Бета-розпад на зв'язаний стан атома. Типи ядерних перетворень, альфа і бета-розпад B розпаді масове число ядер
Відповідно до видами радіоактивних випромінювань існують кілька видів радіоактивного розпаду (типів радіоактивних перетворень). Радіоактивного перетворення піддаються елементи, в ядрах яких занадто багато протонів або нейтронів. Розглянемо види радіоактивного розпаду.
1. Альфа-розпад характерний для природних радіоактивних елементів з великим порядковим номером (тобто з малими енергіями зв'язку). Відомо близько 160 альфа-активних видів ядер, в основному порядковий номер їх понад 82 (Z\u003e 82). Альфа-розпад супроводжується випусканням з ядра нестійкого елемента альфа-частинки, яка представляє собою ядро \u200b\u200bатома гелію Чи не (в його складі 2 протона і 2 нейтрона). Заряд ядра зменшується на 2, масове число - на 4.
ZАХ → Z-2 А-4 У + 2 4Не; 92 238U → 24 Чи не + 90 234Th;
88 226Ra → 2 4He + 86 222Ra + γ изл.
Альфа - розпад піддається більше 10% радіоактивних ізотопів.
2. Бета-розпад. Ряд природних і штучних радіоактивних ізотопів зазнають розпад з випусканням електронів або позитронів:
а) Електронний бета-розпад. характерний як для природних, так і для штучних радіонуклідів, які мають надлишок нейтронів (тобто в основному для важких радіоактивних ізотопів). Електронного бета-розпаду піддається близько 46% всіх радіоактивних ізотопів. При цьому один з нейтронів перетворюється в, а ядро \u200b\u200bвипускає і антинейтрино. Заряд ядра і відповідно атомний номер елемента при цьому збільшується на одиницю, а масове число залишається без зміни.
АZ Х → АZ + 1 У + е- + v-; 24194Pu → 24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.
При випущенні β-частинок ядра атомів можуть перебувати в збудженому стані, коли в дочірньому ядрі виявляється надлишок енергії, що не захоплена корпускулярним частинками. Цей надлишок енергії висвічується у вигляді гамма-квантів.
13785Cs → 13756 Ва + е - + v- + γ изл .;
б) позитронний бета-розпад. Спостерігається у деяких штучних радіоактивних ізотопів, у яких в ядрі є надлишок протонів. Він характерний для 11% радіоактивних ізотопів, що знаходяться в першій половині таблиці Д. І. Менделєєва (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-1У + е + + v +; 3015P → 3014Si + e + + v +; 6428Ni + e + + v +.
Позитрон, вилетівши з ядра, зриває з оболонки атома «зайвий» або взаємодіє з вільним електроном, утворюючи пару «позитрон-електрон», яка миттєво перетворюється в два гамма-кванта з енергією, еквівалентної масі частинок (е і е). Процес перетворення пари «позитрон-електрон» в два гамма-кванта отримав назву анігіляції (знищення), а виникає електромагнітне випромінювання - анігіляційного. В даному випадку відбувається перетворення однієї форми матерії (часток речовини) в іншу - гамма-фотони;
в) електронний захоплення. Це такий вид радіоактивного перетворення, коли ядро \u200b\u200bатома захоплює електрон з найближчого до ядра енергетичного К-рівня (електронний К-захоплення) або рідше в 100 разів - з L рівня. В результаті один з протонів ядра нейтралізується електроном, перетворюючись в. Порядковий номер нового ядра стає на одиницю менше, а масове число не змінюється. Ядро випускає антинейтрино. Місце, що звільнилося, яке займав в До або L-рівні захоплений, заповнюється електроном з більш віддалених від ядра енергетичних рівнів. Надлишок енергії, що звільнилася при такому переході, випускається атомом у вигляді характеристичного рентгенівського випромінювання.
AZХ + е- → AZ-1 У + v- + рентгенівське випромінювання;
4019К + е- → Аr + v- + рентгенівське випромінювання;
6429Сu + е- → 6428 Ni + v- + рентгенівське випромінювання.
Електронний К-захоплення характерний для 25% всіх радіоактивних ядер, але в основному для штучних радіоактивних ізотопів, розташованих в іншій половині таблиці Д.І. Менделєєва і мають надлишок протонів (Z \u003d 45 - 105). Тільки три природних елемента зазнають К-захоплення: калій-40, лантан-139, лютеций-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).
Деякі ядра можуть розпадатися двома або трьома способами: шляхом альфа- і бета-розпаду і К-захоплення.
Калій-40 піддається, як уже зазначалося, електронного розпаду - 88%, і К-захоплення - 12%. Мідь-64 (6428Сu) перетворюється в нікель (позитронний розпад - 19%, К-захоплення - 42%; (електронний розпад - 39%).
3. Випромінювання γ-випромінювання не є видом радіоактивного розпаду (при цьому не відбувається перетворення елементів), а являє собою потік електромагнітних хвиль, що виникають при альфа- і бета-розпад ядер атомів (як природних, так і штучних радіоактивних ізотопів), коли в дочірньому ядрі виявляється надлишок енергії, що не захоплений корпускулярним випромінюванням (альфа- і бета-частинкою). Цей надлишок миттєво висвічується у вигляді гамма-квантів.
