Постоянная распада. Радиоактивное равновесие

§ 15-ж. Закон радиоактивного распада

Появление «ручных» сцинтилляционных счетчиков и, главным образом, счётчиков Гейгера–Мюллера, которые помогли автоматизировать подсчёты частиц (см. § 15-е), привело физиков к важному выводу. Любой радиоактивный изотоп характеризуется самопроизвольным ослабеванием радиоактивности, выражающимся в уменьшении количества распадающихся ядер в единицу времени.

Построение графиков активности различных радиоактивных изотопов приводило учёных к одной и той же зависимости, выражающейся показательной функцией (см. график). По горизонтальной оси отложено время наблюдения, а по вертикальной – количество нераспавшихся ядер. Кривизна линий могла быть различной, однако сама функция, которой выражались описываемые графиками зависимости, оставалась одной и той же:

Эта формула выражает закон радиоактивного распада: количество нераспавшихся с течением времени ядер определяется как произведение начального количества ядер на 2 в степени, равной отношению времени наблюдения к периоду полураспада, взятой с отрицательным знаком.

Как выяснилось в ходе опытов, различные радиоактивные вещества можно охарактеризовать различным периодом полураспада – временем, за которое количество ещё нераспавшихся ядер уменьшается вдвое (см. таблицу).

Периоды полураспада некоторых изотопов некоторых химических элементов. Приведены значения как для естественных, так и для искусственных изотопов.

Йод-129	15 млн лет	Углерод-14	5,7 тыс лет
Йод-131	8 дней	Уран-235	0,7 млрд лет
Йод-135	7 часов	Уран-238	4,5 млрд лет

Период полураспада – общепринятая физическая величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Многочисленные опыты показывают, что даже при очень длительном наблюдении за радиоактивным веществом его период полураспада постоянен, то есть не зависит от числа уже распавшихся атомов. Поэтому закон радиоактивного распада нашёл применение в методе определения возраста археологических и геологических находок.

Метод радиоуглеродного анализа. Углерод – очень распространённый на Земле химический элемент, в состав которого входят стабильные изотопы углерод-12, углерод-13 и радиоактивный изотоп углерод-14, период полураспада которого составляет 5,7 тысяч лет (см. таблицу). Живые организмы, потребляя пищу, накапливают в своих тканях все три изотопа. После прекращения жизни организма поступление углерода прекращается, и с течением времени его содержание убывает естественным путём, за счёт радиоактивного распада. Поскольку распадается только углерод-14, с течением веков и тысячелетий изменяется соотношение изотопов углерода в ископаемых останках живых организмов. Измерив эту «углеродную пропорцию», можно судить о возрасте археологической находки.

Метод радиоуглеродного анализа применим и для геологических пород, а также для ископаемых предметов быта человека, но при условии, что соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования, например, пожаром или действием сильного источника радиации. Неучёт подобных причин сразу после открытия этого метода приводил к ошибкам на несколько веков и тысячелетий. Сегодня применяются «вековые калибровочные шкалы» для изотопа углерода-14, исходя из его распределения в долгоживущих деревьях (например, в американской тысячелетней секвойе). Их возраст можно подсчитать весьма точно – по годовым кольцам древесины.

Предел применения метода радиоуглеродного анализа в начале XXI века составлял 60 000 лет. Для измерения возраста более древних образцов, например горных пород или метеоритов, используют аналогичный метод, но вместо углерода наблюдают за изотопами урана или других элементов в зависимости от происхождения исследуемого образца.

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!

Радиоактивность. Основной закон радиоактивного распада.

Радиоактивность - самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер и элементарных частиц.

Виды радиоактивности:

1. Естественная

2. Искусственная.

Эрнест Резерфорд – строение атома .

Виды радиоактивного распада:

α-распад: à + ; β-распад: à +

Основной закон радиоактивного распада. N= N o e -лt

Число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает по экспонициальному закону. Л(лямбда)-постоянная распада.

Постоянная распада. Период полураспада. Активность. Виды радиоактивного распада и их спектры.

Л(лямбда)-постоянная распада, пропорциональная вероятности распада радиоактивного ядра и различная для разных радиоактивных веществ.

Период полураспада (T)- это время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. T=ln2/л=0,69/л.

Активность характеризуется скоростью распада. A=-dN/dT=лN=лN o e -лt =(N/T)*ln2

[A]-беккерель (Бк)= 1распад/секунду.

[А]-кюри (Ки) . 1 Ки=3,7*10 10 Бк=3,7*10 10 с -1

[А]-резерфорд(Рд). 1Рд=10 6

Виды радиоактивного распада. Правило смещения.

