| Parameternavn | Betyder |
| Artiklens emne: | ALFA FORBINDELSE |
| Rubrik (tematisk kategori) | Radio |
Forfaldstilstand. Alfa-henfald er karakteristisk for tunge kerner, hvori en vækst EN et fald i bindingsenergi pr. nukleon observeres. I denne region med massetal fører et fald i antallet af nukleoner i kernen til dannelsen af en tættere bundet kerne. Samtidig vil gevinsten i energi med et fald EN en er meget mindre end bindingsenergien af en nukleon i kernen; derfor er emissionen af en proton eller neutron, som har en bindingsenergi lig med nul uden for kernen, umulig. Emissionen af 4 Ne-kernen viser sig at være energetisk gunstig, da den specifikke bindingsenergi for en nukleon i en given kerne er omkring 7,1 MeV. Alfa-henfald er muligt, hvis den samlede bindingsenergi af produktkernen og alfa-partiklen er større end bindingsenergien af den oprindelige kerne. Eller i masseenheder:
M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + Ma (3.12)
En stigning i nukleonernes bindingsenergi betyder et fald i restens energi præcist med mængden af energi, der frigives under alfa-henfald E α. Af denne grund, hvis vi forestiller os alfa-partiklen som en helhed inden for produktkernen, så burde den indtage et niveau med positiv energi svarende til E α(Fig. 3.5).
Ris. 3.5. Diagram over energiniveauet for en alfapartikel i en tung kerne
Når en alfapartikel forlader kernen, frigives denne energi i fri form, som den kinetiske energi af henfaldsprodukterne: alfapartiklen og den nye kerne. Den kinetiske energi er fordelt mellem disse henfaldsprodukter i omvendt proportion til deres masser, og da massen af alfapartiklerne er meget mindre end massen af den nydannede kerne, bliver næsten al henfaldsenergien båret væk af alfapartiklen. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, med stor nøjagtighed E α er alfapartiklens kinetiske energi efter henfald.
Samtidig forhindres frigivelsen af energi af Coulomb potentialbarrieren U k(se figur 3.5), hvis sandsynlighed for passage af en alfapartikel er lille og falder meget hurtigt med aftagende E α. Af denne grund er relation (3.12) ikke en tilstrækkelig betingelse for alfa-henfald.
Højden af Coulomb-barrieren for en ladet partikel, der trænger ind i eller forlader kernen, stiger i forhold til dens ladning. Af denne grund udgør Coulomb-barrieren en endnu større hindring for flugt af andre tæt bundne lette kerner fra en tung kerne, som f.eks. 12 C eller 16 O. Den gennemsnitlige bindingsenergi for en nukleon i disse kerner er endnu højere end i kernen 4 Ikke, i forbindelse hermed i en række tilfælde emission af en kerne 16 O i stedet for sekventielt at udsende fire alfapartikler, ville det være energetisk mere gunstigt. I dette tilfælde er emissionen af kerner tungere end kernen 4 Ikke, ikke synlig.
Forklaring på sammenbruddet. Mekanismen for alfa-henfald forklares af kvantemekanikken, fordi inden for rammerne af klassisk fysik er denne proces umulig. Kun en partikel med bølgeegenskaber kan dukke op uden for den potentielle brønd, når E α . Desuden viser det sig, at kun en potentiel barriere af uendelig bredde, med en sandsynlighed lig med én, begrænser tilstedeværelsen af en partikel i den potentielle brønd. Hvis bredden af barrieren er begrænset, så er sandsynligheden for at bevæge sig ud over den potentielle barriere grundlæggende altid forskellig fra nul. Sandt nok falder denne sandsynlighed hurtigt med stigende bredde og højde af barrieren. Kvantemekanikkens apparat fører til følgende udtryk for barrierens gennemsigtighed eller sandsynlighed ω for en partikel at være uden for den potentielle barriere, når den kolliderer med dens væg:
(3.13)
Hvis vi forestiller os en alfapartikel inde i en sfærisk potentialbrønd med en radius R, bevæger sig med hastighed v α, så vil hyppigheden af påvirkninger på grubevæggene være v α/R, og så vil sandsynligheden for, at en alfapartikel forlader kernen pr. tidsenhed, eller henfaldskonstanten, være lig med produktet af antallet af forsøg pr. tidsenhed gange sandsynligheden for at passere barrieren i et sammenstød med væggen:
, (3.14)
hvor er en ubestemt koefficient, da bestemmelser blev accepteret, der var langt fra sandheden: alfapartiklerne bevæger sig ikke frit i kernen, og generelt er der ingen alfapartikler i sammensætningen af kerner. Det er dannet af fire nukleoner under alfa-henfald. Værdien har betydningen af sandsynligheden for dannelsen af en alfapartikel i kernen, hvis hyppighed af kollisioner med væggene i den potentielle brønd er lig med v α/R.
