| Parameetri nimi | Tähendus |
| Artikli teema: | ALFA LAGUNEMINE |
| Rubriik (temaatiline kategooria) | Raadio |
Lagunemise seisund. Alfa lagunemine on iseloomulik rasketele tuumadele, milles kasvab A täheldatakse sidumisenergia vähenemist nukleoni kohta. Selles massiarvude piirkonnas viib nukleonide arvu vähenemine tuumas tihedamalt seotud tuuma moodustumiseni. Samal ajal väheneb energia juurdekasv Aüks on palju väiksem kui ühe tuumas oleva nukleoni sidumisenergia; seetõttu on prootoni või neutroni emissioon, mille sidumisenergia on nulliga võrdne väljaspool tuuma, on võimatu. 4 Ne tuuma emissioon osutub energeetiliselt soodsaks, kuna nukleoni spetsiifiline sidumisenergia antud tuumas on umbes 7,1 MeV. Alfa lagunemine on võimalik, kui produkti tuuma ja alfaosakese kogu sidumisenergia on suurem kui algtuuma sidumisenergia. Või massiühikutes:
M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + M a (3.12)
Nukleonide sidumisenergia suurenemine tähendab puhkeenergia vähenemist just alfalagunemisel vabaneva energia hulga võrra E α. Sel põhjusel, kui kujutame alfaosakest kui tervikut toote tuumas, peaks see hõivama positiivse energia taseme, mis on võrdne E α(joonis 3.5).
Riis. 3.5. Alfaosakese energiataseme diagramm raskes tuumas
Kui alfaosake tuumast lahkub, vabaneb see energia vabas vormis lagunemissaaduste: alfaosakese ja uue tuuma kineetilise energiana. Kineetiline energia jaotub nende lagunemissaaduste vahel pöördvõrdeliselt nende massiga ja kuna alfaosakese mass on palju väiksem kui äsja moodustunud tuuma mass, kannab alfaosake peaaegu kogu lagunemisenergia ära. . Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, suure täpsusega E α on alfaosakese kineetiline energia pärast lagunemist.
Samal ajal takistab energia vabanemist Coulombi potentsiaalbarjäär Uk(vt joonis 3.5), mille alfaosakese läbimise tõenäosus on väike ja langeb vähenedes väga kiiresti E α. Sel põhjusel ei ole seos (3.12) alfa-lagunemise piisav tingimus.
Tuuma tungiva või sellest väljuva laetud osakese Coulombi barjääri kõrgus suureneb võrdeliselt selle laenguga. Sel põhjusel kujutab Coulombi barjäär veelgi suuremat takistust teiste tihedalt seotud kergete tuumade põgenemisel raskest tuumast, nagu näiteks 12 C või 16 O. Nukleoni keskmine sidumisenergia nendes tuumades on isegi suurem kui tuumas 4 Mitte, seoses sellega mitmel juhul tuuma emissioon 16 O nelja alfaosakese järjestikuse väljastamise asemel oleks see energeetiliselt soodsam. Sel juhul tuumast raskemate tuumade emissioon 4 Mitte, pole näha.
Kokkuvarisemise seletus. Alfa lagunemise mehhanismi selgitab kvantmehaanika, kuna klassikalise füüsika raames on see protsess võimatu. Potentsiaalist väljapoole saab ilmuda ainult laineomadustega osake, kui E α . Veelgi enam, selgub, et ainult lõpmatu laiusega potentsiaalbarjäär, mille tõenäosus on võrdne ühega, piirab osakese olemasolu potentsiaaliaugus. Kui tõkke laius on piiratud, siis tõenäosus potentsiaalbarjäärist kaugemale liikuda on põhimõtteliselt alati nullist erinev. Tõsi, see tõenäosus väheneb tõkke laiuse ja kõrguse kasvades kiiresti. Kvantmehaanika aparaat annab barjääri läbipaistvuse või tõenäosuse järgmise avaldise ω et osake oleks selle seinaga kokkupõrkel väljaspool potentsiaalset barjääri:
(3.13)
Kui kujutame ette alfaosakest raadiusega sfäärilise potentsiaalikaevu sees R, liigub kiirusega v α, siis on löökide sagedus kaevu seintele v α/R, ja siis tõenäosus, et alfaosake lahkub tuumast ajaühikus ehk lagunemiskonstant, võrdub katsete arvu ajaühikus korrutisega tõkkest möödumise tõenäosusega ühes kokkupõrkes seinaga:
, (3.14)
kus on mingi määramatu koefitsient, kuna aktsepteeriti sätteid, mis olid tõest kaugel: alfaosake ei liigu tuumas vabalt ja üldiselt pole tuumade koostises alfaosakesi. See moodustub alfa lagunemise käigus neljast nukleonist. Väärtus tähistab alfaosakese moodustumise tõenäosust tuumas, mille kokkupõrgete sagedus potentsiaalikaevu seintega on võrdne v α/R.
