(3.13)

Якщо уявити альфа-частинку всередині сферичної потенційної ями радіусом R, що рухається зі швидкістю v α, то частота ударів об стінки ями складе v α/R, і тоді ймовірність вильоту альфа-частинки з ядра на одиницю часу, або постійна розпаду, дорівнюватиме добутку числа спроб в одиницю часу на ймовірність проходження бар'єру при одному зіткненні зі стінкою:

, (3.14)

де - деякий невизначений коефіцієнт, оскільки були прийняті положення, далекі від істини: альфа-частка не рухається вільно в ядрі, та й взагалі в складі ядер немає альфа-часток. Вона утворюється із чотирьох нуклонів у момент альфа-розпаду. Величина має сенс ймовірності утворення в ядрі альфа-частинки, частота зіткнень якої зі стінками потенційної ями дорівнює v α/R.

Порівняння із досвідом.З залежності (3.14) можна пояснити багато спостерігаються при альфа-распаде явища. Період напіврозпаду альфа-активних ядер тим більший, чим менше енергія. Е αщо випускаються при розпаді альфа-часток. При цьому, якщо періоди напіврозпаду змінюються від часток мікросекунди до багатьох мільярдів років, то діапазон зміни Е αдуже малий і становить приблизно 4-9 МеВ для ядер з масовими числами A>200.Регулярна залежність періоду напіврозпаду від Е αбула давно виявлена ​​в дослідах з природними а-активними радіонуклідами та описана співвідношенням:

(3.15)

де - константи, дещо різняться різних радіоактивних сімейств.

Цей вираз прийнято називати законом Гейгера-Неттола і представляє статечну залежність постійної розпаду λ від Е αз дуже великим показником. Така сильна залежність λ від Е αбезпосередньо випливає з механізму проходження альфа-частинкою потенційного бар'єру. Прозорість бар'єру, а отже, і постійна розпаду λ залежать від інтеграла по області R 1 -Rекспоненційно та швидко збільшуються при зростанні Е α. Коли Е αнаближається до 9 МеВ, час життя стосовно альфа-розпаду становить мінімальні частки секунди, тобто. при енергії альфа-часток 9 МеВ альфа-розпад відбувається практично миттєво. Цікаво, що таке значення Е αще суттєво менше висоти кулонівського бар'єру U kщо у важких ядер для двозарядної точкової частки становить приблизно 30 МеВ. Бар'єр для альфа-частинки кінцевого розміру дещо нижчий і має бути оцінений у 20-25 МеВ. Τᴀᴋᴎᴎᴩᴀᴈᴏᴍ, проходження кулонівського потенційного бар'єру альфа-частинкою протікає дуже ефективно, якщо її енергія не нижче третини висоти бар'єру.

Прозорість кулонівського бар'єру залежить від заряду ядра, т.к. від цього заряду залежить висота кулонівського бар'єру. Альфа-розпад спостерігається серед ядер з масовими числами A>200та в області A~150. Зрозуміло, що кулоновський бар'єр при A~150помітно нижче та ймовірність альфа-розпаду для однакових Е αзначно більше.

Хоча теоретично за будь-якої енергії альфа-частинки існує ймовірність проникнення через бар'єр, є обмеження в можливості експериментального визначення цього процесу. Визначити альфа-розпад ядер з періодом напіврозпаду більше 1017 - 1018 років не вдається. Відповідне мінімальне значення Е αвище у більш важких ядер і становить 4 МеВ у ядер з A>200і близько 2 МеВ у ядер з A~150. Отже, виконання співвідношення (3.12) не обов'язково свідчить про нестійкість ядра по відношенню до альфа-розпаду. Виявляється, що співвідношення (3.12) справедливе для всіх ядер з масовими числами більше 140, проте в області A>140знаходиться близько однієї третини всіх, що зустрічаються в природі стабільних нуклідів.

Кордони стійкості. Радіоактивні сімейства.Кордони стійкості важких ядер стосовно альфа-розпаду можна пояснити, використовуючи модель ядерних оболонок. Ядра, що мають тільки замкнуті протонні або нейтронні оболонки, особливо міцно пов'язані. З цієї причини, хоча енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, у середніх та важких ядер знижується при зростанні А, це зниження завжди сповільнюється при наближенні Адо магічного числа та прискорюється після проходження Ачерез магічне число протонів чи нейтронів. В результаті, енергія Е αвиявляється значно нижчим за мінімальне значення, при якому спостерігається альфа-розпад, для магічних ядер або масове число ядра менше масового числа магічного ядра. Навпаки, енергія Е αстрибкоподібно зростає у ядер з масовими числами, що перевищують значення Амагічних ядер, і перевищує мінімум практичної стабільності щодо альфа-розпаду.