Sammenligning med erfaring. Baseret på afhængighed (3.14) kan mange fænomener observeret under alfa-henfald forklares. Halveringstiden for alfa-aktive kerner er længere, jo lavere energi er E α udsendes under henfaldet af alfapartikler. Desuden, hvis halveringstiden varierer fra brøkdele af et mikrosekund til mange milliarder af år, så er ændringsintervallet E α meget lille og cirka 4-9 MeV for kerner med massetal A>200. Regelmæssig afhængighed af halveringstid på E α blev opdaget for længe siden i forsøg med naturlige α-aktive radionuklider og beskrives ved forholdet:
(3.15)
hvor og er konstanter, der afviger lidt for forskellige radioaktive familier.
Dette udtryk kaldes almindeligvis Geiger-Nattall-loven og repræsenterer kraftlovens afhængighed af henfaldskonstanten λ fra E α med en meget høj rate. Sådan en stærk afhængighed λ fra E α følger direkte af mekanismen for alfapartikelpassage gennem en potentiel barriere. Gennemsigtighed af barrieren, og derfor henfaldskonstanten λ afhænge af områdeintegralet R1-Røges eksponentielt og hurtigt med væksten E α. Hvornår E α nærmer sig 9 MeV, er levetiden med hensyn til alfa-henfald små brøkdele af et sekund, ᴛ.ᴇ. Ved en alfapartikelenergi på 9 MeV forekommer alfa-henfald næsten øjeblikkeligt. Jeg spekulerer på, hvad meningen er E α stadig væsentligt mindre end højden af Coulomb-barrieren U k, hvilket for tunge kerner for en dobbeltladet punktpartikel er ca. 30 MeV. Barrieren for en alfapartikel med begrænset størrelse er noget lavere og bør estimeres til 20-25 MeV. Imidlertid er passagen af Coulomb potentialbarrieren af en alfapartikel meget effektiv, hvis dens energi ikke er lavere end en tredjedel af barrierehøjden.
Gennemsigtigheden af Coulomb-barrieren afhænger også af ladningen af kernen, fordi Højden af Coulomb-barrieren afhænger af denne ladning. Alfa-henfald observeres blandt kerner med massetal A>200 og i regionen A~150. Det er tydeligt, at Coulomb-barrieren kl A~150 sandsynligheden for alfa-henfald er mærkbart lavere for det samme E α meget større.
Selvom der teoretisk set er en mulighed for at trænge igennem barrieren ved enhver energi af en alfapartikel, er der begrænsninger i evnen til eksperimentelt at bestemme denne proces. Det er ikke muligt at bestemme alfa-henfaldet af kerner med en halveringstid på mere end 10 17 – 10 18 år. Tilsvarende minimumsværdi E α højere for tungere kerner og er 4 MeV for kerner med A>200 og ca. 2 MeV for kerner med A~150. Følgelig indikerer opfyldelsen af relation (3.12) ikke nødvendigvis kernens ustabilitet med hensyn til alfa-henfald. Det viser sig, at relationen (3.12) er gyldig for alle kerner med massetal større end 140, men i regionen A>140 indeholder omkring en tredjedel af alle naturligt forekommende stabile nuklider.
Grænser for stabilitet. Radioaktive familier. Grænserne for stabilitet af tunge kerner med hensyn til alfa-henfald kan forklares ved hjælp af kerneskalmodellen. Kerner, der kun har lukkede proton- eller neutronskaller, er særligt tæt bundet. Af denne grund falder bindingsenergien pr. nukleon for mellemstore og tunge kerner med stigende EN, dette fald bliver altid langsommere, når man nærmer sig EN til det magiske tal og accelererer efter at have passeret EN gennem det magiske antal af protoner eller neutroner. Som et resultat, energi E α viser sig at være væsentligt lavere end minimumsværdien, ved hvilken der observeres alfa-henfald for magiske kerner, eller kernens massetal er mindre end massetallet for den magiske kerne. Tværtimod energi E α stiger brat for kerner med massetal, der overstiger værdierne EN magiske kerner, og overstiger den minimale praktiske stabilitet med hensyn til alfa-henfald.