Альфа-распад(самое слабое): А Z X> 4 2 He + A-4 Z-2 Y

Бета-распад: A Z X> 0 -1 e + A Z+1 Y

Энергетические спектры частиц многих радиоактивных элементов состоят из нескольких линий. Причина появления такой структуры спектра - распад начального ядра (А,Z) на возбужденное состояние ядра(А-4,Z-2. Для альфа - распада, например). Измеряя спектры частиц можно получить информацию о природе возбужденных состояний ядра.

Характеристики взаимодействия заряженных частиц с веществом: линейная плотность ионизации, линейная тормозная способность, средний линейный пробег. Проникающая и ионизирующая способности альфа, бета и гамма излучения.

Заряженные частицы, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате чего изменяется состояние как вещества, так и частиц.

Линейная плотность ионизации - это отношение ионов знака dn, образованных заряженных ионизированной частицей на элементарном пути dL, к длине этого пути. I=dn/dL.

Линейная тормозная способность- это отношение энергии dE, теряемой заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного пути dL, к длине этого пути. S= dE/dL.

Средний линейный пробег- это расстояние, которое ионизирующая частица проходит в веществе без столкновения. R-средний линейный пробег.

Необходимо учитывать проникающую способность излучений. Например, тяжелые ядра атомов и альфа-частицы имеют крайне малую длину пробега в веществе, поэтому радиоактивные альфа - источники опасны при попадании внутрь организма. Наоборот, гамма-излучение обладает значительной проникающей способностью, поскольку состоят из высокоэнергетических фотонов, не обладающих зарядом.

Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.

Термин «радиоактивность», получивший название от латинских слов «radio» - «излучаю» и «activus» - «действенный», означает самопроизвольное превращение атомных ядер, сопровождающееся испусканием гамма-излучения, элементарных частиц или более лёгких ядер. В основе всех известных науке типов радиоактивных превращений лежат фундаментальные (сильные и слабые) взаимодействия частиц, входящих в состав атома. Неизвестный до этого вид проникающего излучения, испускаемого ураном, обнаружил в 1896 году французский ученый Антуан Анри Беккерель, а в широкий обиход понятие «радиоактивность» ввела в начале 20-го века Мария Кюри, которая, исследуя невидимые лучи, испускаемые некоторыми минералами, сумела выделить чистый радиоактивный элемент - радий.

Отличия радиоактивных превращений от химических реакций

Главная особенность радиоактивных превращений заключается в том, что они происходят самопроизвольно, в то время как для химических реакций в любом случае требуются какие-либо внешние воздействия. Кроме того, радиоактивные превращения протекают непрерывно и всегда сопровождаются выделением определенного количества энергии, которое зависит от силы взаимодействия атомных частиц между собой. На скорость протекания реакций внутри атомов не влияет ни температура, ни наличие электрического и магнитного полей, ни применение самого эффективного химического катализатора, ни давление, ни агрегатное состояние вещества. Радиоактивные превращения не зависят ни от одного внешнего фактора и не могут быть ни ускорены, ни замедлены.

Закон радиоактивного распада

Интенсивность радиоактивного распада, а также его зависимость от количества атомов и времени, выражена в Законе радиоактивного распада, открытом Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди в 1903 году. Для того чтобы прийти к определенным выводам, нашедшим впоследствии свое отражение в новом законе, ученые провели следующий эксперимент: они отделяли один из радиоактивных продуктов и изучали его самостоятельную активность отдельно от радиоактивности вещества, из которого он был выделен. В итоге, было обнаружено, что активность любых радиоактивных продуктов вне зависимости от химического элемента со временем уменьшается в геометрической прогрессии. Исходя из этого, ученые сделали вывод, что скорость радиоактивного превращения всегда пропорциональна числу систем, которые еще не подверглись превращению.

Формула Закона радиоактивного распада выглядит следующим образом:

согласно которой число распадов −dN, произошедшее за период времени dt (очень короткий интервал), пропорционально числу атомов N. В формуле Закона радиоактивного распада есть еще одна важная величина - постоянная распада (или обратная величина периода полураспада) λ, которая характеризует вероятность распада ядра в единицу времени.

Какие химические элементы являются радиоактивными?

Нестабильность атомов химических элементов - это, скорее, исключение, чем закономерность; в большинстве своем они стабильны и с течением времени не изменяются. Однако есть определенная группа химических элементов, атомы которых более других подвержены распаду и, распадаясь, излучают энергию, а также выделяют новые частицы. Самыми распространенными химическими элементами являются радий, уран и плутоний, обладающие способностью превращаться в другие элементы с более простыми атомами (так, например, уран превращается в свинец).