У сфері масових чисел A~150альфа-активними є нукліди, ядра яких містять на два чи кілька нейтронів більше магічного числа 82. Деякі з таких нуклідів мають періоди напіврозпаду набагато більше геологічного віку Землі і у зв'язку з цим представлені в природному вигляді - це нукліди 144 Nd, 147 Sm, 149 Sm, 152 Gd. Інші були отримані внаслідок ядерних реакцій. Останні мають нестачу нейтронів у порівнянні зі стабільними нуклідами відповідних масових чисел, і у цих нуклідів з альфа-розпадом зазвичай конкурує β + -розпад. Найважчим стабільним нуклідом є 209 Bi, ядро ​​якого містить магічне число нейтронів 126. Попередній вісмуту елемент свинець має магічне число протонів 82, а 208 Pbє двічі магічним нуклідом. Все важчі ядра радіоактивні.

Оскільки в результаті альфа-розпаду ядро-продукт збагачується нейтронами, то після кількох альфа-розпадів слідує бета-розпад. Останній не змінює число нуклонів у ядрі, у зв'язку з цим будь-яке ядро ​​з масовим числом A>209може перетворитися на стабільне, тільки після деякої кількості альфа-розпадів. Оскільки кількість нуклонів при альфа-розпаді зменшується відразу на 4 одиниці, то можливе існування чотирьох незалежних ланцюжків розпаду, кожна зі своїм кінцевим продуктом. Три їх представлені у природі і називаються природними радіоактивними сімействами. Природні сімейства закінчують свій розпад утворенням одного з ізотопів свинцю, кінцевим продуктом четвертого сімейства є нуклід 209 Bi(Див. таблицю 3.1).

Існування природних радіоактивних сімей зобов'язане трьом довгоживучим альфа-активним нуклідам - 232 Th, 235 U, 238 U, що мають періоди напіврозпаду, порівняні з геологічним віком Землі (5.10 9 років) Найбільш довгоживучим представником вимерлого четвертого сімейства є нуклід 237 Np- Ізотоп трансуранового елемента нептунія.

Таблиця 3.1. Радіоактивні сімейства

Сьогодні шляхом бомбардування важких ядер нейтронами та легкими ядрами отримано дуже багато нуклідів, які є ізотопами трансуранових елементів (Z>92). Всі вони нестійкі і належать до одного із чотирьох сімейств.

Послідовність розпадів у природних сімействах показана на рис. 3.6. У тих випадках, коли ймовірності альфа-розпаду та бета-розпаду виявляються порівнянними, утворюються виделки, які відповідають розпаду ядер з випромінюванням або альфа-або бета-часток. У цьому кінцевий продукт розпаду залишається незмінним.

Мал. 3.6. Схеми розпадів у природних сімействах.

Наведені назви надано радіонуклідам при початковому вивченні природних ланцюжків розпаду.

АЛЬФА-РОСПАД - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "АЛЬФА-РОСПАД" 2017, 2018.

1.3. Альфа-розпади, бета-розпади та гамма-випромінювання радіоактивних ядер

Альфа-розпадом називається мимовільне випромінювання радіоактивним ядром альфа-часток, що представляють ядра атома гелію. Розпад протікає за схемою

У виразі (1.13) літерою Х позначено хімічний символ ядра, що розпадається (материнського), літерою Y – хімічний символ ядра, що утворюється (дочірнього). Як видно із схеми (1.13), атомний номер дочірнього ядра на дві, а масового числа – на чотири одиниці менше, ніж у вихідного ядра.

Заряд альфа-частинки позитивний. Альфа-частинки характеризують дво-

основними параметрами: довжиною пробігу (у повітрі до 9 см, в біологічній тканині до 10-3 см) і кінетичною енергією в межах 2 ... 9 МеВ.

Альфа-розпад спостерігається тільки у важких ядер з Аm>200 та зарядовим числом Z>82. Усередині таких ядер відбувається утворення відокремлених частинок із двох протонів та двох нейтронів. Відокремлення цієї групи нуклонів сприяє насичення ядерних сил, так що альфачастка, що сформувалася, схильна до меншої дії ядерних сил тяжіння, ніж окремі нуклони. Одночасно альфа-частка зазнає більшої дії кулонівських сил відштовхування від протонів ядра, ніж окремі протони. Цим пояснюється виліт із ядра альфа-часток, а не окремих нуклонів.