13153I → 13154Xe + e- + v- + 2γ кванта; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ квант.
4. - випускання протона з ядра в основному стані. Цей процес може спостерігатися у штучно отриманих ядер з великим дефіцитом нейтронів:
лютеций - 151 (15171Lu) - в ньому на 24 нейтрона менше, ніж в стабільному ізотопі 17671Lu.
Альфа-розпад(А-розпад) - вид радіоактивного розпаду атомних ядер, коли випускається альфа-частинки, заряд ядра зменшується на 2 одиниці, масове число - на 4. Альфа-розпад характерний для радіоактивних елементів з великим атомним номером Z.
Мал. 1. Схематичне зображення а-розпаду.
Альфа-розпадом називається мимовільне перетворення атомного ядра з числом протонів Z і нейтронів N в інше (дочірнє) ядро, що містить число протонів Z-2 і нейтронів N-2. При цьому випускається а-частинка - ядро \u200b\u200bатома гелію 4 // ^ +.
При а-розпаді вихідного ядра атомний номер утворився ядра зменшується на дві одиниці, а масове число зменшується на 4 одиниці, згідно зі схемою:
Прикладами а-розпаду можуть служити розпад ізотопу урану-238:
(При цьому розпаді ядро \u200b\u200bторію і а-частка розлітаються з кінетичними енергіями 0.07 МеВ і 4.18 МеВ) і радію-226:
Тут проявляється правило зсуву, сформульоване фаянсу і Содді: елемент, що утворився з іншого елемента при випущенні а-променів, займає в періодичній системі місце на дві групи лівіше вихідного елемента.
Ступінь нестійкості ядер характеризується величиною періоду напіврозпаду - проміжку часу, протягом якого розпадається половина ядер даного радіоактивного ізотопу. Більшість радіоактивних ізотопів має складні схеми розпаду. У таких випадках на схемах вказують відсоток даного виду випромінювання по відношенню до загальної кількості переходів (рис. 1 і 2).
Мал. 2. Схема розпаду 230 Th.
Повна енергія а-розпаду:
де Е а - енергія а-частки, Е тл - енергія атома віддачі і Я "ШБ - енергія збудження дочірнього ядра.
Для більш легких чётночётних нуклідів (Л
Кінетична енергія а-частинок при альфа-розпаді (Е і) визначається масами вихідного і кінцевого ядра і а-частинки. Ця енергія може трохи зменшуватися, якщо кінцеве ядро \u200b\u200bутворюється в збудженому стані і, навпаки, трохи збільшуватися, якщо збудженим було випускає а-частку ядро \u200b\u200b(такі а-частинки зі збільшеною енергією називаються дліннопробежних). Однак у всіх випадках енергія а-розпаду завжди пов'язана з різницею мас і рівнями збудження вихідного і кінцевого ядер, а тому спектр випускаються а-частинок завжди є не суцільним, а лінійчатим.
Енергія, що виділилася при а-розпаді
де ма і М А -4 - маси материнського і дочірнього ядер, М а - маса а-частинки. енергія Е ділиться між а-часткою і дочірнім ядром обернено пропорційно їх масам, звідки енергія а-частинок:
Енергія віддачі:
Енергія віддачі дочірнього ядра зазвичай знаходиться в області про, 1 МеВ, що відповідає довжині пробігу в повітрі, що дорівнює кільком міліметрів.
У земних умовах існує близько 40 а-радіоактивних ізотопів. Вони об'єднані в три радіоактивних ряду, які починаються с 2 3 6 U ( А \u003d 477), 2, 3 8 U (А \u003d 477 + 2), 2 35U ( А \u003d 477 + 3). До них можна умовно (тому що ізотопи цього ряду встигли розпастися за час існування Землі), віднести четвертий ряд, який починається с 2 3 × Np (Л \u003d 477 + 1). Після ряду послідовних розпадів утворюються стабільні ядра з близьким або рівним магічним числам кількістю протонів і нейтронів (Z \u003d 82, N \u003d 126) відповідно 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2 ° 7 РЬ, 2 ° 9Bi. Часи життя «-активно ядер лежать в межах від ю 17років (2 ° 4РЬ) до 3-ю * 7с (212 Ро). Довгоживучими є нукліди і 2 Ось * 44Ne, 17 4Hf, періоди напіврозпаду яких складають
(2 + 5) 10 * 5 років.
Мал. 3. Плоскі пучки а-променів від джерела малих розмірів: а - джерело 210 Ро, одна група а-променів; б - джерело 227 Th, дві групи з близькими по довжині пробігами; в - джерело 2u Bi + 2n Po, видно дві а-частинки 211Р0; г - джерело ~ 8 Th з продуктами його розпаду ^ Ra, 2, 3-Th, 21б Ро, 212 Bi + 212 Po 6 груп.
Альфа-розпад можливий, якщо енергія зв'язку а-частинки відносно материнського ядра негативна. Для того, щоб ядро \u200b\u200bбуло а-радіоактивним необхідне виконання умови, що є наслідком закону збереження енергії
М (А?) \u003e М (Л-4 ^ -2) + М а, (9)
де M (A, Z) і М (А-4, Z-2) - маси спокою вихідного і кінцевого ядер відповідно, М а - маса а-частинки. При цьому в результаті розпаду кінцеве ядро \u200b\u200bі а-частка набувають сумарну кінетичну енергію Е.