Изменение числа радиоактивных ядер во времени. Резерфорд и Содди в 1911 г., обобщая экспериментальные результаты, показали, что атомы некоторых элементов испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные семейства, где каждый член возникает из предыдущего и, в свою очередь, образует последующий.

Это удобно проиллюстрировать на примере образования радона из радия. Если поместить в запаянную ампулу то анализ газа через несколько дней покажет, что в нем появляется гелий и радон. Гелий устойчив, и поэтому он накапливается, радон же сам распадается. Кривая 1 на рис. 29 характеризует закон распада радона в отсутствие радия. При этом на оси ординат отложено отношение числа нераспавшихся ядер радона к их начальному числу Видно, что убывание содержания идет по экспоненциальному закону. Кривая 2 показывает, как изменяется число радиоактивных ядер радона в присутствии радия.

Опыты, проведенные с радиоактивными веществами, показали, что никакие внешние условия (нагревание до высоких температур,

магнитные и электрические поля, большие давления) не могут повлиять на характер и скорость распада.

Радиоактивность является свойством атомного ядра и для данного типа ядер, находящихся в определенном энергетическом состоянии, вероятность радиоактивного распада за единицу времени постоянна.

Рис. 29. Зависимость числа активных ядер радона от времени

Так как процесс распада самопроизвольный (спонтанный), то изменение числа ядер из-за распада за промежуток времени определяется только количеством радиоактивных ядер в момент и пропорционально промежутку времени

где постоянная, характеризующая скорость распада. Интегрируя (37) и считая, что получаем

т. е. число ядер убывает по экспоненциальному закону.

Этот закон относится к статистическим средним величинам и справедлив лишь при достаточно большом числе частиц. Величина X называется постоянной радиоактивного распада, имеет размерность и характеризует вероятность распада одного атома в одну секунду.

Для характеристики радиоактивных элементов вводится также понятие периода полураспада Под ним понимается время, в течение которого распадается половина наличного числа атомов. Подставляя условие в уравнение (38), получим

откуда, логарифмируя, найдем, что

и период полураспада

При экспоненциальном законе радиоактивного распада в любой момент времени имеется отличная от нуля вероятность найти еще не распавшиеся ядра. Время жизни этих ядер превышает

Наоборот, другие ядра, распавшиеся к этому времени, прожили разное время, меньшее Среднее время жизни для данного радиоактивного изотопа определяется как

Обозначив получим

Следовательно, среднее время жизни радиоактивного ядра равно обратной величине от постоянной распада Я. За время первоначальное число ядер уменьшается в раз.

Для обработки экспериментальных результатов удобно представить уравнение (38) в другой форме:

Величина называется активностью данного радиоактивного препарата, она определяет число распадов в секунду. Активность является характеристикой всего распадающегося вещества, а не отдельного ядра. Практической единицей активности является кюри. 1 кюри равно ислу распавшихся ядер содержащихся в радия за 1 сек распадов/сек). Используются и более мелкие единицы - милликюри и микрокюри . В практике физического эксперимента используется иногда другая единица активности - Резерфорд распадов/сек.

Статистический характер радиоактивного распада. Радиоактивный распад - явление принципиально статистическое. Мы не можем сказать, когда именно распадется данное ядро, а можем лишь указать, с какой вероятностью оно распадается за тот или иной промежуток времени.

Радиоактивные ядра не «стареют» в процессе своего существования. К ним вообще неприменимо понятие возраста, а можно лишь говорить о среднем времени их жизни.

Из статистического характера закона радиоактивного распада следует, что он выполняется строго, когда велико, а при небольших должны наблюдаться флуктуации. Число распадающихся ядер в единицу времени должно флуктуировать вокруг среднего значения, харак теризуемого приведенным выше законом. Это подтверждается экспериментальными измерениями числа -частиц, испускаемых радиоактивным веществом в единицу времени.

Рис. 30. Зависимость логарифма активности от времени

Флуктуации подчиняются закону Пуассона. Производя измерения с радиоактивными препаратами, надо всегда это учитывать и определять статистическую точность опытных результатов.

Определение постоянной распада X. При определении постоянной распада X радиоактивного элемента опыт сводится к регистрации числа частиц, вылетающих из препарата за единицу времени, т. е. определяется его активность Затем строится график изменения активности со временем, обычно в полулогарифмическом масштабе. Вид получаемых зависимостей при исследованиях чистого изотопа, смеси изотопов или радиоактивного семейства оказывается различным.

Рассмотрим в качестве примера несколько случаев.