Võrdlus kogemusega. Sõltuvusele (3.14) tuginedes saab seletada paljusid alfalagunemise ajal täheldatud nähtusi. Alfa-aktiivsete tuumade poolestusaeg on pikem, seda väiksem on energia E α eraldub alfaosakeste lagunemisel. Veelgi enam, kui poolestusajad varieeruvad mikrosekundi murdosadest paljude miljardite aastateni, siis muutuste vahemik E α väga väike ja ligikaudu 4-9 MeV massiarvuga tuumade puhul A>200. Poolväärtusaja regulaarne sõltuvus E α avastati juba ammu looduslike α-aktiivsete radionukliididega tehtud katsetes ja seda kirjeldab seos:
(3.15)
kus ja on konstandid, mis erinevad veidi erinevate radioaktiivsete perekondade puhul.
Seda avaldist nimetatakse tavaliselt Geigeri-Nattalli seaduseks ja see esindab lagunemiskonstandi sõltuvust võimuseadusest λ alates E α väga kõrge määraga. Selline tugev sõltuvus λ alates E α tuleneb otseselt alfaosakeste potentsiaalse barjääri läbimise mehhanismist. Barjääri läbipaistvus ja seega ka lagunemiskonstant λ oleneb pindala integraalist R1-R kasvab koos kasvuga eksponentsiaalselt ja kiiresti E α. Millal E α läheneb 9 MeV, eluiga alfa-lagunemise suhtes on sekundi murdosa, ᴛ.ᴇ. Alfaosakeste energial 9 MeV toimub alfa lagunemine peaaegu kohe. Huvitav, mis on selle tähendus E α siiski oluliselt vähem kui Coulombi barjääri kõrgus Uk, mis raskete tuumade puhul on topeltlaenguga punktosakeste puhul ligikaudu 30 MeV. Piiratud suurusega alfaosakeste barjäär on mõnevõrra madalam ja see peaks olema hinnanguliselt 20–25 MeV. Coulombi potentsiaalbarjääri läbimine alfaosakese poolt on aga väga tõhus, kui selle energia ei ole väiksem kui kolmandik barjääri kõrgusest.
Coulombi barjääri läbipaistvus sõltub ka tuuma laengust, sest Sellest laengust sõltub Coulombi barjääri kõrgus. Alfa lagunemist täheldatakse massiarvuga tuumades A>200 ja piirkonnas A ~ 150. On selge, et Coulombi barjäär kl A ~ 150 alfalagunemise tõenäosus on sama puhul märgatavalt väiksem E α palju suurem.
Kuigi teoreetiliselt on alfaosakese mis tahes energia korral võimalik barjäärist läbi tungida, on selle protsessi eksperimentaalsel määramisel piirangud. Tuumade alfalagunemist, mille poolestusaeg on pikem kui 10 17 – 10 18 aastat, ei ole võimalik määrata. Vastav miinimumväärtus E α suurem raskemate tuumade puhul ja on 4 MeV tuumade puhul, millel on A>200 ja umbes 2 MeV tuumade puhul A ~ 150. Järelikult ei viita seose (3.12) täitumine tingimata tuuma ebastabiilsusele alfalagunemise suhtes. Selgub, et seos (3.12) kehtib kõigi tuumade puhul, mille massiarv on suurem kui 140, kuid piirkonnas A>140 sisaldab umbes kolmandikku kõigist looduslikult esinevatest stabiilsetest nukliididest.
