Сторінка
1

Радіоактивні перетворення ядер

План

1. Основні закономірності радіоактивного розпаду.

2. Радіоактивні процеси.

2.1. α-Розпад.

2.2. β-Розпад.

2.3. γ-Випромінювання. Ефект Мессбауера.

2.4. Інші види радіоактивності.

3. Поділ і синтез ядер.

Основні закономірності радіоактивного розпаду

Радіоактивність — спонтанний процес, що відбувається в атомах радіоактивних елементів. Його розглядають як спонтанне перетворення нестійкого ізотопу одного хімічного елемента на ізотоп іншого елемента. Цей процес супроводжується випромінюванням різних частинок (електронів, протонів, нейтронів, α-частинок) ().

До радіоактивних елементів належать ті, котрі мають порядковий номер більший за 83. У періодичній таблиці Менделєєва вони розташовуються після Вісмуту. Для цих елементів характерною є відсутність стабільних ізотопів. Крім того, природна радіоактивність була виявлена й у деяких ізотопів інших елементів. Наприклад, винятком можна назвати Технецій (Те, Z = 43) і Прометій (Рт, Z= 61). Незважаючи на те, що їхні порядкові номери менші за 83, вони не мають жодного стабільного ізотопу.

Радіоактивний розпад — природне радіоактивне перетворення ядер. При цьому ядро, яке зазнає розпаду, називається материнським, а те, що утворюється, — дочірнім.

Основним у теорії радіоактивного розпаду є припущення про те, що розпад — спонтанний процес, який підкоряється законам статистики. Розпад окремих радіоактивних ядер відбувається незалежно, що дозволяє зробити такий висновок: швидкість розпаду (тобто кількість ядер, які розпадаються за одиницю часу), пропорційна кількість ядер, які не розпалися на цей момент часу:

Величина λ — коефіцієнт, що характеризує швидкість розпаду. Він називається константою розпаду. Ця величина індивідуальна для кожного радіоактивного ядра, її негативне значення вказує на те, що в процесі розпаду загальна кількість радіоактивних ядер зменшується. Знайти початкову кількість ядер, що не розпалися, дозволяє закон радіоактивного розпаду:

N= N0e-λt

де N0 — початкова кількість ядер, що не розпалися, у початковий момент часу

N — кількість ядер, що не розпалися, у момент часу t.

Основними характеристиками інтенсивності розпаду є: 0,693

1) період піврозпаду — час, за який розпадається половина ядер: ;

2) середній час життя ядра:

Кількість розпадів, що відбуваються з ядрами за 1 с, називається активністю нукліда:

Радіоактивні процеси

Для будь-якого радіоактивного процесу виконуються закони збереження енергії, імпульсу, моменту кількості руху, а також електронного заряду. При а-розпаді й у-випромінюванні виконується також закон збереження парності.

Парність Р — квантове число, що характеризує симетрію хвильової функції елементарної частинки або системи елементарних частинок щодо дзеркального відображення. Парність частинки позитивна, якщо при дзеркальному відображенні хвильова функція частинки не змінює знак:

Р=+1.

Якщо ж знак хвильової функції змінюється при відображенні, то парність частинки негативна:

Р= - 1.

Закон збереження парності накладає ряд обмежень на ядерні процеси. Так, реакція заборонена законом збереження парності, якщо кінетична енергія протона не перевищує 0,5 МеВ. Причина в тому, що при цьому значенні енергії хвильова функція пари частинок непарна, а пари - парна. При вищій енергії протона пара частинок може мати парну хвильову функцію, і тоді протікання цієї реакції є можливим.

α-Розпад

При α-розпаді з радіоактивного ядра випромінюється а-частинка (двічі магічне ядро атома Гелію ). Таким чином, дочірнє ядро має на два протони і два нейтрони менше, ніж материнське. а-Розпаду зазнають головним чином важкі ядра (А > 200, Z > 8а).

Правило зміщення для α-розпаду:

α-Розпад можливий тому, що маса, а отже, і енергія а-радіоактивного ядра більша за суму мас (або сумарну енергію спокою) а-частинки і дочірнього ядра, що утворюється в результаті а-розпаду. Надлишок енергії материнського ядра звільняється у формі кінетичної енергії а-частинки і дочірнього ядра. Швидкості а-частинок, що вилітають при розпаді, коливаються в межах (1,4-2) 107 м/с. Це відповідає енергіям 4-9 МеВ.

Сучасна теорія ядерних взаємодій стверджує, що а-частинки утворюються в результаті зустрічі двох протонів і двох нейтронів, які рухаються усередині ядра.

Енергетичний спектр випромінюваних а-частинок складається з декількох близько розташованих моноенергетичних ліній. Це означає, що в межах кожної групи енергії частинок постійні. Дискретність спектра α-частинок ще раз доводить дискретність енергетичних рівнів атома.

Для α-розпаду виконується така закономірність: зі зменшенням періоду піврозпаду радіоактивного елемента збільшується пробіг і енергія а-частинок, що ним випромінюються.

Цей взаємозв'язок був встановлений емпірично і називається законом Гейє-ра-Неттола.

β-Розпад

У процесі β-розпаду з радіоактивного ядра самодовільно випромінюється електрон (електронний, або β--розпад) або позитрон (позитронний, або β+-розпад). Ці частинки виникають у ядрі безпосередньо в момент β-розпаду, а до цього їх у ядрі немає. Крім того, існує ще третій вид β-розпаду — захоплення ядром електрона з оболонки свого атома. Він називається е-захоплення.

У кожнім випадку β-розпаду відбувається випромінювання нейтрино (або антинейтрино). Правило зміщення для β-розпаду має вигляд:

β--розпад

β+-розпад

Як видно зі схеми, у випадку β- -розпаду заряд ядра збільшується на одиницю, у випадку β+-розпаду — зменшується. У процесі е-захоплення також спостерігається зниження заряду ядра на одиницю. Таким чином, ядро перетворюється на ізобар, тобто нейтрон перетворюється на протон або навпаки, при цьому загальне число протонів і нейтронів (масове число) ядра залишається незмінним.