Elementy fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych. Rozpady alfa, beta i gamma

Rozpad alfa- rozpad jąder atomowych, któremu towarzyszy emisja cząstek alfa (4 jądra He).
Niektóre izotopy mogą spontanicznie emitować cząstki alfa (doświadczać rozpadu alfa), tj. Czy alfa radioaktywny . Radioaktywność alfa, z rzadkimi wyjątkami (na przykład 8 Be), nie występuje wśród lekkich i średnich jąder. Zdecydowana większość izotopów promieniotwórczych alfa (ponad 200) zlokalizowana jest w układzie okresowym w rejonie ciężkich jąder (Z > 83). Wśród pierwiastków ziem rzadkich znanych jest również około 20 izotopów promieniotwórczych alfa; ponadto radioaktywność alfa jest charakterystyczna dla jąder znajdujących się w pobliżu granicy stabilności protonów. Dzieje się tak, ponieważ rozpad alfa jest powiązany z odpychaniem Coulomba, które wzrasta wraz ze wzrostem rozmiarów jąder szybciej (jako Z 2) niż jądrowe siły przyciągania, które rosną liniowo wraz ze wzrostem liczby masowej A.
Jądro jest promieniotwórcze alfa, jeśli jest spełniony warunek wynikający z prawa zachowania energii

co się nazywa energia rozpadu alfa . Jądra mogą również ulegać rozpadowi alfa do stanów wzbudzonych jąder końcowych i ze stanów wzbudzonych jąder początkowych. Dlatego zależność energii rozpadu alfa (2) można uogólnić w następujący sposób

gdzie i są odpowiednio energiami wzbudzenia jądra początkowego i końcowego. Cząstki alfa powstające w wyniku rozpadu stanów wzbudzonych nazywane są cząstkami alfa długodystansowe . Dla większości rdzeni z A > 190 i dla wielu rdzeni z 150< A < 190 условие (12) выполняется, однако далеко не все они считаются альфа-радиоактивными. Дело в том, что современные экспериментальные возможности не позволяют обнаружить альфа-радиоактивность для нуклидов с периодом полураспада большим, чем 10 16 лет. Кроме того, часть “потенциально” альфа-радиоактивных ядер испытывают также бета-распад, который сильно конкурирует с альфа-распадом.
Większość energii rozpadu alfa (około 98%) jest przenoszona przez cząstki alfa. Korzystając z zasad zachowania energii i pędu dla energii kinetycznej cząstki alfa T α, możemy otrzymać zależność

Okresy półtrwania znanych alfa nuklidów promieniotwórczych wahają się od 0,298 μs dla 212 Po do > 10 15 lat dla 144 Nd, 174 Hf... Energia cząstek alfa emitowanych przez ciężkie jądra ze stanów podstawowych wynosi 4 - 9 MeV, rzadko jądra ziemi 2 - 4,5 MeV.
Ważną właściwością rozpadu alfa jest to, że przy niewielkiej zmianie energii cząstek alfa okresy półtrwania zmieniają się o wiele rzędów wielkości. Zatem dla 232 Th Q α = 4,08 MeV, T 1/2 = 1,41·10 10 lat, a dla 218 Th Q α = 9,85 MeV, T 1/2 = 10 μs. Dwukrotna zmiana energii odpowiada zmianie okresu półtrwania o 24 rzędy wielkości.
Dla parzystych izotopów jednego pierwiastka zależność okresu półtrwania od energii rozpadu alfa dobrze opisuje empiryczne prawo Geigera-Nettola

gdzie T 1/2 w sekundach, Q α w MeV. Na ryc. Na rycinie 1 przedstawiono doświadczalne wartości okresów półtrwania dla 119 alfa-promieniotwórczych parzystych jąder (Z od 74 do 106) i ich opis za pomocą zależności (6).

Dla jąder nieparzystych, parzystych, parzystych i nieparzystych ogólny trend pozostaje, ale ich okresy półtrwania są 2 - 1000 razy dłuższe niż dla jąder parzystych - parzystych przy danych Z i Q α.
Główne cechy rozpadu alfa, w szczególności silną zależność prawdopodobieństwa rozpadu alfa od energii, wyjaśnili w 1928 r. G. Gamow i niezależnie od niego R. Gurney i E. Condon. Pokazali, że prawdopodobieństwo rozpadu alfa zależy głównie od prawdopodobieństwa przejścia cząstki alfa przez barierę potencjału.
Rozważmy prosty model rozpadu alfa. Zakłada się, że cząstka alfa porusza się w obszarze kulistym o promieniu R, gdzie R jest promieniem jądra. Te. w tym modelu zakłada się, że cząstka alfa stale istnieje w jądrze.
Prawdopodobieństwo rozpadu alfa jest równe iloczynowi prawdopodobieństwa znalezienia cząstki alfa na granicy jądra f i prawdopodobieństwa jej przejścia przez barierę potencjału D (przezroczystość bariery)