1. Исследуется один радиоактивный элемент, при распаде которого образуются стабильные ядра. Логарифмируя выражение (41), получим

Следовательно, в этом случае логарифм активности является линейной функцией времени. График этой зависимости имеет вид прямой, тангенс угла наклона которой (рис. 30)

2. Исследуется радиоактивное семейство, в котором происходит целая цепь радиоактивных превращений. Ядра, получающиеся после распада, в свою очередь сами оказываются радиоактивными:

Примером такой цепочки может служить распад:

Найдем закон, описывающий в этом случае изменение числа радиоактивных атомов во времени. Для простоты выделим всего два элемента: считая А исходным, а В промежуточным.

Тогда изменение числа ядер А и ядер В определится из системы уравнений

Количество ядер А убывает за счет их распада, а количество ядер В убывает из-за распада ядер В и возрастает за счет распада ядер А.

Если при имеется ядер А, а ядер В нет, то начальные условия запишутся в виде

Решение уравнений (43) имеет вид

и полная активность источника, состоящего из ядер А и В:

Рассмотрим теперь зависимость логарифма радиоактивности от времени при разных соотношениях между и

1. Первый элемент короткоживущий, второй - долгоживущий, т. е. . В этом случае кривая, показывающая изменение суммарной активности источника, имеет вид, представленный на рис. 31, а. В начале ход кривой определяется в основном быстрым уменьшением числа активных ядер ядра В тоже распадаются, но медленно, и поэтому их распад не очень сильно влияет на наклон кривой на участке . В дальнейшем ядер типа А остается в смеси изотопов мало, и наклон кривой определяется постоянной распада Если нужно найти и то по наклону кривой при большом значении времени находят (в выражении (45) первый экспоненциальный член в этом случае может быть отброшен). Для определения величины надо учесть также влияние распада долгоживущего элемента на наклон первой части кривой. Для этого экстраполируют прямую в область малых времен, в нескольких точках вычитают из суммарной активности активность, определяемую элементом В, по полученным значениям

строят прямую для элемента А и по углу находят (при этом надо переходить от логарифмов к антилогарифмам и обратно).

Рис. 31. Зависимость логарифма активности смеси двух радиоактивных веществ от времени: а - при при

2. Первый элемент долгоживущий, а второй короткоживущий: Зависимость в этом случае имеет вид, представленный на рис. 31,б. В начале активность препарата увеличивается за счет накопления ядер В. Затем наступает радиоактивное равновесие, при котором отношение числа ядер А к числу ядер В становится постоянным. Этот тип равновесия называется переходным. Спустя некоторое время, оба вещества начинают убывать со скоростью распада материнского элемента.

3. Период полураспада первого изотопа много больше второго (следует заметить, что период полураспада некоторых изотопов измеряется миллионами лет). В этом случае через время устанавливается так называемое вековое равновесие, при котором количество ядер каждого изотопа пропорционально периоду полураспада этого изотопа. Соотношение

N=N 0 e - λt – закон радиоактивного распада, где N – число нераспавшихся ядер, N 0 – число начальных ядер.

Физический смысл постоянной распада – вероятность распада ядра за единицу времени. Характерные времена жизни для радиоактивных ядер τ> 10 -14 c. Времена жизни ядер, обусловленные испусканием нуклонов 10 -23 с < <10 -20 c. T 1/2 – период полураспада – время, за которое распадается половина начального количества ядер. Активность радиоактивного источника – число распадов в единицу времени: A=λN.

Виды радиоактивного распада. α – распад, схема распада, закономерности распада.

Радиоактивный распад – процесс превращения неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, который сопровождается испусканием частиц.

Виды радиоактивного распада:

1)α – распад – сопровождается испусканием атомов гелия.

2)β – распад – испускание электронов и позитронов.

3)γ – распад – испускание фотонов при переходах между состояниями ядер.

4)Спонтанное деление ядер.

5)Нуклонная радиоактивность.

α – распад: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-распад наблюдается у тяжёлых ядер. Спектр α – распада дискретный. Длина пробега α – частицы в воздухе: 3-7см; для плотных веществ: 10 -5 м. T 1/2 10 -7 с ÷ 10 10 лет.

β – распад. Схемы β + , β - и К-захвата. Закономерности β – распада.

β – распад обусловлен слабым взаимодействием. Слабым оно является по отношению к сильным ядрам. В слабых взаимодействиях участвуют все частицы, кроме фотонов. Суть в вырождении новых частиц. T 1/2 10 -2 с ÷ 10 20 лет. Свободный пробег нейтрона 10 19 км.

β – распад включает в себя 3 вида распада:

1)β - или электронный. Ядро испускает электроны. В общем случае:

A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .

