(3.13)

Yarıçaplı küresel bir potansiyel kuyusunun içinde bir alfa parçacığı hayal edersek R, hızla hareket ediyor v α, o zaman çukur duvarları üzerindeki darbelerin sıklığı v α/R ve daha sonra bir alfa parçacığının birim zamanda çekirdekten ayrılma olasılığı veya bozunum sabiti, birim zaman başına yapılan deneme sayısı çarpı duvarla bir çarpışmada bariyeri geçme olasılığının çarpımına eşit olacaktır:

, (3.14)

gerçeklerden uzak hükümler kabul edildiği için bazı belirsiz katsayılar var: alfa parçacığı çekirdekte serbestçe hareket etmiyor ve genel olarak çekirdeklerin bileşiminde alfa parçacığı yok. Alfa bozunması sırasında dört nükleondan oluşur. Değer, çekirdekte bir alfa parçacığının oluşma olasılığının anlamına gelir; bu, potansiyel kuyunun duvarlarıyla çarpışma sıklığı eşittir. v α/R.

Deneyimle karşılaştırma. Bağımlılığa (3.14) dayanarak, alfa bozunması sırasında gözlemlenen birçok olay açıklanabilir. Alfa aktif çekirdeklerin yarı ömrü daha uzundur, enerji ne kadar düşük olursa E α Alfa parçacıklarının bozunması sırasında yayılır. Üstelik yarı ömürler bir mikrosaniyenin kesirlerinden milyarlarca yıla kadar değişiyorsa, bu durumda değişimin aralığı E α kütle numaralı çekirdekler için çok küçük ve yaklaşık 4-9 MeV A>200. Yarı ömrün düzenli bağımlılığı E α uzun zaman önce doğal α-aktif radyonüklitlerle yapılan deneylerde keşfedilmiştir ve aşağıdaki ilişkiyle tanımlanmaktadır:

(3.15)

nerede ve farklı radyoaktif aileler için biraz farklılık gösteren sabitlerdir.

Bu ifadeye genel olarak Geiger-Nattall yasası denir ve bozunma sabitinin güç yasasına bağımlılığını temsil eder. λ itibaren E αçok yüksek bir oranla. Böyle güçlü bir bağımlılık λ itibaren E α alfa parçacığının potansiyel bir bariyerden geçiş mekanizmasından doğrudan kaynaklanır. Bariyerin şeffaflığı ve dolayısıyla bozulma sabiti λ alan integraline bağlıdır R1-R büyümeyle birlikte katlanarak ve hızla artar E α. Ne zaman E α 9 MeV'ye yaklaştığında alfa bozunumuna göre ömür saniyenin küçük kesirleridir, ᴛ.ᴇ. 9 MeV'lik bir alfa parçacığı enerjisinde, alfa bozunması neredeyse anında meydana gelir. anlamını merak ediyorum E α hala Coulomb bariyerinin yüksekliğinden önemli ölçüde daha az İngiltereçift ​​yüklü nokta parçacık için ağır çekirdekler için bu değer yaklaşık 30 MeV'dir. Sonlu boyutlu bir alfa parçacığının bariyeri biraz daha düşüktür ve 20-25 MeV olarak tahmin edilmelidir. Bununla birlikte, Coulomb potansiyel bariyerinin bir alfa parçacığı tarafından geçişi, eğer enerjisi bariyer yüksekliğinin üçte birinden düşük değilse çok verimlidir.

Coulomb bariyerinin şeffaflığı aynı zamanda çekirdeğin yüküne de bağlıdır çünkü Coulomb bariyerinin yüksekliği bu yüke bağlıdır. Kütle numaralı çekirdekler arasında alfa bozunması gözleniyor A>200 ve bölgede A~150. Coulomb bariyerinin olduğu açıktır. A~150 aynı durum için alfa bozunması olasılığı gözle görülür biçimde daha düşüktür E αçok daha fazlası.

Teorik olarak bir alfa parçacığının herhangi bir enerjisinde bariyeri aşma olasılığı olmasına rağmen, bu süreci deneysel olarak belirleme yeteneğinde sınırlamalar vardır. Yarılanma ömrü 10 17 – 10 18 yıldan fazla olan çekirdeklerin alfa bozunumunu belirlemek mümkün değildir. Karşılık gelen minimum değer E α daha ağır çekirdekler için daha yüksektir ve çekirdekler için 4 MeV'dir. A>200 ve çekirdekler için yaklaşık 2 MeV A~150. Sonuç olarak, (3.12) ilişkisinin gerçekleşmesi, çekirdeğin alfa bozunumuna göre kararsızlığını göstermez. (3.12) bağıntısının kütle numarası 140'tan büyük olan tüm çekirdekler için geçerli olduğu ancak bu bölgede olduğu ortaya çıkmıştır. A>140 Doğal olarak oluşan tüm kararlı nüklidlerin yaklaşık üçte birini içerir.