Możemy zatem utożsamić f z liczbą zderzeń w jednostce czasu, jakich doświadcza cząstka alfa na wewnętrznych granicach bariery

gdzie v, Ta, a - prędkość wewnątrz jądra, energia kinetyczna i masa zredukowana cząstki alfa, V 0 - potencjał jądrowy. Podstawiając V 0 = 35 MeV, Ta = 5 MeV do wyrażenia (8) otrzymujemy dla jąder z A 200, f 10 21 s -1.
Rysunek 2 pokazuje zależność energii potencjalnej pomiędzy cząstką alfa i jądrem resztkowym od odległości pomiędzy ich środkami. Potencjał Coulomba zostaje odcięty w odległości R, która jest w przybliżeniu równa promieniowi pozostałego jądra. Wysokość bariery Coulomba B k jest określona przez zależność

MeV

Tutaj Z i z są ładunkami (w jednostkach ładunku elektronu e) odpowiednio pozostałego jądra i cząstki alfa. Na przykład dla 238 U B k 30 MeV.

Można wyróżnić trzy obszary.

(Działanie bariery Coulomba jest podobne w przypadku reakcji jądrowej, kiedy cząstka alfa leci do jądra. Jeśli jej energia jest mniejsza niż wysokość bariery Coulomba, najprawdopodobniej zostanie rozproszona przez pole Coulomba jądra bez wniknięcia do niego i wywołania reakcji jądrowej. Prawdopodobieństwo wystąpienia takich reakcji podbarierowych jest bardzo małe.)

2.3 Wzoryα - Iβ -rozkład

DziałalnośćAnuklidw źródle promieniotwórczym liczbę rozpadów zachodzących w jądrach próbki w ciągu 1 s nazywa się:

Jednostka aktywności — bekerel (Bq): 1Bq - aktywność nuklidu, przy której w ciągu 1 s następuje jeden rozpad.Niesystemowa jednostka aktywnościnuklid w źródle promieniotwórczym -Curie (Ku): 1 Ku=3,7·1010 Bk.

Rozpad alfa. Rozpad alfa to samoistne przekształcenie jądra atomowego o liczbie protonów Z i neutronów N w inne jądro (córkę) zawierające liczbę protonów Z – 2 i neutronów N – 2. W tym przypadku emitowana jest cząstka alfa – tzw. jądro atomu helu. Przykładem takiego procesu jest rozpad α radu:

Cząstki alfa emitowane przez jądra atomów radu Rutherford wykorzystał w doświadczeniach nad rozpraszaniem przez jądra ciężkich pierwiastków. Prędkość cząstek α ​​emitowanych podczas rozpadu α ​​jąder radu, mierzona z krzywizny toru w polu magnetycznym, jest w przybliżeniu równa 1,5 · 107 m/s, a odpowiadająca jej energia kinetyczna wynosi około 7,5 · 10–13 J (około 4,8 MeV). Wartość tę można łatwo wyznaczyć na podstawie znanych wartości mas jąder macierzystych i potomnych oraz jądra helu. Chociaż prędkość uciekającej cząstki α jest ogromna, to wciąż wynosi tylko 5% prędkości światła, więc przy obliczeniach można zastosować nierelatywistyczne wyrażenie na energię kinetyczną.

Badania wykazały, że substancja radioaktywna może emitować cząstki alfa o kilku odrębnych energiach. Wyjaśnia to fakt, że jądra mogą, podobnie jak atomy, znajdować się w różnych stanach wzbudzonych. Jądro potomne może podczas rozpadu α ​​znaleźć się w jednym z tych stanów wzbudzonych. Podczas kolejnego przejścia tego jądra do stanu podstawowego emitowany jest kwant γ. Schemat rozpadu α ​​radu z emisją cząstek α ​​o dwóch wartościach energii kinetycznych pokazano na rysunku 2.4.

Zatem rozpadowi α jąder w wielu przypadkach towarzyszy promieniowanie γ.

W teorii rozpadu α ​​zakłada się, że wewnątrz jąder mogą tworzyć się grupy składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów, czyli cząstka α. Jądro macierzyste jest studnią potencjału dla cząstek α, ograniczoną barierą potencjału. Energia cząstki α w jądrze nie jest wystarczająca do pokonania tej bariery (rysunek 2.5). Ucieczka cząstki alfa z jądra możliwa jest jedynie dzięki zjawisku mechaniki kwantowej zwanemu efektem tunelowym. Według mechaniki kwantowej istnieje niezerowe prawdopodobieństwo przejścia cząstki pod barierą potencjału. Zjawisko tunelowania ma charakter probabilistyczny.