Кінетичні енергії а-частинок змінюються від 1,83 МеВ (* 44Nd) до 11,65 МеВ (ізомер 212ш Ро). Енергія а-частинок, що випускаються важкими рами з основних станів, становить 4 + 9 МеВ, а випускається ми рідкоземельних елементів 2 + 4.5 МеВ. Пробіг а-частки з типовою енергією Е а \u003d 6 МеВ становить -5 см в повітрі при нормальних умовах і ~ о, 05 мм в А1.
Мал. 4. Експериментальний а- спектр ізотопів плутонію.
Спектру частинок, що виникають при розпаді материнського ядра, часто складається з декількох моно енергетичних ліній, відповідних квантових переходах на різні енергетичні рівні дочірнього ядра.
Так як а-частка не має спина, правила відбору по моменту кількості руху I-L і парності, які випливають з відповідних законів збереження, виявляються простими. кутовий момент L or-частинки може приймати значення в інтервалі:
де і If- кутові моменти початкового і кінцевого стану ядер (материнського і дочірнього). При цьому дозволені лише парні значення L, якщо парності обох станів збігаються, і непарні, якщо парності не збігаються.
Мал. 5. Залежність lg Т від Е а "1/2 для парно-парних ізотопів полонію, радону і радію.
Властивістю а-розпаду є наявність певної і до того ж дуже сильній залежності між енергією випускаються «-частинок і періодом напіврозпаду« -радіоактивне ядер. При трохи зміниться енергії а-частинок періоди напіврозпаду (Т) змінюються на багато порядків. Так у 2 з 2 Т'? "\u003d 4.08 МеВ, 7 \u003d 1.41 10 ю л, а у 2l8 Th Е а \u003d9.85 МеВ, Т \u003d Ю мкс. Зміні енергії в два рази відповідає зміна в періоді напіврозпаду на 24 порядки.
Для парно-парних ізотопів одного елемента залежність періоду напіврозпаду від енергії а-розпаду добре описується співвідношенням (закон Гейгера-Неттолла):
де Ci і з 2 - константи, слабо залежать від Z.
Для постійної розпаду закон Гейгера-Нетолла має вигляд:
де binb 2 - константи, причому b 2 - загальна, а Ь - індивідуальна для кожного природного ряду, R - довжина пробігу а-частинки в повітрі, Е а - енергія а-частки.
Залежність подібного роду була емпірично встановлена \u200b\u200bв 1912 р Г.Гейгером і Дж.Нетоллом і теоретично обгрунтована в 1928 р Г.Гамовим в результаті квантовомеханічного розгляду процесу а-розпаду, що відбувається шляхом тунельного переходу. Теорія добре описує переходи між основними станами парно-парних ядер. Для непарній-парних, парно-непарних і непарній-непарних ядер загальна тенденція зберігається, але їх періоди напіврозпаду в 2-1000 разів більше, ніж для парно-парних ядер з даними Z і Е а.
Поширеність а-радіоактивності в значній мірі визначається саме сильною залежністю часу життя таких ядер від енергії їх розпаду. Ця енергія позитивна, якщо період напіврозпаду знаходиться в межах кг 12 сект \u003d ю 1в років активність 1 г ізотопу з А\u003d 200 становить всього 1,810 м2 Кі).
Для ізотопів елементів з Z
Відомо більше 200 a-активних ядер, розташованих в основному в кінці періодичної системи, за свинцем (Z\u003e 82), яким закінчується заповнення протонної ядерної оболонки з Z \u003d 82. Альфа-розпад пов'язаний з
кулоновским відштовхуванням, яке зростає в міру збільшення розмірів ядер швидше (як Z 2), ніж ядерні сили тяжіння, які збільшуються лінійно зі зростанням масового числа А.
Мал. 6. Залежність енергії а-розпаду ізотопів елементів починаючи з полонію (Z \u003d 84) до фермію (Z \u003d ioo) від числа нейтронів в ядрах.
Є також близько 20 а-радіоактивних ізотопів рідкоземельних елементів (A \u003d i40-ri6o). Тут а-розпад найбільш характерний для ядер з N \u003d 84, які при випущенні а-частинок перетворюються в ядра із заповненою нейтронної оболонкою (N \u003d 82). Існує також невелика группаа -випромінювач в проміжку між рідкоземельними і важкими ядрами і є кілька а- випромінюючих нейтронно-дефіцитних ядер з А ~ по.
Часи життя a-активних ядер коливаються в широких межах: від 3-10- "сек (для 2,2 Ро) до (2-5) -10 * 5 л (природні ізотопи '4 2 Ось * 44Nd, WHO. Енергія а-розпаду лежить в межах 44-9 МеВ (за винятком випадку дліннопробежних а-частинок) для всіх важких ядер і 24-4,5 МеВ для рідкоземельних елементів. Зведення даних про енергії а-розпаду а-радіоактивних ізотопів елементів з Z \u003d 84 -100 представлена \u200b\u200bна рис. 6.