Kararlılığın sınırları. Radyoaktif aileler. Ağır çekirdeklerin alfa bozunumuna göre kararlılık sınırları nükleer kabuk modeli kullanılarak açıklanabilir. Yalnızca kapalı proton veya nötron kabuklarına sahip olan çekirdekler özellikle sıkı bir şekilde bağlanmıştır. Bu nedenle orta ve ağır çekirdekler için nükleon başına bağlanma enerjisi artan oranda azalsa da A yaklaştıkça bu azalma her zaman yavaşlar A sihirli sayıya ulaşır ve geçtikten sonra hızlanır A protonların veya nötronların sihirli sayısı aracılığıyla. Sonuç olarak enerji E α sihirli çekirdekler için alfa bozunmasının gözlemlendiği minimum değerden önemli ölçüde daha düşük olduğu veya çekirdeğin kütle numarasının sihirli çekirdeğin kütle numarasından daha az olduğu ortaya çıkıyor. Tam tersine enerji E α değerleri aşan kütle sayılarına sahip çekirdekler için aniden artar A sihirli çekirdekler ve alfa bozunması açısından minimum pratik kararlılığı aşıyor.

Kütle sayıları alanında A~150 alfa-aktif olanlar, çekirdekleri sihirli sayı 82'den daha fazla iki veya daha fazla nötron içeren nüklidlerdir. Bu nüklidlerden bazılarının yarı ömürleri, Dünya'nın jeolojik yaşından çok daha uzundur ve bu nedenle doğal formlarında sunulurlar - nüklidler 144 Nd , 147 Sm, 149 Sm, 152 Gd. Diğerleri nükleer reaksiyonlarla üretildi. İkincisi, karşılık gelen kütle sayılarına sahip kararlı nüklidlerle karşılaştırıldığında nötron eksikliğine sahiptir ve bu nüklidler için β + bozunması genellikle alfa bozunması ile rekabet eder. En ağır kararlı nüklid 209 ÇiftÇekirdeği sihirli sayıda 126 nötron içerir. Bizmutu oluşturan element olan kurşunun sihirli sayısı 82'dir ve kurşunun sihirli sayısı 82'dir. 208 adetçift ​​sihirli bir nükliddir. Tüm ağır çekirdekler radyoaktiftir.

Alfa bozunmasının bir sonucu olarak ürün çekirdeği nötronlar açısından zenginleştiğinden, birkaç alfa bozunmasından sonra beta bozunması gelir. İkincisi çekirdekteki nükleonların sayısını değiştirmez, dolayısıyla kütle numarasına sahip herhangi bir çekirdek; A>209 ancak belirli sayıda alfa bozunmasından sonra kararlı hale gelebilir. Alfa bozunması sırasında nükleon sayısı aynı anda 4 birim azaldığından, her biri kendi nihai ürününe sahip dört bağımsız bozunma zincirinin varlığı mümkündür. Bunlardan üçü doğada bulunur ve doğal radyoaktif aileler olarak adlandırılır. Doğal familyalar kurşunun izotoplarından birinin oluşmasıyla çürümelerine son verirler; dördüncü ailenin son ürünü ise nükliddir. 209 Çift(bkz. tablo 3.1).

Doğal radyoaktif ailelerin varlığı üç uzun ömürlü alfa-aktif nüklidden kaynaklanmaktadır: 232 Bin, 235 U, 238 U, yarı ömürleri Dünyanın jeolojik yaşıyla (5.10 9 yıl) karşılaştırılabilir. Soyu tükenen dördüncü ailenin en uzun yaşayan temsilcisi nükliddir. 237 Np- uranyum ötesi element neptunyumun izotopu.

Tablo 3.1. Radyoaktif aileler

Günümüzde ağır çekirdeklerin nötron ve hafif çekirdeklerle bombardıman edilmesiyle uranyum ötesi elementlerin izotopları olan (Z>92) çok sayıda nüklid elde edilmiştir. Hepsi dengesiz ve dört aileden birine ait.