Inden for massetal A~150 alfa-aktive er nuklider, hvis kerner indeholder to eller flere neutroner mere end det magiske tal 82. Nogle af disse nuklider har halveringstider meget længere end Jordens geologiske alder og præsenteres derfor i deres naturlige form - nuklider 144 Nd , 147 Sm, 149 Sm, 152 Gd. Andre blev frembragt ved kernereaktioner. Sidstnævnte har mangel på neutroner sammenlignet med stabile nuklider med de tilsvarende massetal, og for disse nuklider konkurrerer β + henfald normalt med alfa-henfald. Den tungeste stabile nuklid er 209 Bi, hvis kerne indeholder et magisk antal neutroner på 126. Grundstoffet, der fører til bismuth, bly, har et magisk antal protoner på 82, og 208 Pb er en dobbelt magisk nuklid. Alle tungere kerner er radioaktive.
Da produktkernen som følge af alfa-henfald er beriget med neutroner, følger beta-henfald efter adskillige alfa-henfald. Sidstnævnte ændrer ikke antallet af nukleoner i kernen; derfor enhver kerne med massetal A>209 kan kun blive stabil efter et vist antal alfa-henfald. Da antallet af nukleoner under alfa-henfald falder med 4 enheder på én gang, er eksistensen af fire uafhængige henfaldskæder mulig, hver med sit eget slutprodukt. Tre af dem er til stede i naturen og kaldes naturlige radioaktive familier. Naturlige familier afslutter deres forfald med dannelsen af en af blyisotoperne, hvor slutproduktet af den fjerde familie er nuklidet 209 Bi(se tabel 3.1).
Eksistensen af naturlige radioaktive familier skyldes tre langlivede alfa-aktive nuklider - 232 Th, 235 U, 238 U, med halveringstider, der kan sammenlignes med Jordens geologiske alder (5,10 9 år). Den længstlevende repræsentant for den uddøde fjerde familie er nuklidet 237 Np– isotop af transuranelementet neptunium.
Tabel 3.1. Radioaktive familier
I dag er der ved at bombardere tunge kerner med neutroner og lette kerner opnået en masse nuklider, som er isotoper af transuran-elementer (Z>92). Alle er de ustabile og tilhører en af fire familier.
Sekvensen af henfald i naturlige familier er vist i fig. 3.6. I tilfælde, hvor sandsynligheden for alfa-henfald og beta-henfald er sammenlignelige, dannes gafler, der svarer til henfaldet af kerner med emission af enten alfa- eller beta-partikler. I dette tilfælde forbliver det endelige nedbrydningsprodukt uændret.
Ris. 3.6. Forfaldsmønstre i naturlige familier.
De angivne navne er tildelt radionuklider under den indledende undersøgelse af naturlige henfaldskæder.
ALPHA DECAY - koncept og typer. Klassificering og funktioner i kategorien "ALPHA DECAY" 2017, 2018.
1.3. Alfa-henfald, beta-henfald og gamma-emissioner af radioaktive kerner
Alfa-henfald er den spontane emission af alfapartikler, der repræsenterer kernerne i et heliumatom, fra en radioaktiv kerne. Forfaldet forløber efter skemaet
AmZ X → AmZ − − 42 Y + 2 4He. |
I I udtryk (1.13) betegner bogstavet X det kemiske symbol for den henfaldende (moder)kerne, og bogstavet Y betegner det kemiske symbol for den resulterende (datter)kerne. Som det kan ses af diagram (1.13), er datterkernens atomnummer to, og massetallet er fire enheder mindre end den oprindelige kernes.
Alfa-partiklen har en positiv ladning. Alfa-partikler karakteriserer to-
ved grundlæggende parametre: rejselængde (i luft op til 9 cm, i biologisk væv op til 10-3 cm) og kinetisk energi i området 2...9 MeV.
Alfa-henfald observeres kun i tunge kerner med Am>200 og ladningsnummer Z>82. Inde i sådanne kerner sker dannelsen af isolerede partikler af to protoner og to neutroner. Adskillelsen af denne gruppe af nukleoner lettes af mætning af nukleare kræfter, således at den dannede alfapartikel er underlagt mindre nukleare tiltrækningskræfter end individuelle nukleoner. Samtidig oplever alfapartiklen større Coulomb-frastødningskræfter fra kernens protoner end individuelle protoner. Dette forklarer emissionen af alfapartikler fra kernen og ikke individuelle nukleoner.
I I de fleste tilfælde udsender et radioaktivt stof flere grupper alfapartikler af lignende, men forskellige energier, dvs. grupper har et spektrum af energi. Dette skyldes det faktum, at en datterkerne kan opstå ikke kun i grundtilstanden, men også i ophidsede tilstande med forskellige energiniveauer.