Stabiilsuse piirid. Radioaktiivsed perekonnad. Raskete tuumade stabiilsuse piire alfa lagunemise suhtes saab selgitada tuumakesta mudeli abil. Eriti tihedalt on seotud tuumad, millel on ainult suletud prooton- või neutronkestad. Sel põhjusel, kuigi keskmiste ja raskete tuumade sidumisenergia nukleoni kohta väheneb suurenedes A, lähenedes see langus alati aeglustub A maagilise numbrini ja kiirendab pärast möödumist A maagilise prootonite või neutronite arvu kaudu. Selle tulemusena energia E α osutub oluliselt madalamaks minimaalsest väärtusest, mille juures maagiliste tuumade puhul täheldatakse alfalagunemist, või on tuuma massiarv väiksem kui maagilise tuuma massiarv. Vastupidi, energia E α suureneb järsult tuumade puhul, mille massiarv ületab väärtusi A maagilisi tuumasid ja ületab alfalagunemise osas minimaalse praktilise stabiilsuse.
Massiarvude vallas A ~ 150 alfa-aktiivsed on nukliidid, mille tuumad sisaldavad kaht või enamat neutronit rohkem kui maagiline arv 82. Mõnede nende nukliidide poolestusajad on palju pikemad kui Maa geoloogiline vanus ja seetõttu esinevad nad loomulikul kujul - nukliidid 144 Nd. , 147 Sm, 149 Sm, 152 Gd. Teised tekkisid tuumareaktsioonide käigus. Viimastel on neutronite puudus võrreldes vastava massiarvuga stabiilsete nukliididega ja nende nukliidide puhul konkureerib β + lagunemine tavaliselt alfa-lagunemisega. Raskeim stabiilne nukliid on 209 Bi, mille tuum sisaldab maagilist neutronite arvu 126. Vismutile viival elemendil pliil on maagiline prootonite arv 82 ja 208 Pb on kahekordselt maagiline nukliid. Kõik raskemad tuumad on radioaktiivsed.
Kuna produkti tuum rikastub alfa-lagunemise tulemusena neutronitega, järgneb mitmele alfa-lagunemisele beeta-lagunemine. Viimane ei muuda nukleonide arvu tuumas, seega iga massiarvuga tuum A>209 võib muutuda stabiilseks alles pärast teatud arvu alfalagunemisi. Kuna nukleonite arv alfa lagunemise ajal väheneb korraga 4 ühiku võrra, on võimalik nelja sõltumatu lagunemisahela olemasolu, millest igaühel on oma lõppprodukt. Kolm neist esinevad looduses ja neid nimetatakse looduslikeks radioaktiivseteks perekondadeks. Looduslikud perekonnad lõpetavad oma lagunemise plii ühe isotoobi moodustumisega, neljanda perekonna lõppsaaduseks on nukliid 209 Bi(vt tabel 3.1).
Looduslike radioaktiivsete perekondade olemasolu on tingitud kolmest pikaealisest alfa-aktiivsest nukliidist - 232 Th, 235 U, 238 U, mille poolestusaeg on võrreldav Maa geoloogilise vanusega (5,10 9 aastat). Väljasurnud neljanda perekonna pikima elueaga esindaja on nukliid 237 Np– transuraani elemendi neptuuniumi isotoop.
Tabel 3.1. Radioaktiivsed perekonnad
Tänapäeval on raskete tuumade neutronite ja kergete tuumadega pommitades saadud palju nukliide, mis on transuraani elementide (Z>92) isotoobid. Kõik nad on ebastabiilsed ja kuuluvad ühte neljast perekonnast.
Looduslike perekondade lagunemise järjestus on näidatud joonisel fig. 3.6. Juhtudel, kui alfa- ja beeta-lagunemise tõenäosused on võrreldavad, moodustuvad kahvlid, mis vastavad tuumade lagunemisele kas alfa- või beeta-osakeste emissiooniga. Sel juhul jääb lõplik lagunemissaadus muutumatuks.