2)β + или позитронный. Испускаются античастицы электрона – позитроны: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – реакция превращения протона в нейтрон. Самостоятельно реакция не проходит. Общий вид реакции: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Наблюдается у искусственных радиоактивных ядер.

3)Электронный захват. Происходит превращение ядра, захватывает K – оболочку и превращается в нейтрон: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Общий вид: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . В результате электрического захвата из ядер вылетает только одна частица. Сопровождается характерным рентгеновским излучением.

Активностью А нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N ) в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в 1 с:

Единица активности в СИ -беккерель (Бк): 1 Бк - активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. До сих пор в ядерной физике применяется и внесистемная единица активности нуклида в радиоактивном источнике -кюри (Ки): 1 Ки= 3,710 10 Бк.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемымиправилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения:

где Х - материнское ядро, Y - символ дочернего ядра, Не - ядро гелия ( -частица), е- символическое обозначение электрона (заряд его равен –1, а массовое число - нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, - сохранения электрического заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

28. Основные закономерности a-распада. Туннельный эффект. Свойства a-излучения.

α-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4 He).

α-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера экспоненциально уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

В результате α-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева, массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Тунне́льный эффект - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект - явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.

Туннельный эффект можно объяснить соотношением неопределённостей. Записанное в виде:

оно показывает, что при ограничении квантовой частицы по координате, то есть увеличении её определённости по x , её импульс p становится менее определённым. Случайным образом неопределённость импульса может добавить частице энергии для преодоления барьера. Таким образом, с некоторой вероятностью квантовая частица может проникнуть через барьер, а средняя энергия частицы останется неизменной.

Альфа-излучение обладает наименьшей проникающей способностью (чтобы поглощать альфа-частицы, достаточно листа плотной бумаги) в ткани человека на глубину менее миллиметра.

29. Основные закономерности b-распада и его свойства. Нейтрино. Электронный захват. (см 27)

Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. β-распад - это проявление слабого взаимодействия.

β-распад (точнее, бета-минус-распад, -распад) - это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино.

β-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из d -кварков в одном из нейтронов ядра в u -кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Правило смещения Содди для -распада:

После -распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Существуют также другие типы бета-распада. В позитронном распаде (бета-плюс-распаде) ядро испускает позитрон и нейтрино. При этом заряд ядра уменьшается на единицу (ядро смещается на одну клетку к началу таблицы Менделеева). Позитронный распад всегда сопровождается конкурирующим процессом - электронным захватом (когда ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу). Однако обратное неверно: многие нуклиды, для которых позитронный распад запрещён, испытывают электронный захват. Наиболее редким из известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для десяти нуклидов, и периоды полураспадов превышают 10 19 лет. Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра.

Нейтри́но - нейтральная фундаментальная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, и относящаяся к классу лептонов.

Электро́нный захва́т , e -захват - один из видов бета-распада атомных ядер. При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Этот процесс характерен для протонноизбыточных ядер. Если энергетическая разница между родительским и дочерним атомом (доступная энергия бета-распада) превышает 1,022 МэВ (удвоенную массу электрона), электронный захват всегда конкурирует с другим типом бета-распада, позитронным распадом. Например, рубидий-83 превращается в криптон-83 только посредством электронного захвата (доступная энергия около 0,9 МэВ), тогда как натрий-22 распадается в неон-22 посредством как электронного захвата, так и позитронного распада (доступная энергия около 2,8 МэВ).

Поскольку число протонов в ядре (т.е. заряд ядра) при электронном захвате уменьшается, этот процесс превращает ядро одного химического элемента в ядро другого элемента, расположенного ближе к началу таблицы Менделеева.

Общая формула электронного захвата

30. γ-излучение ядер и его свойства. Взаимодействие γ-излучения с веществом. Возникновение и уничтожение электрон-позитронных пар.

Экспериментально установлено, что  -излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает  - и  -распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т. д.  -Спектр является линейчатым.  -Спектр - это распределение числа  -квантов по энергиям. Дискретность  -спектра имеет принципиальное значение, так как является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

В настоящее время твердо установлено, что  -излучение испускается дочерним (а не материнским) ядром. Дочернее ядро в момент своего образования, оказываясь возбужденным, за время примерно 10 –13 -10 –14 с, значительно меньшее времени жизни возбужденного атома (примерно 10 –8 с), переходит в основное состояние с испусканием  -излучения. Возвращаясь в основное состояние, возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому  -излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп  -квантов, отличающихся одна от другой своей энергией.