Rozpad beta. Podczas rozpadu beta elektron zostaje wyrzucony z jądra. Elektrony nie mogą istnieć wewnątrz jąder (patrz § 1.2); powstają podczas rozpadu beta w wyniku przemiany neutronu w proton. Proces ten może zachodzić nie tylko wewnątrz jądra, ale także przy wolnych neutronach. Średni czas życia swobodnego neutronu wynosi około 15 minut. Kiedy neutron rozpada sięzamienia się w protoni elektron

Pomiary wykazały, że w procesie tym dochodzi do oczywistego naruszenia prawa zachowania energii, gdyż całkowita energia protonu i elektronu powstała w wyniku rozpadu neutronu jest mniejsza niż energia neutronu. W 1931 r. W. Pauli zasugerował, że podczas rozpadu neutronu uwalniana jest kolejna cząstka o zerowej masie i ładunku, która odbiera część energii. Nowa cząstka zostaje nazwananeutrino(mały neutron). Ze względu na brak ładunku i masy neutrina, cząstka ta oddziałuje bardzo słabo z atomami materii, przez co jest niezwykle trudna do wykrycia eksperymentalnie. Zdolność jonizująca neutrin jest tak mała, że ​​jedno zdarzenie jonizacji w powietrzu zachodzi na dystansie około 500 km. Cząstkę tę odkryto dopiero w 1953 roku. Obecnie wiadomo, że istnieje kilka rodzajów neutrin. Podczas rozpadu neutronu powstaje cząstka, którą nazywamy elektronemantyneutrino. Jest to oznaczone symbolemDlatego reakcję rozpadu neutronów zapisuje się w postaci

Podobny proces zachodzi wewnątrz jąder podczas rozpadu β. Elektron powstały w wyniku rozpadu jednego z neutronów jądrowych zostaje natychmiast wyrzucony z „domu macierzystego” (jądra) z ogromną prędkością, która może różnić się od prędkości światła zaledwie o ułamek procenta. Ponieważ rozkład energii uwalnianej podczas rozpadu β pomiędzy elektronem, neutrinem i jądrem potomnym jest losowy, elektrony β mogą mieć różne prędkości w szerokim zakresie wartości.

Podczas rozpadu β liczba ładunku Z wzrasta o jeden, ale liczba masowa A pozostaje niezmieniona. Jądro potomne okazuje się jądrem jednego z izotopów pierwiastka, którego numer seryjny w układzie okresowym jest o jeden wyższy niż numer seryjny pierwotnego jądra. Typowym przykładem rozpadu β jest przemiana izotonu torupowstający w wyniku rozpadu α ​​uranudo palladu

Wraz z elektronicznym rozpadem β odkryto tzw. rozpad pozytonu β+ -rozpad, podczas którego z jądra emitowany jest pozytoni neutrina. Pozyton jest cząsteczką bliźniaczą elektronu, różniącą się od niego jedynie znakiem ładunku. Istnienie pozytonu przepowiedział wybitny fizyk P. Dirac w 1928 roku. Kilka lat później odkryto pozyton w promieniowaniu kosmicznym. Pozytony powstają w wyniku reakcji przemiany protonu w neutron według następującego schematu:

Rozpad gamma. W przeciwieństwie do radioaktywności α i β, radioaktywność γ jąder nie jest związana ze zmianą wewnętrznej struktury jądra i nie towarzyszy jej zmiana ładunku ani liczby masowej. Zarówno podczas rozpadu α, jak i β, jądro potomne może znaleźć się w stanie wzbudzonym i posiadać nadmiar energii. Przejściu jądra ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego towarzyszy emisja jednego lub większej liczby kwantów γ, których energia może sięgać kilku MeV.

Jądra większości atomów są formacjami dość stabilnymi.

Rozpad alfa

Podczas rozpadu alfa emitowana jest cząstka alfa (jądro

Rozpad alfa jest proces wewnątrzjądrowy. W ramach ciężkiego jądra, w wyniku złożonej kombinacji sił jądrowych i elektrostatycznych, powstaje niezależna cząstka α, która jest wypychana przez siły Coulomba znacznie aktywniej niż inne nukleony. W pewnych warunkach może pokonać siły oddziaływania jądrowego i wylecieć z jądra.

Rozpad beta

Podczas rozpadu beta emitowany jest elektron (cząstka β). W wyniku rozpadu jednego neutronu na proton, elektron i antyneutrino skład jądra zwiększa się o jeden proton, a elektron i antyneutrino są emitowane na zewnątrz. Odpowiednio,
powstały pierwiastek zostaje przesunięty o jedną komórkę do przodu w układzie okresowym.