Riis. 3.6. Lagunemismustrid looduslikes perekondades.
Antud nimetused on määratud radionukliididele looduslike lagunemisahelate esmasel uurimisel.
ALPHA DECAY – mõiste ja tüübid. Kategooria "ALPHA DECAY" klassifikatsioon ja omadused 2017, 2018.
1.3. Radioaktiivsete tuumade alfa-, beeta-lagunemine ja gamma-emissioon
Alfa lagunemine on heeliumi aatomi tuuma esindavate alfaosakeste spontaanne emissioon radioaktiivse tuuma poolt. Lagunemine toimub vastavalt skeemile
AmZ X → AmZ − − 42 Y + 2 4He . |
IN Avaldises (1.13) tähistab täht X laguneva (ema)tuuma keemilist sümbolit, täht Y aga tekkinud (tütar)tuuma keemilist sümbolit. Nagu diagrammil (1.13) näha, on tütartuuma aatomnumber kaks ja massiarv neli ühikut väiksem algtuuma omast.
Alfaosakesel on positiivne laeng. Alfaosakesed iseloomustavad kahte
põhiparameetrite järgi: käigupikkus (õhus kuni 9 cm, bioloogilises koes kuni 10-3 cm) ja kineetiline energia vahemikus 2...9 MeV.
Alfa lagunemist täheldatakse ainult rasketes tuumades, mille Am>200 ja laengu arv Z>82. Selliste tuumade sees tekivad kahe prootoni ja kahe neutroni isoleeritud osakesed. Selle nukleonide rühma eraldumist soodustab tuumajõudude küllastumine, nii et moodustunud alfaosakesele mõjuvad vähem tuumatõmbejõud kui üksikutele nukleonidele. Samal ajal kogevad alfaosakesed tuuma prootonitelt suuremat Coulombi tõukejõudu kui üksikud prootonid. See seletab alfaosakeste, mitte üksikute nukleonide eraldumist tuumast.
IN Enamasti kiirgab radioaktiivne aine mitut rühma sarnase, kuid erineva energiaga alfaosakesed, st. rühmadel on teatud energiaspekter. See on tingitud asjaolust, et tütartuum võib tekkida mitte ainult põhiolekus, vaid ka erineva energiatasemega ergastatud olekus.
Enamiku tuumade ergastatud olekute eluiga on sees
asjaajamised 10 - 8 kuni 10 - 15 s. Selle aja jooksul läheb tütartuum maapealsesse või madalamasse ergastatud olekusse, kiirgades vastava energia gammakvanti, mis on võrdne eelneva ja järgnevate olekute energiate vahega. Ergastatud tuum võib samuti emiteerida mis tahes osakest: prootonit, neutronit, elektroni või alfaosakest. Samuti võib see üle kanda üleliigse energia ühele tuuma ümbritseva sisemise kihi elektronidest. Energia ülekanne tuumast K-kihi lähimale elektronile toimub ilma gammakvanti emissioonita. Energiat vastu võtnud elektron lendab aatomist välja. Seda protsessi nimetatakse sisemiseks teisendamiseks. Saadud vaba positsioon täidetakse kõrgemate energiatasemete elektronidega. Elektroonilised üleminekud aatomi sisekihtides toovad kaasa diskreetse energiaspektriga röntgenikiirguse (iseloomulikud röntgenikiirgused). Kokku on teada umbes 25 looduslikku ja umbes 100 tehislikku alfa-radioaktiivset isotoopi.
