowniach i reaktorach jądrowych.
Jeśli stracisz kontrolę nad reakcją, to się stanie wybuch jądrowy... Podobnie jest w broni jądrowej.
W warunkach naturalnych istnieje tylko jeden pierwiastek - uran, który ma tylko jeden rozszczepialny izotop o numerze 235. Jest to rodzaj broni.
W zwykłym reaktorze atomowym uranu z uranu-238 pod wpływem neutronów powstaje nowy izotop o numerze 239, az niego - pluton, który jest sztuczny i nie występuje w warunkach naturalnych. W tym przypadku powstały pluton-239 jest używany do celów uzbrojenia. Ten proces rozszczepiania jąder atomowych jest esencją wszystkiego broń atomowa i energia.
Zjawiska takie jak rozpad alfa i beta, których wzór jest badany w szkole, są w naszych czasach szeroko rozpowszechnione. Dzięki tym reakcjom powstają elektrownie jądrowe i wiele innych gałęzi przemysłu opartych na fizyce jądrowej. Nie zapominaj jednak o promieniotwórczości wielu z tych pierwiastków. Podczas pracy z nimi wymagana jest szczególna ochrona i przestrzeganie wszystkich środków ostrożności. W przeciwnym razie może to doprowadzić do nieodwracalnej katastrofy.
Pierścienie magazynujące ciężkie jony otwierają zupełnie nowe możliwości w badaniu właściwości jąder egzotycznych. W szczególności umożliwiają akumulację i długotrwałe użytkowanie w pełni zjonizowanych atomów - „nagich” jąder. Dzięki temu możliwe staje się badanie właściwości jąder atomowych, które nie mają środowiska elektronowego iw których nie występuje efekt kulombowski zewnętrznej powłoki elektronowej z jądrem atomowym.
Figa. 3.2 Schemat e-wychwytywania w izotopie (po lewej) i w pełni zjonizowanych atomach oraz (po prawej)
Rozpad do stanu związanego atomu odkryto po raz pierwszy w 1992 roku. Zaobserwowano rozpad β - w pełni zjonizowanego atomu na stany związane. Jądro 163 Dy jest zaznaczone na czarno na diagramie N-Z jąder atomowych. Oznacza to, że jest to stabilny rdzeń. Rzeczywiście, będąc częścią neutralnego atomu, jądro 163 Dy jest stabilne. Jego stan podstawowy (5/2 +) może zostać wypełniony w wyniku e-przechwytywania ze stanu podstawowego (7/2 +) jądra 163 Ho. Jądro 163 Ho, otoczone powłoką elektronową, jest β - -radioaktywne, a jego okres półtrwania wynosi ~ 10 4 lat. Jest to jednak prawdą tylko wtedy, gdy weźmiemy pod uwagę jądro otoczone powłoką elektronową. W przypadku atomów w pełni zjonizowanych obraz jest zasadniczo inny. Teraz stan podstawowy jądra 163 Dy okazuje się mieć wyższą energię niż stan podstawowy jądra 163 Ho i otwiera się możliwość rozpadu 163 Dy (rys. 3.2).
| → + e - + e. | (3.8) |
Elektron powstały w wyniku rozpadu może zostać wychwycony przez wolną powłokę K lub L jonu. W rezultacie rozpad (3.8) ma postać
→ + e - + e (stan związany).
Energie rozpadów β na powłoki K i L wynoszą odpowiednio (50,3 ± 1) keV i (1,7 ± 1) keV. Aby zaobserwować rozpad na stany związane powłoki K i L w pierścieniu akumulacyjnym ESR, GSI zgromadził 108 w pełni zjonizowanych jąder. W czasie akumulacji w wyniku rozpadu β + - powstały jądra (rys. 3.3).
Figa. 3.3. Dynamika akumulacji jonów: a - prąd jonów Dy 66+ nagromadzonych w pierścieniu akumulacyjnym ESR podczas różnych etapów eksperymentu, β- natężenia jonów Dy 66+ i Ho 67+ mierzone odpowiednio przez zewnętrzne i wewnętrzne detektory pozycyjne
Ponieważ jony Ho 66+ mają praktycznie taki sam stosunek M/q jak jony wiązki pierwotnej Dy 66+, gromadzą się na tej samej orbicie. Czas akumulacji wynosił ~30 min. Aby zmierzyć okres półtrwania jądra Dy 66+, wiązka zgromadzona na orbicie musiała zostać oczyszczona z domieszki jonów Ho 66+. W celu oczyszczenia wiązki z jonów do komory wstrzyknięto strumień gazu argonowego o gęstości 6 × 10 12 atomów/cm2 i średnicy 3 mm, który przecinał wiązkę nagromadzonych jonów w kierunku pionowym. Ze względu na to, że jony Ho 66+ wychwytywały elektrony, opuściły orbitę równowagową. Belka była czyszczona przez około 500 sekund. Następnie strumień gazu został odcięty, a jony Dy 66+ i nowo powstałe (po wyłączeniu strumienia gazu) w wyniku rozpadu jonów Ho 66+ nadal krążyły w pierścieniu. Czas trwania tego etapu wahał się od 10 do 85 minut. Wykrywanie i identyfikacja Ho 66+ opierała się na fakcie, że Ho 66+ może być jeszcze silniej zjonizowany. W tym celu w ostatnim etapie ponownie wstrzyknięto strumień gazu do pierścienia akumulacyjnego. Ostatni elektron został oderwany od jonu 163 Ho 66+, a wynikiem był jon 163 Ho 67+. Detektor pozycyjny znajdował się w pobliżu strumienia gazu, który rejestrował 163 jony Ho 67+ opuszczające wiązkę. Na ryc. Rysunek 3.4 pokazuje zależność liczby 163 jąder Ho wytworzonych w wyniku rozpadu β od czasu akumulacji. Wstawka pokazuje rozdzielczość przestrzenną detektora pozycyjnego.
Tak więc akumulacja jąder 163 Ho w wiązce 163 Dy była dowodem na możliwość rozpadu
→ + e - + e (stan związany).
Figa. 3.4. Stosunek jonów potomnych 163 Ho 66+ do jonów pierwotnych 163 Dy 66+ w zależności od czasu akumulacji. Wstawka pokazuje pik 163 Ho 67+ zarejestrowany przez wewnętrzny detektor.
Zmieniając odstęp czasu między czyszczeniem wiązki z domieszki Ho 66+ a czasem rejestracji nowo utworzonych jonów Ho 66+ w wiązce zanieczyszczeń, można zmierzyć okres półtrwania w pełni zjonizowanego izotopu Dy 66+. Okazało się, że to ~0,1 roku.
Podobny rozkład stwierdzono dla 187 Re 75+. Ten wynik jest niezwykle ważny dla astrofizyki. Faktem jest, że neutralne atomy 187 Re mają okres półtrwania 4 · 10 10 lat i są używane jako radioaktywny zegar. Okres półtrwania 187 Re 75+ wynosi tylko 33 ± 2 lata. Dlatego konieczne jest wprowadzenie odpowiednich poprawek w pomiarach astrofizycznych, ponieważ w gwiazdach 187 Re jest najczęściej w stanie zjonizowanym.
Badanie właściwości w pełni zjonizowanych atomów otwiera nowy kierunek badań nad egzotycznymi właściwościami jąder pozbawionych efektu kulombowskiego zewnętrznej powłoki elektronowej.