При  -излучении А и Z ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смещения.  -Излучение большинства ядер является столь коротковолновым, что его волновые свойства проявляются весьма слабо. Здесь на первый план выступают корпускулярные свойства, поэтому  -излучение рассматривают как поток частиц -  -квантов. При радиоактивных распадах различных ядер  -кванты имеют энергии от 10 кэВ до 5 МэВ.

Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти в основное состояние не только при испускании  -кванта, но и при непосредственной передаче энергии возбуждения (без предварительного испускания  -кванта) одному из электронов того же атома. При этом испускается так называемыйэлектрон конверсии. Само явление называетсявнутренней конверсией. Внутренняя конверсия - процесс, конкурирующий с  -излучением.

Электронам конверсии соответствуют дискретные значения энергии, зависящей от работы выхода электрона из оболочки, из которой электрон вырывается, и от энергии Е, отдаваемой ядром при переходе из возбужденного состояния в основное. Если вся энергия Е выделяется в виде  -кванта, то частота излучения  определяется из известного соотношения E=h. Если же испускаются электроны внутренней конверсии, то их энергии равны Е-А K , E-A L , .... где A K , A L , ... - работа выхода электрона из К- и L -оболочек. Моноэнергетичность электронов конверсии позволяет отличить их от  -электронов, спектр которых непрерывен. Возникшее в результате вылета электрона вакантное место на внутренней оболочке атома будет заполняться электронами с вышележащих оболочек. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

 -Кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении  -излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им.  -Кванты не несут электрического заряда и тем самым не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении пучка  -квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность, изменение которой описывается экспоненциальным законом I =I 0 e – x (I 0 и I - интенсивности  -излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х,  - коэффициент поглощения). Так как  -излучение - самое проникающее излучение, то  для многих веществ - очень малая величина;  зависит от свойств вещества и от энергии  -квантов.

 -Кванты, проходя сквозь вещество, могут взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов вещества, так и с их ядрами. В квантовой электродинамике доказывается, что основными процессами, сопровождающими прохождение  -излучения через вещество, являются фотоэффект, комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение  -излучения, - это процесс, при котором атом поглощает  -квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освободившееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек, и фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергий  -квантов (E   100 кэВ). Фотоэффект может идти только на связанных электронах, так как свободный электрон не может поглотить  -квант, при этом одновременно не удовлетворяются законы сохранения энергии и импульса.

По мере увеличения энергии  -квантов (E  0,5 МэВ) вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом взаимодействия  -квантов с веществом является комптоновское рассеяние .

При E  >l,02 МэВ=2m e с 2 (т e - масса покоя электрона) становится возможным процесс образования электронно-позитронных пар в электрических полях ядер. Вероятность этого процесса пропорциональна Z 2 и увеличивается с ростом E  . Поэтому при E  10 МэВ основным процессом взаимодействия  -излучения в любом веществе являетсяобразованно электронно-позитронных пар.

Если энергия  -кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре (7-8 МэВ), то в результате поглощения  -кванта может наблюдатьсяядерный фотоэффект - выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.

Большая проникающая способность  -излучения используется в гамма-дефектоскопии - методе дефектоскопии, основанном на различном поглощении  -излучения при распространении его на одинаковое расстояние в разных средах. Местоположение и размеры дефектов (раковины, трещины и т. д.) определяются по различию в интенсивностях излучения, прошедшего через разные участки просвечиваемого изделия.

Воздействие  -излучения (а также других видов ионизирующего излучения) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения . Различаются:

Поглощенная доза излучения - физическая величина, равная отношению энергии излучения к массе облучаемого вещества.

Единица поглощенной дозы излучения - грей (Гр)*: 1 Гр= 1 Дж/кг - доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж.

31. Получение трансурановых элементов. Основные закономерности реакций деления ядер.

ТРАНСУРА́НОВЫЕ ЭЛЕМЕ́НТЫ, химические элементы, расположенные в периодической системе после урана, то есть с атомным номером Z >92.

Все трансурановые элементы синтезированы с помощью ядерных реакций (в природе обнаружены только микроколичества Np и Pu). Трансурановые элементы радиоактивны; с увеличением Z период полураспада T 1/2 трансурановых элементов резко уменьшается.

В 1932 г., после открытия нейтрона, было высказано предположение, что при облучении урана нейтронами должны образовываться изотопы первых трансурановых элементов. И в 1940 г. Э. Макмиллан и Ф. Эйблсон с помощью ядерной реакции синтезировалинептуний (порядковый номер 93) и изучили его важнейшие химические и радиоактивные свойства. Тогда же произошло открытие и следующего трансуранового элемента -плутония. Оба новых элемента были названы в честь планет Солнечной системы.