У в більшості випадків радіоактивна речовина випускає декілька групальфа-часток близької, але різної енергії, тобто. Групи мають спектр енергії. Це пов'язано з тим, що дочірнє ядро ​​може виникнути у основному, а й у збуджених станах з різними енергетичними рівнями.

Час життя збуджених станів для більшості ядер лежить у пре-

справах від 10 – 8 до 10 – 15 с. За цей час дочірнє ядро ​​переходить в основний або нижчий збуджений стан, випускаючи гамма-квант відповідної енергії, що дорівнює різниці енергії попереднього і наступного станів. Збуджене ядро ​​може випустити також якусь частинку: протон, нейтрон, електрон або альфа-частинку. Воно може й віддати надлишок енергії одному з навколишніх ядро ​​електронів внутрішнього шару. Передача енергії від ядра до найближчого електрона К-шару відбувається без випромінювання гаммакванта. Електрон, що отримав енергію, вилітає з атома. Цей процес називається внутрішньою конверсією. Вакантне місце, що утворилося, заповнюється електронами з вищележачих енергетичних рівнів. Електронні переходи у внутрішніх шарах атома призводять до випромінювання рентгенівських променів, що мають дискретний енергетичний спектр (характеристичних рентгенівських променів). Загалом відомо близько 25 природних та близько 100 штучних альфа-радіоактивних ізотопів.

Бета-розпад поєднує три види ядерних перетворень: електронний (β−)

і позитронний (β+) розпади, а також електронне захоплення або К-захоплення. Перші два види перетворень полягають у тому, що ядро ​​випускає електрон та антинейтрино (при β - розпаді) або позитрон і нейтрино (при β + - розпаді). Елек-

трон (позитрон) та антинейтрино (нейтрино) не існують в атомних ядрах. Ці процеси відбуваються шляхом перетворення одного виду нуклону в ядрі на інший - нейтрону в протон або протону в нейтрон. Результатом зазначених перетворень є β-розпади, схеми яких мають вигляд:

де − 1 e0 та + 1 e0 – позначення електрона та позитрону,

0 ν0 і 0 ~ ν0 – позначення нейтрино та антинейтрино.

При негативному бета-розпаді зарядове число радіонукліду збільшується на одиницю, а при позитивному розпаді бета – зменшується на одиницю.

Електронний розпад (β - розпад) можуть відчувати як природні, так і штучні радіонукліди. Саме цей вид розпаду характерний для переважної кількості екологічно найбільш небезпечних радіонуклідів, які потрапили в довкілля внаслідок Чорнобильської аварії. В тому числі

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

Позитронний розпад (β + – розпад) властивий переважно штучним радіонуклідам.

Оскільки при β-розпаді з ядра вилітають дві частинки, а розподіл

між ними загальної енергії відбувається статистично, спектр енергії електронів (позитронів) є безперервним від нуля до максимальної величини Emax званої верхньою межею бета-спектру. Для бета-радіоактивних ядер величина Emax укладена в галузі енергії від 15 кэВ до 15 МеВ. Довжина пробігу бета-частинки у повітрі до 20 м, а в біологічній тканині до 1,5 см.

Бета-розпад зазвичай супроводжується випромінюванням гамма-променів. Причина їх виникнення та сама, як у разі альфа-распада: дочірнє ядро ​​виникає у основному (стабільному), а й у збудженому стані. Переходячи потім у стан меншої енергії, ядро ​​випускає гамма-фотон.

При електронному захопленні відбувається перетворення одного з протонів ядра на нейтрон:

1 p 1+ − 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .

При такому перетворенні зникає один із найближчих до ядра електронів (електрон К-шару атома). Протон, перетворюючись на нейтрон, хіба що «захоплює» електрон. Звідси походить термін «електронне захоплення». Особливістю

цього виду β-розпаду є виліт із ядра однієї частки – нейтрино. Схема електронного захоплення має вигляд

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

Електронне захоплення на відміну від β±-розпадів завжди супроводжується ха-

рактеристичним рентгенівським випромінюванням Останнє виникає при переході більш віддаленого від ядра електрона на вакантне місце в

До-шару. Довжина хвиль рентгенівських променів у діапазоні від 10 - 7 до 10 - 11 м. Таким чином, при бета-розпаді зберігається масове число ядра, а його

заряд змінюється на одиницю. Періоди напіврозпаду бета-радіоактивних ядер

лежать у широкому інтервалі часів від 10 − 2 до 2 10 15 років.