Beeta-lagunemine ühendab kolme tüüpi tuumatransformatsioone: elektrooniline (β−)
ja positroni (β+ ) lagunemine, samuti elektronide püüdmine või K-püüdmine. Kaks esimest tüüpi muundumisi seisnevad selles, et tuum kiirgab elektroni ja antineutriino (β-lagunemise ajal) või positroni ja neutriino (β+ lagunemise ajal). Elek-
troni (positron) ja antineutriinot (neutriinot) aatomituumades ei eksisteeri. Need protsessid toimuvad tuumas olevate ühte tüüpi nukleoni muundamisel teiseks – neutron prootoniks või prooton neutroniks. Nende teisenduste tulemuseks on β-lagunemised, mille skeemid on kujul:
Am Z X → Z Am + 1 Y+ − 1 e0 + 0 ~ ν0 (β− – lagunemine), |
|
Am Z X → Am Z − 1 Y+ + 1 e0 + 0 ν0 (β+ – lagunemine), |
kus −1 e0 ja + 1 e0 on elektroni ja positroni tähis,
0 ν0 ja 0 ~ ν0 – neutriinode ja antineutriinode tähistus.
Negatiivse beeta-lagunemise korral suureneb radionukliidi laengu arv ühe ja positiivse beeta-lagunemise korral ühe võrra.
Elektroonilist lagunemist (β-lagunemist) võivad kogeda nii looduslikud kui ka tehislikud radionukliidid. Just seda tüüpi lagunemine on iseloomulik Tšernobõli avarii tagajärjel keskkonda sattunud suurele hulgale keskkonnale kõige ohtlikumatele radionukliididele. Nende hulgas
134 55 Cs, 137 55 Cs, 90 38 Sr, 131 53 I jne.
Positroni lagunemine (β + – lagunemine) on iseloomulik peamiselt tehisradionukliididele.
Kuna beeta-lagunemise ajal eraldub tuumast kaks osakest ja jaotus
nende vahel tekib koguenergia statistiliselt, siis on elektronide (positronite) energiaspekter pidev nullist kuni maksimumväärtuseni Emax, mida nimetatakse beetaspektri ülemiseks piiriks. Beeta-radioaktiivsete tuumade puhul on Emax väärtus energiapiirkonnas 15 keV kuni 15 MeV. Beetaosakese teepikkus õhus on kuni 20 m, bioloogilises koes kuni 1,5 cm.
Beeta-lagunemisega kaasneb tavaliselt gammakiirguse emissioon. Nende esinemise põhjus on sama, mis alfalagunemise puhul: tütartuum ei ilmu mitte ainult maapealses (stabiilses) olekus, vaid ka ergastatud olekus. Seejärel, jõudes madalama energiaga olekusse, kiirgab tuum gamma-fotoni.
Elektronide püüdmise ajal muudetakse üks tuuma prootonitest neutroniks:
1 p 1+ − 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0.
Selle teisendusega kaob üks tuumale kõige lähemal asuvatest elektronidest (aatomi K-kihi elektron). Prooton, muutudes neutroniks, "püüdab" elektroni. Siit pärineb mõiste "elektrooniline püüdmine". Tunnusjoon
Seda tüüpi β-lagunemine on ühe osakese - neutriino - emissioon tuumast. Elektrooniline püüdmisahel näeb välja selline
Am Z X+ − 1 e0 → Am Z − 1 Y+ 0 ν 0 . (1.16)
Vastupidiselt β±-lagunemisele kaasneb elektroonilise pildistamisega alati märk
bakteriaalne röntgenkiirgus. Viimane tekib siis, kui tuumast kaugemal asuv elektron liigub tekkivasse vabasse kohta.
K-kiht. Röntgenikiirguse lainepikkus jääb vahemikku 10 − 7 kuni 10 − 11 m. Seega beeta-lagunemise ajal säilib tuuma massiarv ja selle
tasu muutub ühe võrra. Beeta-radioaktiivsete tuumade poolestusajad
jäävad laias ajavahemikus 10–2 sekundist kuni 21015 aastani.
Praeguseks on teada umbes 900 beeta-radioaktiivset isotoopi. Neist ainult umbes 20 on looduslikud, ülejäänud saadakse kunstlikult. Valdav enamik neist isotoopidest kogevad
β− -lagunemine, s.o. elektronide emissiooniga.