Все трансурановые элементы до 101-го включительно были синтезированы благодаря применению легких бомбардирующих частиц: нейтронов, дейтронов и альфа-частиц. Процесс синтеза состоял в облучении мишени потоками нейтронов или заряженных частиц. Если в качестве мишени используется U, то с помощью мощных нейтронных потоков, образующихся в ядерных реакторах или при взрыве ядерных устройств, можно получить все трансурановые элементы, до Fm (Z = 100) включительно. В качестве мишеней использовались также элементы с Z на 1 или на 2 меньше, чем у синтезируемого элемента. В период с 1940 по 1955 гг. американскими учеными под руководством Г. Сиборга были синтезированы девять новых элементов, не существующих в природе: Np (нептуний), Pu (плутоний), Am (америций), Cm (кюрий), Bk (берклий), Cf (калифорний), Es (эйнштейний), Fm (фермий), Md (менделевий). В 1951 Г. Сиборгу и Э. М. Макмиллану была присуждена Нобелевская премия «за открытия в области химии трансурановых элементов».

Возможности метода синтеза тяжелых радиоактивных элементов, при котором применяется облучение легкими частицами, ограничены, он не позволяет получать ядра с Z > 100. Элемент с Z = 101 (менделевий) был открыт в 1955 г. при облучении 253 99Es (эйнштейния) ускоренными a-частицами. Синтезы новых трансурановых элементов становились все сложнее по мере перехода к большим значениям Z . Все меньшими оказывались величины периодов полураспада их изотопов.

Я́дерная реа́кция - процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом, часто приводящий к выделению колоссального количества энергии. При протекании ядерных реакций выполняются следующие законы: сохранения электрического заряда и числа нуклонов, сохранения энергии и

импульса, сохранения момента импульса, сохранения четности и

изотопического спина.

Реакция деления – деление атомного ядра на несколько более легких ядер. Деления бывают вынужденные и спонтанные.

Реакция синтеза – реакция слияния лёгких ядер в одно. Эта реакция происходит только при высоких температурах, порядка 10 8 К и называется термоядерной реакцией.

Энергетическим выходом реакции Q называется разность между суммарными энергиями покоя всех частиц до и после ядерной реакции. Если Q >0, то суммарная энергия покоя уменьшается в процессе ядерной реакции. Такие ядерные реакции называются экзоэнергетическими. Они могут протекать при сколь угодно малой начальной кинетической энергии частиц. Наоборот, при Q <0 часть исходной кинетической энергии частиц превращается в энергию покоя. Такие ядерные реакции называются эндоэнергетическими. Для их протекания необходимо, чтобы кинетическая энергия частиц превышала некоторую величину.

32. Цепная реакция деления. Управляемая цепная реакция. Ядерный реактор.

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления - ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуютсякак продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k  1.

Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа - от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называютсякритическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществленияцепной реакция, называетсякритической массой.

Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т - среднее время жизни одного поколения, а N - число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно kN, т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN = kN-N = N (k- 1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость нарастания цепной реакции,

Интегрируя (266.1), получим

где N 0 - число нейтронов в начальный момент времени, а N - их число в момент времени t. N определяется знаком (k- 1). При k> 1 идет развивающаяся реакция , число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k =1 идет самоподдерживающаяся реакция , при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k <1 идет затухающая реакция.

Цепные реакции делятся науправляемые инеуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней U (или Pu) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах.

В природе имеется три изотопа, которые могут служить ядерным топливом ( U: в естественном уране его содержится примерно 0,7%) или сырьем для его получения ( Th и U: в естественном уране его содержится примерно 99,3%). Th служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива U (см. реакцию (265.2)), a U, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных  – -распадов - для превращения в ядро Pu:

Реакции (266.2) и (265.2), таким образом, открывают реальную возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции деления.

Я́дерный реа́ктор - это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в СШАпод руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный вКанаде в сентябре 1945 года . В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова.

К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов. Составными частями любого ядерного реактора являются: активная зона с ядерным топливом, обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления. Основной характеристикой ядерного реактора является его мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·10 16 актов деления в 1 сек.

33. Термоядерный синтез. Энергия звезд. Управляемый термоядерный синтез.

Термоядерная реакция - это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые.

Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний 10 -15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов Кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций (от греч. therme "тепло, жар").

В термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Например, в реакции синтеза дейтерия с образованием гелия

выделяется 3,2 МэВ энергии. В реакции синтеза дейтерия с образованием трития

выделяется 4,0 МэВ энергии, а в реакции

выделяется 17,6 МэВ энергии.