Levetiden for exciterede tilstande for de fleste kerner ligger indenfor
anliggender fra 10 - 8 til 10 - 15 s. I løbet af denne tid passerer datterkernen ind i jorden eller den lavere exciterede tilstand og udsender et gammakvantum af den tilsvarende energi svarende til forskellen mellem energierne i de foregående og efterfølgende tilstande. En exciteret kerne kan også udsende enhver partikel: en proton, neutron, elektron eller alfapartikel. Det kan også overføre overskydende energi til en af elektronerne i det indre lag, der omgiver kernen. Overførslen af energi fra kernen til den nærmeste elektron i K-laget sker uden emission af et gammakvante. Elektronen, der modtager energi, flyver ud af atomet. Denne proces kaldes intern konvertering. Den resulterende ledige stilling er fyldt med elektroner fra højere energiniveauer. Elektroniske overgange i atomets indre lag fører til emission af røntgenstråler med et diskret energispektrum (karakteristiske røntgenstråler). I alt kendes omkring 25 naturlige og omkring 100 kunstige alfa-radioaktive isotoper.
Beta-henfald kombinerer tre typer nukleare transformationer: elektronisk (β−)
og positron (β+) henfalder, samt elektronindfangning eller K-indfangning. De to første typer af transformationer består i, at kernen udsender en elektron og en antineutrino (under β− henfald) eller en positron og neutrino (under β+ henfald). Elek-
tron (positron) og antineutrino (neutrino) findes ikke i atomkerner. Disse processer sker ved at omdanne en type nukleon i kernen til en anden - en neutron til en proton eller en proton til en neutron. Resultatet af disse transformationer er β-henfald, hvis skemaer har formen:
Am Z X→ Z Am + 1 Y+ − 1 e0 + 0 ~ ν0 (β− – henfald), |
|
Am Z X→ Am Z − 1 Y+ + 1 e0 + 0 ν0 (β+ – henfald), |
hvor − 1 e0 og + 1 e0 er betegnelsen for elektron og positron,
0 ν0 og 0 ~ ν0 – betegnelse for neutrinoer og antineutrinoer.
Ved negativt beta-henfald stiger ladningstallet for radionuklidet med én, og ved positivt beta-henfald falder det med én.
Elektronisk henfald (β − henfald) kan opleves af både naturlige og kunstige radionuklider. Det er denne form for henfald, der er karakteristisk for det overvældende antal af miljømæssigt mest farlige radionuklider, der frigives til miljøet som følge af Tjernobyl-ulykken. Blandt dem
134 55 Cs, 137 55 Cs, 90 38 Sr, 131 53 I osv.
Positron-henfald (β + – henfald) er karakteristisk primært for kunstige radionuklider.
Da der under beta-henfald udsendes to partikler fra kernen, og fordelingen
mellem dem opstår den samlede energi statistisk, så er energispektret af elektroner (positroner) kontinuerligt fra nul til maksimumværdien Emax kaldet den øvre grænse for betaspektret. For beta-radioaktive kerner ligger Emax-værdien i energiområdet fra 15 keV til 15 MeV. Vejlængden af en beta-partikel i luft er op til 20 m, og i biologisk væv op til 1,5 cm.
Beta-henfald er normalt ledsaget af emission af gammastråler. Årsagen til deres forekomst er den samme som i tilfælde af alfa-henfald: datterkernen vises ikke kun i jorden (stabil) tilstand, men også i en ophidset tilstand. Når kernen derefter går ind i en tilstand med lavere energi, udsender en gamma-foton.
Under elektronindfangning omdannes en af kernens protoner til en neutron:
1 p 1+ − 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .
Med denne transformation forsvinder en af elektronerne tættest på kernen (elektronen i atomets K-lag). En proton, der bliver til en neutron, "fanger" en elektron. Det er her begrebet "elektronisk indfangning" kommer fra. Feature
Denne type β-henfald er emissionen af en partikel fra kernen - en neutrino. Det elektroniske indfangningskredsløb ser ud
Am Z X+ − 1 e0 → Am Z − 1 Y+ 0 ν 0 . (1,16)
Elektronisk indfangning er i modsætning til β±-henfald altid ledsaget af karakter-
bakteriel røntgenstråling. Sidstnævnte opstår, når en elektron længere væk fra kernen bevæger sig til et fremvoksende ledigt sted i
K-lag. Bølgelængden af røntgenstråler ligger i området fra 10 − 7 til 10 − 11 m. Under beta-henfald bevares kernens massenummer, og dens
afgiften ændres med én. Halveringstider for beta-radioaktive kerner
ligge i et bredt tidsinterval fra 10 − 2 s til 2 1015 år.