На сьогодні відомо близько 900 бета-радіоактивних ізотопів. З них лише близько 20 є природними, решта отримана штучним шляхом. Переважна більшість цих ізотопів зазнають

β-розпад, тобто. з випромінюванням електронів.

Усі види радіоактивного розпаду супроводжуються гамма-випромінюванням. Гамма-промені – короткохвильове електромагнітне випромінювання, яке не відноситься до самостійного виду радіоактивності. Експериментально встановлено, що гамма-промені випускаються дочірнім ядром при переходах ядер із збуджених енергетичних станів в основний або менш збуджений. Енергія гамма-променів дорівнює різниці енергій початкового та кінцевого енергетичних рівнів ядра. Довжина хвилі гамма-променів вбирається у 0,2 нанометра.

p align="justify"> Процес гамма-випромінювання не є самостійним типом радіоактивності, так як він відбувається без зміни Z і Am ядра.

Контрольні питання:

1. Що розуміють під масовим та зарядовим числами в періодичній системі Менделєєва?

2. Поняття «ізотопи» та «ізобари». У чому різниця цих термінів?

3. Ядерні сили ядра та найважливіші їх особливості.

4. Чому маса ядра менша за суму мас складових його нуклідів?

5. Які речовини називають радіоактивними?

6. Що характеризує та показує постійна радіоактивного розпаду?

7. Дайте визначення періоду напіврозпаду речовини.

8. Перерахуйте одиниці вимірювання об'ємної, поверхневої та питомої активності.

9. Основні види випромінювань радіоактивних ядер та його параметри.

Лекція: Радіоактивність. Альфа-розпад. Бета-розпад. Електронний β-розпад. Позитронний β-розпад. Гамма-випромінювання

Радіоактивність

Радіоактивність була виявлена ​​випадково в результаті експериментів, проведених А. Беккерелем в 1896 році. Нещодавно відкрите рентгенівське проміння призвело до того, що вчений захотів з'ясувати, чи не з'являються вони в результаті освітлення сонячним світлом деяких елементів. Для свого експерименту Беккерель вибрав сіль урану.

Сіль була покладена на фотопластину і загорнута в чорний папір для забезпечення якісного експерименту. Внаслідок того, що сіль пролежала кілька годин під прямим сонячним промінням, на проявленій фотопластині виявився знімок, що повністю відповідає обрисам кристалів солі. Цей досвід дозволив Беккерелю виступити на конференції, де говорив про нові прояви рентгенівських променів. За кілька тижнів він мав заявити про нові результати при аналогічних дослідженнях.

Проте вченому завадила погода. Оскільки весь час було хмарно, сіль пролежала загорнутою разом із фотопластиною у чорний папір, перебуваючи у шухляді столу. У розпачі вчений виявив фотопластину, внаслідок чого помітив, що сіль залишила свій слід навіть без сонячних променів.

Виявилося, що уран випускає якісь промені, які також здатні пронизувати папір і залишати слід на пластині.

Дане явище отримало назву радіоактивності.

Згодом виявилося, що не тільки уран є радіоактивним. Сім'я Кюрі виявила аналогічні властивості уторію, полонію, а також радію.

Види радіоактивного випромінювання

У ході численних експериментів, при яких уран містився в магнітне поле, було з'ясовано, що будь-який радіоактивний елемент має три основні види випромінювання – альфа, бета та гама.

В результаті приміщення радіоактивного елемента свинцеву пластину, на яку діє магнітне поле, на екрані спостерігалося три плями, що знаходяться на деякій відстані один від одного.

1. Альфа-промені (альфа-частинки) - це позитивна частка, яка має 4 нуклони і два позитивні заряди. дане випромінювання є найслабшим. Змінити напрямок руху альфа-частинки можна навіть листком паперу.

Рівняння та приклади такого розпаду:

2 . Бетта-випромінювання або бетта-частка . Дане випромінювання протікає внаслідок вибивання одного негативного чи позитивного електрона (позитрона).

3. Гамма-випромінювання - це випромінювання, при якому виділяється електромагнітна хвиля, подібна до рентгенівського випромінювання.