Управляемый термоядерный синтез (УТС ) - синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применятьсядейтерий(2 H) и тритий (3 H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3 He) и бор-11 (11 B).

34. Источники и методы регистрации элементарных частиц. Типы взаимодействий и классы элементарных частиц. Античастицы.

Счетчик Гейгера
- служит для подсчета количества радиоактивных частиц (в основном электронов).

Это стеклянная трубка, заполненная газом (аргоном), с двумя электродами внутри (катод и анод).
При пролете частицы возникает ударная ионизация газа и возникает импульс электрического тока.

Достоинства:
- компактность
- эффективность
- быстродействие
- высокая точность (10ООО частиц/с).
Где используется:
- регистрация радиоактивных загрязнений на местности, в помещениях, одежды, продуктов и т.д.
- на объектах хранения радиоактивных материалов или с работающими ядерными реакторами
- при поиске залежей радиоактивной руды (U, Th)

Камера Вильсона
- служит для наблюдения и фотографирования следов от пролета частиц (треков).
Внутренний объем камеры заполнен парами спирта или воды в перенасыщенном состоянии:
при опускании поршня уменьшается давление внутри камеры и понижается температура, в результате адиабатного процесса образуется перенасыщенный пар.
По следу пролета частицы конденсируются капельки влаги и образуется трек – видимый след.
При помещении камеры в магнитное поле по треку можно определить энергию, скорость, массу и заряд частицы.

По длине и толщине трека, по его искривлению в магнитном поле определяют характеристики пролетевшей радиоактивной частицы.
Например, альфа-частица дает сплошной толстый трек,
протон - тонкий трек,
электрон - пунктирный трек.

Пузырьковая камера

Вариант камеры Вильсона

При резком понижении поршня жидкость, находящаяся под высоким давление, переходит в перегретое состояние. При быстром движении частицы по следу образуются пузырьки пара, т.е. жидкость закипает, виден трек.
Преимущества перед камерой Вильсона:
- большая плотность среды, следовательно короткие треки
- частицы застревают в камере и можно проводить дальнейшее наблюдение частиц
- большее быстродействие.
Метод толстослойных фотоэмульсий
- служит для регистрации частиц
- позволяет регистрировать редкие явления из-за большого время экспозиции.
Фотоэмульсия содержит большое количество микрокристаллов бромида серебра.
Влетающие частицы ионизируют поверхность фотоэмульсий. Кристаллики AgВr распадаются под действием заряженных частиц и при проявлении выявляется след от пролета частицы - трек.
По длине и толщине трека можно определить энергию и массу частиц.

Классы частиц и типы взаимодействий

В настоящее время существует твердое убеждение, что все в природе построено из элементарных частиц, а все природные процессы обусловлены взаимодействием этих частиц. Под элементарными частицами сегодня понимают кварки, лептоны, калибровочные бозоны и хиггсовские скалярные частицы. Под фундаментальными взаимодействиями- сильное, электро-слабое и гравитационное. Таким образом, условно можно выделить четыре класса элементарных частиц и три типа фундаментальных взаимодействий.

Нейтрино электрически нейтральны; электрон, мюон и тау-лептон обладают электрическими зарядами. Лептоны участвуют в электро- слабом и гравитационном взаимодействии.

Третий класс - это кварки. Сегодня известно шесть кварков- каждый из которых может быть "окрашен" в один из трех цветов. Как и лептоны их удобно расположить в виде трех семейств

Кварки в свободном виде не наблюдаются. Вместе с глюонами они являются составляющими адронов, которых несколько сотен. Адроны, как и составляющие их кварки, участвуют во всех типах взаимодействий.

Четвертый класс - хиггсовские частицы, экспериментально пока необнаруженные. В минимальной схеме достаточно одного хиггсовского скаляра. Их роль в природе на сегодня-в основном "теоретическая" и состоит в том, чтобы сделать электро-слабое взаимодействие перенормируемым. В частности, массы всех элементарных частиц- это "дело рук" хиггсовского конденсата. Возможно, введение хиггсовских полей необходимо для разрешения фундаментальных проблем космологии, таких как однородность и причинная связность Вселенной.

Последующие лекции по теории кварковой структуры адронов посвящены адронам и кваркам. Основное внимание будет уделяться классификации частиц, симметриям и законам сохранения.

35. Законы сохранения при превращениях элементарных частиц. Понятие о кварках.

Кварк - фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e /3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5·10 −19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят - «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него,Дж. Цвейгом в 1964 году.

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера/Мюстера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно являетсязвукоподражанием крику морских птиц.

Статьи по теме