Doğal familyalardaki bozunmaların sırası Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.6. Alfa bozunması ve beta bozunması olasılıklarının karşılaştırılabilir olduğu durumlarda, alfa veya beta parçacıklarının emisyonu ile çekirdeklerin bozunmasına karşılık gelen çatallar oluşur. Bu durumda nihai bozunma ürünü değişmeden kalır.

Pirinç. 3.6. Doğal ailelerdeki çürüme kalıpları.

Verilen isimler, doğal bozunma zincirlerinin ilk çalışması sırasında radyonüklitlere verilmiştir.

ALFA ÇÜRÜME - kavram ve türleri. "ALPHA ÇÜRÜME" 2017, 2018 kategorisinin sınıflandırılması ve özellikleri.

1.3. Radyoaktif çekirdeklerin alfa bozunmaları, beta bozunmaları ve gama emisyonları

Alfa bozunması, bir helyum atomunun çekirdeğini temsil eden alfa parçacıklarının radyoaktif bir çekirdek tarafından kendiliğinden emisyonudur. Çürüme şemaya göre ilerliyor

İÇİNDE (1.13) numaralı ifadede, X harfi bozunan (ana) çekirdeğin kimyasal sembolünü, Y harfi ise ortaya çıkan (yavru) çekirdeğin kimyasal sembolünü göstermektedir. Diyagram (1.13)'ten görülebileceği gibi, yavru çekirdeğin atom numarası iki, kütle numarası ise orijinal çekirdeğin atom numarasından dört birim eksiktir.

Alfa parçacığının pozitif yükü vardır. Alfa parçacıkları iki özelliği karakterize eder:

temel parametrelere göre: hareket uzunluğu (havada 9 cm'ye kadar, biyolojik dokuda 10-3 cm'ye kadar) ve 2...9 MeV aralığında kinetik enerji.

Alfa bozunması yalnızca Am>200 ve yük numarası Z>82 olan ağır çekirdeklerde görülür. Bu tür çekirdeklerin içinde iki proton ve iki nötrondan oluşan izole parçacıkların oluşumu meydana gelir. Bu nükleon grubunun ayrılması, nükleer kuvvetlerin doyması ile kolaylaştırılır, böylece oluşan alfa parçacığı, tek tek nükleonlardan daha az nükleer çekici kuvvete maruz kalır. Aynı zamanda, alfa parçacığı, çekirdeğin protonlarından gelen Coulomb itme kuvvetinin tek tek protonlara göre daha büyük etkisine maruz kalır. Bu, tek tek nükleonları değil, çekirdekten alfa parçacıklarının yayılmasını açıklar.

İÇİNDE Çoğu durumda, bir radyoaktif madde birden fazla grup yayar. benzer ancak farklı enerjilere sahip alfa parçacıkları; Grupların bir enerji spektrumu vardır. Bunun nedeni, bir yavru çekirdeğin yalnızca temel durumda değil, aynı zamanda farklı enerji seviyelerine sahip uyarılmış durumlarda da ortaya çıkabilmesidir.

Çoğu çekirdek için uyarılmış durumların ömrü,

10 - 8 ila 10 - 15 saniye arası işler. Bu süre zarfında, yavru çekirdek, önceki ve sonraki durumların enerjileri arasındaki farka eşit olan karşılık gelen enerjinin bir gama kuantumunu yayarak temel veya daha düşük uyarılmış duruma geçer. Uyarılmış bir çekirdek aynı zamanda herhangi bir parçacığı da yayabilir: proton, nötron, elektron veya alfa parçacığı. Ayrıca çekirdeği çevreleyen iç katmandaki elektronlardan birine fazla enerji verebilir. Enerjinin çekirdekten K katmanının en yakın elektronuna aktarımı, bir gama kuantumu emisyonu olmadan gerçekleşir. Enerji alan elektron atomdan dışarı uçar. Bu işleme iç dönüşüm denir. Ortaya çıkan boş pozisyon, daha yüksek enerji seviyelerinden gelen elektronlarla doldurulur. Atomun iç katmanlarındaki elektronik geçişler, ayrı bir enerji spektrumuna sahip X-ışınlarının (karakteristik X-ışınları) emisyonuna yol açar. Toplamda yaklaşık 25 doğal ve yaklaşık 100 yapay alfa radyoaktif izotop bilinmektedir.