Til dato kendes omkring 900 beta-radioaktive isotoper. Af disse er kun omkring 20 naturlige, resten opnås kunstigt. Langt de fleste af disse isotoper oplever
β− -henfald, dvs. med udsendelse af elektroner.
Alle former for radioaktivt henfald er ledsaget af gammastråling. Gammastråler er kortbølget elektromagnetisk stråling, som ikke er en selvstændig type radioaktivitet. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at gammastråler udsendes af en datterkerne under nukleare overgange fra exciterede energitilstande til jorden eller mindre exciterede tilstande. Energien af gammastråler er lig med forskellen mellem energierne af de indledende og endelige energiniveauer i kernen. Bølgelængden af gammastråler overstiger ikke 0,2 nanometer.
Processen med gammastråling er ikke en uafhængig type radioaktivitet, da den forekommer uden at ændre Z og Am i kernen.
Kontrolspørgsmål:
1. Hvad menes med masse- og ladningstal i Mendeleevs periodiske system?
2. Begrebet "isotoper" og "isobarer". Hvad er forskellen mellem disse udtryk?
3. Kernens kernekræfter og deres vigtigste egenskaber.
4. Hvorfor er massen af en kerne mindre end summen af masserne af dens konstituerende nuklider?
5. Hvilke stoffer kaldes radioaktive?
6. Hvad kendetegner og viser den radioaktive henfaldskonstant?
7. Definer et stofs halveringstid.
8. Angiv måleenhederne for volumetrisk, overflade og specifik aktivitet.
9. De vigtigste typer af stråling fra radioaktive kerner og deres parametre.
Foredrag: Radioaktivitet. Alfa henfald. Beta-forfald. Elektronisk β-henfald. Positron β-henfald. Gammastråling
Radioaktivitet
Radioaktivitet blev opdaget fuldstændig ved et uheld som et resultat af eksperimenter udført af A. Becquerel i 1896. Den nylige opdagelse af røntgenstråler førte til, at forskere ønskede at finde ud af, om de blev produceret som følge af, at visse grundstoffer blev oplyst af sollys. Til sit eksperiment valgte Becquerel et uransalt.
Saltet blev lagt på en fotografisk plade og pakket ind i sort papir for at sikre kvaliteten af eksperimentet. Som følge af, at saltet lå i flere timer i direkte sollys, indeholdt den fremkaldte fotografiske plade et fotografi, der helt svarede til saltkrystallernes omrids. Denne oplevelse gjorde det muligt for Becquerel at tale på en konference, hvor han talte om nye manifestationer af røntgenstråler. Om et par uger forventedes han at annoncere nye resultater fra lignende undersøgelser.
Vejret forhindrede dog videnskabsmanden. Da det hele tiden var overskyet, lå saltet pakket sammen med fotopladen i sort papir i skrivebordsskuffen. I desperation udviklede videnskabsmanden en fotografisk plade, som et resultat af hvilken han bemærkede, at saltet efterlod sit mærke selv uden sollys.
Det viste sig, at uran udsender en eller anden form for stråler, som også er i stand til at trænge igennem papir og efterlade et mærke på pladen.
Dette fænomen kaldes radioaktivitet.
Det viste sig senere, at ikke kun uran er radioaktivt. Curie-familien opdagede lignende egenskaber i thorium, polonium og radium.
Typer af radioaktiv stråling
I løbet af adskillige eksperimenter, hvor uran blev placeret i et magnetfelt, blev det fundet, at ethvert radioaktivt grundstof har tre hovedtyper af stråling - alfa, beta og gamma.
Som et resultat af at placere et radioaktivt grundstof i en blyplade udsat for et magnetfelt, blev der observeret tre pletter på skærmen, placeret i nogen afstand fra hinanden.
1. Alfa-stråler (alfapartikler) er en positiv partikel, der har 4 nukleoner og to positive ladninger. Denne stråling er den svageste. Du kan ændre bevægelsesretningen for en alfapartikel selv med et stykke papir.
Ligning og eksempler på sådan henfald:
2 . Betastråling eller beta partikel . Denne stråling opstår som et resultat af at slå en negativ eller positiv elektron (positron) ud.
3. Gammastråling er stråling, der producerer en elektromagnetisk bølge svarende til røntgenstråler.