В теорії а-розпаду передбачається, що материнське ядро \u200b\u200bє для а-частинок потенційної ямою, яка обмежена потенційним бар'єром. Енергія а-частинки в ядрі недостатня для подолання цього бар'єру. Виліт а-частинки з ядра виявляється можливим тільки завдяки квантово-механічному явищу, яке називається тунельним ефектом. Згідно з квантовою механікою, існують відмінна від нуля ймовірність проходження частинки крізь потенційний бар'єр. Явище тунелювання має імовірнісний характер.
тунельний ефект(Туннелирование) - подолання мікрочастинок потенційного бар'єру в разі, коли її повна енергія (що залишається при тунелюванні незмінною) менше висоти бар'єру. тунельний ефект - явище квантової природи, неможливе в класичній механіці; аналогом тунельного ефекту в хвильової оптики може служити проникнення світлової хвилі всередину відображає середовища в умовах, коли, з точки зору геометричної оптики, відбувається повне внутрішнє відбиття. Явище тунельного ефекту лежить в основі багатьох важливих процесів в атомній і молекулярної фізики, в фізики атомного ядра, твердого тіла і т.д. В остаточному підсумку, туннелирование пояснюється співвідношенням невизначеностей.
Мал. 7.
Основним фактором, що визначає ймовірність а-розпаду і її залежність від енергії а-частинки і заряду ядра, є кулонівський бар'єр. Найпростіша теорія а-розпаду зводиться до опису руху а-частинки в потенційній ямі з бар'єром (рис. 7). Так як енергія а-частинок становить 5-Гю МеВ, а висота кулонівського бар'єру у важких ядер 254-30 МеВ, то виліт а-частинки з ядра може відбуватися тільки за рахунок тунельного ефекту, ймовірність якого визначається проникністю бар'єру. Імовірність а-розпаду експоненціально залежить від енергії а-частинки.
На рис. 7 показана залежність потенційної енергії взаємодії а-частинки з залишковим ядром в залежності від відстані між їх центрами. Кулонівський потенціал обрізається на відстані R, яке приблизно дорівнює радіусу залишкового ядра. Висота кулонівського бар'єру прямо пропорційна заряду ядра, заряду а-частинки і обернено пропорційна R \u003d r (A 1 / s, г 0 - радіус ядра. Вона досить значна, наприклад, для 2 з ** і кулонівський бар'єр має висоту 30 МеВ, тому згідно класичним уявленням, а-частинка з енергією 4,5 МеВ такий бар'єр подолати не може. Однак завдяки своїм хвильовим властивостям, а-частка такий бар'єр все ж долає.
На енергетичної діаграмі ядра можна виділити три області:
i "- сферична потенційна яма глибиною V. У класичній механіці а-частинка з кінетичної енергією E a + V 0 може рухатися в цій галузі, але не здатна її покинути. У цій області існує сильна взаємодія між а-часткою і залишковим ядром.
R область потенційного бар'єру, в якій потенційна енергія більше енергії а-частинки, тобто це область, заборонена для класичної частинки.
7 *\u003e г е - область поза потенційного бар'єру. У квантовій механіці можливе проходження а-частинки крізь бар'єр (туннелирование), однак імовірність цього дуже мала.
Теорія тунелювання Гамова пояснила сильну залежність періоду напіврозпаду а-випромінюючих нуклідів від енергії а-частинки. Однак величини періодів напіврозпаду для багатьох ядер були передбачені з великими похибками. Тому теорія Гамова неодноразово вдосконалювалася. Була врахована, як можливість розпаду ядер з ненульовим орбітальним моментом, так і сильна деформація ядер (а-частинки охочіше вилітають уздовж великої осі еліпсоїда, а середня ймовірність вильоту відрізняється від такої для сферичного ядра) і т.п. В теорії Гамова не враховувалися структура станів початкового і кінцевого ядер і проблема освіти а-частинки в ядрі, ймовірність якої покладалася рівною 1. Для парно-парних ядер це наближення досить добре описує експеримент. Однак якщо перебудова структури вихідних ядер в кінцеві помітно ускладнена, то розрахункові значення періодів напіврозпаду можуть змінитися на два порядки.
Альфа-частинка не існує в а-распадающемся ядрі весь час, а з деякою кінцевою ймовірністю виникає на його поверхні перед вильотом. У поверхневому шарі важких ядер існують а-часткові угруповання нуклонів, що складаються з двох протонів і двох нейтронів (a-кластери). Відомо, що а-розпад йде на 2 ^ 4 порядки швидше, коли а-частинка утворюється з нейтронних і протонних пар, в порівнянні з розпадом, коли а-частинка утворюється з неспарених нуклонів. У першому випадку а-розпад називається сприятливим, і такими виявляються всі a-переходи між основними станами парно-парних ядер. У другому випадку а-розпад називається несприятливим.
1. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.4. β-розпад
1.4. Бета-розпад.
Види і властивості бета- розпаду. Елементи теорії бета-розпаду. радіоактивні сімейства
Бета-розпадом ядра називається процес мимовільного перетворення нестабільного ядра в ядро-ізобар в результаті випускання електрона (позитрона) або захоплення електрона. Відомо близько 900 бета-радіоактивних ядер. З них тільки 20 є природними, інші отримані штучним шляхом.
Види і властивості бета-розпаду
Існує три види β розпаду: електронний β - розпад, позитронний β + розпад і електронний захоплення ( е-захватил). Основним видом є перший.