Beta bozunması üç tür nükleer dönüşümü birleştirir: elektronik (β−)

ve pozitron (β+) bozunumlarının yanı sıra elektron yakalama veya K yakalama. İlk iki dönüşüm türü, çekirdeğin bir elektron ve bir antinötrino (β− bozunması sırasında) veya bir pozitron ve nötrino (β+ bozunması sırasında) yayması gerçeğinden oluşur. Elek...

Atom çekirdeğinde tron ​​(pozitron) ve antinötrino (nötrino) mevcut değildir. Bu işlemler, çekirdekteki bir tür nükleonun diğerine (bir nötronun bir protona veya bir protonun bir nötrona) dönüştürülmesiyle gerçekleşir. Bu dönüşümlerin sonucu, şemaları şu şekilde olan β-bozunmalarıdır:

burada - 1 e0 ve + 1 e0 elektron ve pozitronun tanımıdır,

0 ν0 ve 0 ~ ν0 – nötrinoların ve antinötrinoların tanımı.

Negatif beta bozunması ile radyonüklidin yük sayısı bir artar, pozitif beta bozunması ile ise bir azalır.

Elektronik bozunma (β – bozunma) hem doğal hem de yapay radyonüklitlerde yaşanabilir. Çernobil kazası sonucu çevreye salınan çok sayıda çevresel açıdan en tehlikeli radyonüklitlerin karakteristik özelliği bu tür bir bozunmadır. Aralarında

134 55 Cs, 137 55 Cs, 90 38 Sr, 131 53 I, vb.

Pozitron bozunması (β + – bozunumu) esas olarak yapay radyonüklitlerin karakteristik özelliğidir.

Beta bozunması sırasında çekirdekten iki parçacık yayıldığından ve dağılım

aralarında toplam enerji istatistiksel olarak oluşur, daha sonra elektronların (pozitronların) enerji spektrumu sıfırdan beta spektrumunun üst sınırı olarak adlandırılan maksimum Emax değerine kadar süreklidir. Beta radyoaktif çekirdekler için Emax değeri 15 keV ile 15 MeV arasındaki enerji bölgesinde yer alır. Bir beta parçacığının havadaki yol uzunluğu 20 m'ye, biyolojik dokuda ise 1,5 cm'ye kadardır.

Beta bozunmasına genellikle gama ışınlarının emisyonu eşlik eder. Oluşmalarının nedeni alfa bozunması durumundakiyle aynıdır: yavru çekirdek yalnızca temel (kararlı) durumda değil, aynı zamanda uyarılmış durumda da görünür. Daha sonra daha düşük enerji durumuna geçen çekirdek, bir gama fotonu yayar.

Elektron yakalama sırasında çekirdeğin protonlarından biri nötrona dönüştürülür:

1 p 1+ - 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .

Bu dönüşümle çekirdeğe en yakın elektronlardan biri (atomun K katmanındaki elektron) kaybolur. Bir nötrona dönüşen proton bir elektronu “yakalar”. "Elektronik yakalama" terimi buradan geliyor. Özellik

Bu tür β bozunması çekirdekten bir parçacığın (nötrino) emisyonudur. Elektronik yakalama devresi şuna benzer:

Am Z X+ − 1 e0 → Am Z − 1 Y+ 0 ν 0 . (1.16)

Elektronik yakalama, β± bozunumlarının aksine her zaman karakterlerle birlikte olur.

bakteriyel x-ışını radyasyonu. İkincisi, çekirdekten daha uzaktaki bir elektronun, çekirdekte ortaya çıkan boş bir yere hareket etmesiyle meydana gelir.

K katmanı. X-ışınlarının dalga boyu 10 − 7 ile 10 − 11 m aralığındadır. Böylece beta bozunması sırasında çekirdeğin kütle numarası korunur.

ücret birer birer değişir. Beta radyoaktif çekirdeklerin yarı ömürleri

10 − 2 saniyeden 2 1015 yıla kadar geniş bir zaman aralığında yer alır.

Bugüne kadar yaklaşık 900 beta radyoaktif izotop bilinmektedir. Bunlardan sadece 20 kadarı doğal, geri kalanı ise yapay olarak elde ediliyor. Bu izotopların büyük çoğunluğunun deneyimi

β− - bozunması, yani elektronların emisyonu ile.

Her türlü radyoaktif bozunuma gama radyasyonu eşlik eder. Gama ışınları, bağımsız bir radyoaktivite türü olmayan kısa dalga elektromanyetik radyasyondur. Uyarılmış enerji durumlarından temel veya daha az uyarılmış duruma nükleer geçişler sırasında gama ışınlarının bir yavru çekirdek tarafından yayıldığı deneysel olarak tespit edilmiştir. Gama ışınlarının enerjisi, çekirdeğin başlangıç ​​ve son enerji seviyelerinin enerjileri arasındaki farka eşittir. Gama ışınlarının dalga boyu 0,2 nanometreyi geçmez.