Igat tüüpi radioaktiivse lagunemisega kaasneb gammakiirgus. Gammakiired on lühilaineline elektromagnetkiirgus, mis ei ole iseseisev radioaktiivsuse liik. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et gammakiirgust kiirgab tütartuum tuuma üleminekul ergastatud energiaseisunditest põhi- või vähemergastatud olekusse. Gammakiirte energia võrdub tuuma alg- ja lõppenergiataseme energiate vahega. Gammakiirte lainepikkus ei ületa 0,2 nanomeetrit.
Gammakiirguse protsess ei ole iseseisev radioaktiivsuse liik, kuna see toimub ilma tuuma Z ja Am muutmata.
Kontrollküsimused:
1. Mida mõeldakse Mendelejevi perioodilisuse tabelis massi- ja laenguarvude all?
2. Mõisted "isotoobid" ja "isobaarid". Mis vahe on nendel terminitel?
3. Tuuma tuumajõud ja nende olulisemad tunnused.
4. Miks on tuuma mass väiksem kui seda moodustavate nukliidide masside summa?
5. Milliseid aineid nimetatakse radioaktiivseteks?
6. Mis iseloomustab ja näitab radioaktiivse lagunemise konstanti?
7. Määratlege aine poolestusaeg.
8. Loetlege mahu-, pinna- ja eriaktiivsuse mõõtühikud.
9. Radioaktiivsete tuumade põhilised kiirgusliigid ja nende parameetrid.
Loeng: Radioaktiivsus. Alfa lagunemine. Beeta lagunemine. Elektrooniline β-lagunemine. Positroni β-lagunemine. Gamma kiirgus
Radioaktiivsus
Radioaktiivsus avastati täiesti juhuslikult A. Becquereli 1896. aastal läbiviidud katsete tulemusena. Hiljutine röntgenkiirte avastamine pani teadlastel soovi välja selgitada, kas need tekkisid teatud elementide päikesevalguse valgustamise tagajärjel. Becquerel valis oma katse jaoks uraanisoola.
Sool asetati fotoplaadile ja pakiti musta paberisse, et tagada katse kvaliteet. Kuna sool lebas mitu tundi otsese päikesevalguse käes, oli välja töötatud fotoplaadil foto, mis vastas täielikult soolakristallide piirjoontele. See kogemus võimaldas Becquerel esineda konverentsil, kus ta rääkis röntgenikiirguse uutest ilmingutest. Mõne nädala pärast pidi ta teatama sarnaste uuringute uutest tulemustest.
Ilm aga takistas teadlast. Kuna kogu aeg oli pilvine, lebas sool koos fototaldrikuga musta paberi sisse mähituna lauasahtlis. Meeleheites töötas teadlane välja fotoplaadi, mille tulemusena märkas, et sool jättis jälje ka ilma päikesevalguseta.
Selgus, et uraan eraldab mingisuguseid kiiri, mis on samuti võimelised paberist läbi tungima ja plaadile jälje jätma.
Seda nähtust nimetatakse radioaktiivsuseks.
Hiljem selgus, et mitte ainult uraan pole radioaktiivne. Curie perekond avastas sarnased omadused tooriumil, polooniumil ja raadiumil.
Radioaktiivse kiirguse tüübid
Arvukate eksperimentide käigus, mille käigus pandi uraan magnetvälja, leiti, et igal radioaktiivsel elemendil on kolm peamist kiirgustüüpi – alfa, beeta ja gamma.
Radioaktiivse elemendi asetamise tulemusena magnetväljaga kokkupuutunud pliiplaadile täheldati ekraanil kolme üksteisest teatud kaugusel asuvat täppi.
1. Alfakiired (alfaosakesed) on positiivne osake, millel on 4 nukleoni ja kaks positiivset laengut. See kiirgus on kõige nõrgem. Alfaosakese liikumissuunda saab muuta isegi paberitükiga.
Sellise lagunemise võrrand ja näited:
2 . Beeta kiirgus või beetaosakest . See kiirgus tekib ühe negatiivse või positiivse elektroni (positroni) väljalöömise tulemusena.
3. Gamma kiirgus on kiirgus, mis tekitab röntgenikiirgusele sarnase elektromagnetlaine.