при електронному β – розпаді один з нейтронів ядра перетворюється в протон з випусканням електрона і електронного антинейтрино.
Приклади: розпад вільного нейтрона
, Т 1/2 \u003d 11,7 хв;
розпад тритію
, Т 1/2 \u003d 12 років.
при позитронному β + розпаді один з протонів ядра перетворюється в нейтрон з випусканням позитивно зарядженого електрона (позитрона) і електронного нейтрино
. (1.41б)
приклад
·
З порівняння періодів напіврозпаду родоначальників родин з геологічним часом життя Землі (4,5 млрд. Років) видно, що в речовині Землі торій-232 зберігся майже весь, уран-238 розпався приблизно наполовину, уран-235 - здебільшого, нептуній-237 практично весь.
Альфа і бета-випромінювання в загальному випадку називаються радіоактивними розпадами. Це процес, який представляє собою випускання з ядра, що відбувається з величезною швидкістю. В результаті атом або його ізотоп може перетворитися з одного хімічного елемента в інший. Альфа і бета-розпади ядер характерні для нестабільних елементів. До них відносяться всі атоми з зарядовим числом більше 83 і масовим числом, що перевищує 209.
Умови виникнення реакції
Розпад, подібно до інших радіоактивним перетворенням, буває природним і штучним. Останній відбувається через потрапляння в ядро \u200b\u200bбудь-якої сторонньої частки. Скільки альфа і бета-розпаду здатний зазнати атом - залежить лише від того, як скоро буде досягнуто стабільного стану.
При природних обставин зустрічається альфа і бета-мінус розпади.
При штучних умовах присутній нейтронний, позитронний, протонний і інші, більш рідкісні різновиди розпадів і перетворень ядер.
Дані назви дав займався вивченням радіоактивного випромінювання.
Різниця між стабільним і нестабільним ядром
Здатність до розпаду безпосередньо залежить від стану атома. Так зване "стабільний" або нерадіоактивні ядро \u200b\u200bвластиво нераспадающіхся атомам. В теорії спостереження за такими елементами можна вести до нескінченності, щоб остаточно переконатися в їх стабільності. Потрібно це для того, щоб відокремити такі ядра від нестабільних, які мають вкрай довгий період напіврозпаду.
Помилково такий "уповільнений" атом можна прийняти за стабільний. Однак яскравим прикладом може стати телур, а конкретніше, його ізотоп з номером 128, який має в 2,2 × 10 24 років. Цей випадок не поодинокий. Лантан-138 схильний напіврозпаду, термін якого становить 10 11 років. Цей термін в тридцять разів перевищує вік існуючої всесвіту.
Суть радіоактивного розпаду
Даний процес відбувається довільно. Кожен розпадається радіонуклід набуває швидкість, яка є константою для кожного випадку. Швидкість розпаду не може змінитися під впливом зовнішніх факторів. Неважливо, буде відбуватися реакція під впливом величезної гравітаційної сили, при абсолютному нулі, в електричному і магнітному полі, під час будь-якої хімічної реакції та інше. Вплинути на процес можна тільки прямим впливом на внутрішність атомного ядра, що практично неможливо. Реакція спонтанна і залежить лише від атома, в якому протікає, і його внутрішнього стану.
При згадці радіоактивних розпадів часто зустрічається термін "радіонуклід". Тим, хто не знайомий з ним, слід знати, що дане слово позначає групу атомів, які мають радіоактивні властивості, власне масове число, атомний номер і енергетичний статус.
Різні радіонукліди застосовуються в технічних, наукових та інших сферах життєдіяльності людини. Наприклад, в медицині дані елементи використовуються при діагностуванні захворювань, обробці ліків, інструментів та інших предметів. Є навіть ряд лікувальних та прогностичних радіопрепарати.
Не менш важливим є і визначення ізотопу. Цим словом називають особливий різновид атомів. Вони мають однаковий атомний номер, як у звичайного елемента, однак відмінне масове число. Викликано це відмінність кількістю нейтронів, які не впливають на заряд, як протони і електрони, але змінюють масу. Наприклад, у простого водню їх є цілих 3. Це єдиний елемент, ізотопів якого були присвоєні назви: дейтерій, тритій (єдиний радіоактивний) і проти. В інших випадках імена даються відповідно до атомними масами і основним елементом.
Альфа-розпад
Це вид радіоактивної реакції. Характерний для природних елементів з шостого і сьомого періоду таблиці хімічних елементів Менделєєва. Особливо для штучних або трансуранових елементів.
Елементи, схильні до альфа-розпаду
У число металів, для яких характерний даний розпад, відносять торій, уран і інші елементи шостого і сьомого періоду з періодичної таблиці хімічних елементів, вважаючи від вісмуту. Також процесу піддаються ізотопи з числа важких елементів.
Що відбувається під час реакції?
При альфа-розпаді починається випускання з ядра частинок, що складаються з 2 протонів і пари нейтронів. Сама виділяється частка є ядром атома гелію, з масою 4 одиниці і зарядом +2.
В результаті з'являється новий елемент, який розташований на дві клітини лівіше вихідного в періодичній таблиці. Таке розташування визначається тим, що вихідний атом втратив 2 протона і разом з цим - початковий заряд. В результаті маса виник ізотопу на 4 масові одиниці зменшується в порівнянні з початковим станом.