Gama radyasyonu süreci, çekirdeğin Z ve Am'ini değiştirmeden gerçekleştiği için bağımsız bir radyoaktivite türü değildir.

Güvenlik soruları:

1. Mendeleev'in periyodik tablosundaki kütle ve yük sayıları ne anlama geliyor?

2. “İzotoplar” ve “izobarlar” kavramı. Bu terimler arasındaki fark nedir?

3. Çekirdeğin nükleer kuvvetleri ve en önemli özellikleri.

4. Bir çekirdeğin kütlesi neden kendisini oluşturan nüklidlerin kütlelerinin toplamından daha azdır?

5. Hangi maddelere radyoaktif denir?

6. Radyoaktif bozunma sabitini karakterize eden ve gösteren nedir?

7. Bir maddenin yarı ömrünü tanımlayın.

8. Hacimsel, yüzeysel ve spesifik aktiviteye ilişkin ölçü birimlerini listeleyin.

9. Radyoaktif çekirdeklerden kaynaklanan ana radyasyon türleri ve parametreleri.

Ders: Radyoaktivite. Alfa bozunması. Beta bozunması. Elektronik β bozunumu. Pozitron β-bozunması. Gama radyasyonu

Radyoaktivite

Radyoaktivite, 1896 yılında A. Becquerel tarafından yapılan deneyler sonucunda tamamen tesadüfen keşfedilmiştir. Son zamanlarda X ışınlarının keşfi, bilim adamlarını bu ışınların belirli elementlerin güneş ışığı tarafından aydınlatılması sonucu üretilip üretilmediğini öğrenmek istemeye yöneltti. Becquerel, deneyi için uranyum tuzunu seçti.

Tuz bir fotoğraf plakasına yerleştirildi ve deneyin kalitesini garantilemek için siyah kağıda sarıldı. Tuzun doğrudan güneş ışığında birkaç saat kalması sonucunda geliştirilen fotoğraf plakası, tuz kristallerinin ana hatlarına tamamen karşılık gelen bir fotoğraf içeriyordu. Bu deneyim, Becquerel'in X-ışınlarının yeni belirtileri hakkında konuştuğu bir konferansta konuşma yapmasına olanak sağladı. Birkaç hafta içinde benzer çalışmalardan elde edilen yeni sonuçları açıklaması bekleniyordu.

Ancak hava bilim insanına engel oldu. Hava sürekli bulutlu olduğundan tuz, fotoğraf plakasıyla birlikte siyah kağıda sarılı olarak masanın çekmecesinde duruyordu. Bilim adamı çaresizlik içinde bir fotoğraf plakası geliştirdi ve bunun sonucunda tuzun güneş ışığı olmadan bile iz bıraktığını fark etti.

Uranyumun aynı zamanda kağıda nüfuz edebilen ve plaka üzerinde iz bırakabilen bir tür ışın yaydığı ortaya çıktı.

Bu olaya radyoaktivite denir.

Daha sonra sadece uranyumun radyoaktif olmadığı ortaya çıktı. Curie ailesi toryum, polonyum ve radyumda benzer özellikler keşfetti.

Radyoaktif radyasyon türleri

Uranyumun manyetik bir alana yerleştirildiği çok sayıda deney sırasında, herhangi bir radyoaktif elementin üç ana radyasyon türüne - alfa, beta ve gama - sahip olduğu bulundu.

Manyetik alana maruz bırakılan bir kurşun plakaya radyoaktif bir elementin yerleştirilmesi sonucunda ekranda birbirinden belli mesafelerde bulunan üç nokta gözlendi.

1. Alfa ışınları (alfa parçacıkları) 4 nükleon ve iki pozitif yükten oluşan pozitif bir parçacıktır. Bu radyasyon en zayıf olanıdır. Bir alfa parçacığının hareket yönünü bir kağıt parçasıyla bile değiştirebilirsiniz.

Denklem ve bu tür bozunma örnekleri:

2 . Beta radyasyonu veya beta parçacığı . Bu radyasyon, bir negatif veya pozitif elektronun (pozitron) nakavt edilmesi sonucu oluşur.

3. Gama radyasyonu X ışınlarına benzer bir elektromanyetik dalga üreten radyasyondur.