приклади
Під час такого розпаду з урану утворюється торій. З торію з'являється радій, з нього - радон, який в підсумку дає полоній, і в кінці - свинець. При цьому в процесі виникають ізотопи цих елементів, а не вони самі. Так, виходить уран-238, торій-234, радій-230, радон-236 і далі, аж до виникнення стабільного елемента. Формула такої реакції виглядає наступним чином:
Th-234 -\u003e Ra-230 -\u003e Rn-226 -\u003e Po-222 -\u003e Pb-218
Швидкість виділеної альфа-частинки в момент випускання становить від 12 до 20 тис. Км / сек. Перебуваючи в вакуумі, така частка обігнула б земну кулю за 2 секунди, рухаючись по екватору.
Бета-розпад
Відмінність цієї частки від електрона - в місці появи. Розпад бета виникає в ядрі атома, а не електронною оболонці, що оточує її. Найчастіше зустрічається з усіх існуючих радіоактивних перетворень. Його можна спостерігати практично у всіх існуючих в даний час хімічних елементів. З цього випливає, що у кожного елемента є хоча б один схильний до розпаду ізотоп. У більшості випадків в результаті бета-распадапроісходіт бета-мінус розкладання.
перебіг реакції
При цьому процесі відбувається викидання з ядра електрона, що виник через самовільне перетворення нейтрона в електрон і протон. При цьому протони за рахунок більшої маси залишаються в ядрі, а електрон, званий бета-мінус часткою, залишає атом. І оскільки протонів стало більше на одиницю, ядро \u200b\u200bсамого елемента змінюється в більшу сторону і розташовується праворуч від вихідного в періодичній таблиці.
приклади
Розпад бета з калієм-40 перетворює його в ізотоп кальцію, який розташований праворуч. Радіоактивний кальцій-47 стає скандієм-47, який може перетворитися на стабільний титан-47. Як виглядає такою бета-розпад? Формула:
Ca-47 -\u003e Sc-47 -\u003e Ti-47
Швидкість вильоту бета-частинки становить 0,9 від швидкості світла, яка дорівнює 270 тис. Км / сек.
У природі бета-активних нуклідів не надто багато. Значущих з них досить мало. Прикладом може послужити калій-40, якого в природному суміші міститься лише 119/10000. Також природними бета-мінус-активними радіонуклідами з числа значущих є продукти альфа і бета-розпад урану і торію.
Розпад бета має типовий приклад: торій-234, який при альфа-розпаді перетворюється в протактиний-234, а потім таким же чином стає ураном, але іншим його ізотопом під номером 234. Цей уран-234 знову через альфа-розпаду стає торием , але вже інший його різновидом. Потім цей торій-230 стає радієм-226, який перетворюється в радон. І в тій же послідовності, аж до талію, лише з різними бета-переходами назад. Закінчується цей радіоактивний бета-розпад виникненням стабільного свинцю-206. Це перетворення має наступну формулу:
Th-234 -\u003e Pa-234 -\u003e U-234 -\u003e Th-230 -\u003e Ra-226 -\u003e Rn-222 -\u003e At-218 -\u003e Po-214 -\u003e Bi-210 -\u003e Pb-206
Природними і значущими бета-активними радіонуклідами є К-40 і елементи від талію до урану.
Розпад бета-плюс
Також існує бета-плюс перетворення. Воно також називається позитронний бета-розпад. У ньому відбувається випускання з ядра частки під назвою позитрон. Результатом стає перетворення вихідного елемента в стоїть зліва, який має менший номер.
приклад
Коли відбувається електронний бета-розпад, магній-23 стає стабільним ізотопом натрію. Радіоактивний європій-150 стає самарием-150.
Виникла реакція бета-розпаду може створити бета + і бета- випромінювання. Швидкість вильоту частинок в обох випадках дорівнює 0,9 від швидкості світла.
Інші радіоактивні розпади
Крім таких реакцій, як альфа-розпад і бета-розпад, формула яких широко відома, існують і інші, більш рідкісні і характерні для штучних радіонуклідів процеси.
нейтронний розпад. Відбувається випускання нейтральної частинки 1 одиниці маси. Під час нього один ізотоп перетворюється в інший з меншим масовим числом. Прикладом може стати перетворення літію-9 в літій-8, гелію-5 в гелій-4.
При опроміненні гамма-квантами стабільного ізотопу йоду-127 він стає ізотопом з номером 126 і набуває радіоактивність.
протонний розпад. Зустрічається вкрай рідко. Під час нього відбувається випускання протона, що має заряд +1 і 1 одиницю маси. Атомний вагу стає менше на одне значення.
Будь-яке радіоактивне перетворення, зокрема, радіоактивні розпади, супроводжуються виділенням енергії у формі гамма-випромінювання. Його називають гамма-квантами. У деяких випадках спостерігається рентгенівське випромінювання, що має меншу енергію.
Являє собою потік гамма-квантів. Є електромагнітним випромінюванням, більш жорстким, ніж рентгенівське, яке застосовується в медицині. В результаті з'являються гамма-кванти, або потоки енергії з атомного ядра. Рентгенівське випромінювання також є електромагнітним, але виникає з електронних оболонок атома.
Пробіг альфа-частинок
Альфа-частинки з масою від 4 атомних одиниць і зарядом +2 рухаються прямолінійно. Через це можна говорити про пробіг альфа-частинок.
Значення пробігу залежить від початкової енергії і коливається від 3 до 7 (іноді 13) см в повітрі. У щільному середовищі становить соту частку від міліметра. Подібне випромінювання не може пробити аркуш паперу і людську шкіру.
Через власну маси і зарядового числа альфа-частинки має найбільшу іонізуючу здатність і руйнує все на шляху. У зв'язку з цим альфа-радіонукліди найбільш небезпечні для людей і тварин при впливі на організм.
Проникаюча здатність бета-частинок
У зв'язку з малим масовим числом, яке в 1836 разів менше протона, негативним зарядом і розміром, бета-випромінювання має слабку дію на речовину, через яке пролітає, але при тому політ довше. Також шлях частки не прямолінійний. У зв'язку з цим говорять про проникаючої здатності, яка залежить від отриманої енергії.
Проникаючі здібності у бета-частинок, що виникли під час радіоактивного розпаду, в повітрі досягають 2,3 м, в рідинах підрахунок ведеться в сантиметрах, а в твердих тілах - в частках від сантиметра. Тканини організму людини пропускають випромінювання на 1,2 см в глибину. Для захисту від бета-випромінювання може послужити простий шар води до 10 см. Потік частинок з досить великою енергією розпаду в 10 МеВ майже весь поглинається такими шарами: повітря - 4 м; алюміній - 2,2 см; залізо - 7,55 мм; свинець - 5,2 мм.
З огляду на малі розміри, частки бета-випромінювання мають малу іонізуючу здатність у порівнянні з альфа-частками. Однак при попаданні всередину вони набагато небезпечніше, ніж під час зовнішнього опромінення.
Найбільші проникаючі показники серед усіх видів випромінювань в даний час має нейтронне і гамма. Пробіг цих випромінювань в повітрі іноді досягає десятків і сотень метрів, але з меншими іонізуючими показниками.
Більшість ізотопів гамма-квантів по енергії не перевищують показників в 1,3 МеВ. Зрідка досягаються значення в 6,7 МеВ. У зв'язку з цим для захисту від такого випромінювання використовуються шари зі сталі, бетону і свинцю для кратності ослаблення.
Наприклад, щоб десятикратно послабити гамма-випромінювання кобальту, необхідний свинцевий захист товщиною близько 5 см, для 100-кратного ослаблення буде потрібно 9,5 см. Бетонна захист складе 33 і 55 см, а водна - 70 і 115 см.
Іонізуючі показники нейтронів залежать від їх енергетичних показників.
При будь-якій ситуації найкращим захисним методом від випромінювання стане максимальне віддалення від джерела і якомога менше часу в зоні високої радіації.
Розподіл ядер атомів
Під атомів мається на увазі мимовільне, або під впливом нейтронів, на дві частини, приблизно рівні за розмірами.
Ці дві частини стають радіоактивними ізотопами елементів з основної частини таблиці хімічних елементів. Починаються від міді до лантаноїдів.
Під час виділення виривається пара зайвих нейтронів і виникає надлишок енергії у формі гамма-квантів, який набагато більше, ніж при радіоактивному розпаді. Так, при одному акті радіоактивного розпаду виникає один гамма-квант, а під час акту поділу з'являється 8,10 гамма-квантів. Також розлетілися осколки мають велику кінетичну енергію, що переходила в теплові показники.
Вивільнені нейтрони здатні спровокувати поділ пари аналогічних ядер, якщо вони розташовані поблизу і нейтрони в них потрапили.
У зв'язку з цим виникає ймовірність виникнення розгалужується, що прискорюється ланцюгової реакції поділу атомних ядер і створення великої кількості енергії.
Коли така ланцюгова реакція знаходиться під контролем, то її можна використовувати в певних цілях. Наприклад, для опалення або електроенергії. Такі процеси проводяться на атомних електростанціях і реакторах.
Якщо втратити контроль над реакцією, то трапиться атомний вибух. Подібне застосовується в ядерній зброї.
У природних умовах є тільки один елемент - уран, який має лише один ділиться ізотоп з номером 235. Він є збройовим.
У звичайному урановому атомному реакторі з урану-238 під впливом нейтронів утворюють новий ізотоп під номером 239, а з нього - плутоній, який є штучним і не зустрічається в природних умовах. При цьому виник плутоній-239 застосовується в збройових цілях. Цей процес ділення атомних ядер є суттю всього атомної зброї і енергетики.
Такі явища, як альфа-розпад і бета-розпад, формула яких вивчається в школі, широко розповсюджені в наш час. Завдяки даним реакцій, існують атомні електростанції і багато інших виробництва, засновані на ядерній фізиці. Однак не варто забувати про радіоактивність багатьох таких елементів. При роботі з ними потрібно спеціальний захист і дотримання всіх запобіжних заходів. В іншому випадку це може привести до непоправної катастрофи.
Накопичувачі важких іонів відкривають принципово нові можливості в дослідженні властивостей екзотичних ядер. Зокрема, вони дозволяють накопичувати і протягом тривалого часу використовувати повністю іонізованниє атоми - «голі» ядра. В результаті стає можливим досліджувати властивості атомних ядер, у яких немає електронного оточення і в яких відсутня кулоновское вплив зовнішньої електронної оболочкіс атомним ядром.
Мал. 3.2 Схема e-захоплення в ізотопі (зліва) і повністю іонізованих атомах і (праворуч)
Розпад на зв'язаний стан атома був вперше виявлений в 1992 р Спостерігався β - розпад повністю іонізованого атома на пов'язані атомні стану. Ядро 163 Dy на N-Z діаграмі атомних ядер позначено чорним кольором. Це означає, що воно є стабільним ядром. Дійсно, входячи до складу нейтрального атома, ядро \u200b\u200b163 Dy стабільно. Його основний стан (5/2 +) може заселяться в результаті e-захоплення з основного стану (7/2 +) ядра 163 Ho. Ядро 163 Ho, оточене електронною оболонкою, β - -радіоактивне і його період напіврозпаду становить ~ 10 4 років. Однак це справедливо тільки якщо розглядати ядро \u200b\u200bв оточенні електронної оболонки. Для повністю іонізованих атомів картина принципово інша. Тепер основний стан ядра 163 Dy виявляється по енергії вище основного стану ядра 163 Ho і відкривається можливість для розпаду 163 Dy (рис. 3.2)
| → + e - + e. | (3.8) |
Утворений в результаті розпаду електрон може бути захоплений на вакантну До або L-оболонку іона. В результаті розпад (3.8) має вигляд
→ + e - + e (в зв'язаному стані).
Енергії β-розпадів на K і L-оболонки рівні відповідно (50.3 ± 1) кеВ і (1.7 ± 1) кеВ. Для спостереження розпаду на зв'язані стани K- і L-оболонки в накопичувальному кільці ESR в GSI було накопичено 10 8 повністю іонізованих ядер. Протягом часу накопичення в результаті β + розпаду утворювалися ядра (рис. 3.3).
Мал. 3.3. Динаміка накопичення іонів: а - струм накопичених в накопичувальному кільці ESR іонів Dy 66+ під час різних стадій експерименту, β- інтенсивності іонів Dy 66+ та Ho 67+, виміряні зовнішнім і внутрішнім позиційно-чутливими детекторами відповідно
Так як іони Ho 66+ мають практично те ж відношення M / q, що і іони первинного пучка Dy 66+, вони накопичуються на одній і тій же орбіті. Час накопичення становило ~ 30 хв. Для того, щоб виміряти період напіврозпаду ядра Dy 66+, накопичений на орбіті пучок було необхідно очистити від домішки іонів Ho 66+. Для очищення пучка від іонів в камеру інжектовані аргонове газовий струмінь щільністю 6 х 10 12 атом / см 2, діаметром 3 мм, яка перетинала накопичений пучок іонів у вертикальному напрямку. За рахунок того, що іониHo 66+ захоплювали електрони, вони вибували з рівноважної орбіти. Очищення пучка проходила протягом приблизно 500 с. Після чого газовий струмінь перекривалася і в кільці продовжували циркулювати іони Dy 66+ і новоутворені (після виключення газового струменя) в результаті розпаду іони Ho 66+. Тривалість цього етапу змінювалася від 10 до 85 хв. Детектування та ідентифікація Ho 66+ базувалися на тому, що Ho 66+ можна ще сильніше іонізувати. Для цього на останньому етапі в накопичувальне кільце знову інжектовані газовий струмінь. Відбувалося обдирання останнього електрона з іона 163 Ho 66+ і в результаті виходив іон 163 Ho 67+. Поруч з газовим струменем розташовувався позиційно-чутливий детектор, яким реєструвалися вибувають з пучка іони 163 Ho 67+. На рис. 3.4 показана залежність числа утворюються в результаті β-розпаду ядер 163 Ho від часу накопичення. На вставці показано просторову роздільну здатність позиційно-чутливого детектора.
Таким чином, накопичення в пучку 163 Dy ядер 163 Ho стало доказом можливості розпаду
→ + e - + e (в зв'язаному стані).
Мал. 3.4. Ставлення дочірніх іонів 163 Ho 66+ до первинних 163 Dy 66+ в залежності від часу накопичення. На врізки пік 163 Ho 67+, зареєстрований внутрішнім детектором
Варіюючи інтервал часу між очищенням пучка від домішки Ho 66+ і часом реєстрації знову утворюються в пучку домішки іонів Ho 66+, можна виміряти період напіврозпаду повністю іонізованого ізотопу Dy 66+. Воно виявилося рівним ~ 0.1 року.
Аналогічний розпад був виявлений і для 187 Re 75+. Отриманий результат вкрай важливий для астрофізики. Справа в тому, що нейтральні атоми 187 Re мають період напіврозпаду 4 х 10 10 років і використовуються як радіоактивний годинник. Період напіврозпаду 187 Re 75+ складає всього 33 ± 2 роки. Тому в астрофізичні вимірювання необхідно вносити відповідні поправки, тому що в зірках 187 Re найчастіше знаходиться в іонізованому стані.
Вивчення властивостей повністю іонізованих атомів відкриває новий напрям досліджень екзотичних властивостей ядер, позбавлених кулонівського впливу зовнішньої електронної оболонки.