Przykład rozpadu β:

Rozpad gamma

Rozpad gamma to emisja kwantów gamma przez jądra w stanie wzbudzonym, w którym mają one wyższą energię w porównaniu ze stanem niewzbudzonym. Jądra mogą przejść w stan wzbudzony podczas reakcji jądrowych lub podczas radioaktywności

Występują rozpady z emisją neutronu, protonu, radioaktywnością klastra i innymi, bardzo rzadkimi rodzajami rozpadów. Jednak dominującymi rodzajami radioaktywności są rozpad alfa, beta i gamma.

Tabela rozkładu

promieniowanie β składa się z elektrony I promieniowanie γ jest strumieniem elektromagnetycznym o wysokiej częstotliwości kwanty, emitowane przez jądra atomowe podczas przejścia ze stanu wzbudzonego do stanu niższego.

Fermi odkrył, że rozpad β wynika z nowego rodzaju interakcji cząstek w przyrodzie - „słabego” oddziaływania i jest związany z procesami transformacji w jądrze macierzystym neutronu w proton z emisją elektronu e - i antyneutrino (β - rozpad), proton w neutron z emisją pozytonu e + i neutrina ν (β + -rozpad), a także z wychwytem elektronu atomowego przez proton i emisją neutrin ν (elektron schwytać).
Czwarty rodzaj promieniotwórczości, odkryty w Rosji w 1940 r

młodzi fizycy G.N. Flerow i K.A. Pietrzaka wiąże się ze spontanicznym rozszczepieniem jądra, podczas którego niektóre dość ciężkie jądra rozpadają się na dwa fragmenty o w przybliżeniu równych masach.

Jądra większości atomów są formacjami dość stabilnymi. Jednakże jądra atomów substancji promieniotwórczych w procesie rozpadu promieniotwórczego samoistnie przekształcają się w jądra atomów innych substancji. I tak w 1903 roku Rutherford odkrył, że rad umieszczony w naczyniu po pewnym czasie zamienia się w radon. I w naczyniu pojawił się dodatkowy hel: (88^226)Ra →(86^222)Rn+(2^4)He. Aby zrozumieć znaczenie wyrażenia pisanego, przestudiuj temat masy i liczby ładunków jądra atomu.

Ustalono, że główne rodzaje rozpadu promieniotwórczego: rozpad alfa i beta zachodzą zgodnie z następującą zasadą przemieszczenia:

Rozpad alfa

Podczas rozpadu alfa emitowana jest cząstka alfa (jądro atomu helu). Z substancji o liczbie protonów Z i neutronów N w jądrze atomowym zamienia się w substancję o liczbie protonów Z-2 i liczbie neutronów N-2 i odpowiednio masie atomowej A-4: (Z ^A)X →(Z-2^ (A-4))Y +(2^4)He. Oznacza to, że powstały pierwiastek jest przesunięty o dwie komórki do tyłu w układzie okresowym.

Przykład rozpadu α:(92^238)U → (90^234)Th+(2^4)He.

Rozpad alfa jest proces wewnątrzjądrowy. W ramach ciężkiego jądra, w wyniku złożonej kombinacji sił jądrowych i elektrostatycznych, powstaje niezależna cząstka α, która jest wypychana przez siły Coulomba znacznie aktywniej niż inne nukleony. W pewnych warunkach może pokonać siły oddziaływania jądrowego i wylecieć z jądra.

Rozpad beta

Podczas rozpadu beta emitowany jest elektron (cząstka β). W wyniku rozpadu jednego neutronu na proton, elektron i antyneutrino skład jądra zwiększa się o jeden proton, a elektron i antyneutrino są emitowane na zewnątrz: (Z^A)X →(Z+1^A) Y+(-1^0)e+(0 ^0)v. Odpowiednio utworzony pierwiastek jest przesuwany o jedną komórkę do przodu w układzie okresowym.

Przykład rozpadu β:(19^40)K→(20^40)Ca+(-1^0)e+(0^0)v.

Rozpad beta jest proces wewnątrznukleonowy. Neutron ulega przemianie. Jest też beta plus rozpad lub rozpad beta pozytonów. Podczas rozpadu pozytonów jądro emituje pozyton i neutrino, a pierwiastek cofa się o jedną komórkę układu okresowego. Rozpadowi beta pozytonów towarzyszy zwykle wychwyt elektronów.

Rozpad gamma

Oprócz rozpadu alfa i beta następuje również rozpad gamma. Rozpad gamma to emisja kwantów gamma przez jądra w stanie wzbudzonym, w którym mają one wyższą energię w porównaniu ze stanem niewzbudzonym. Jądra mogą wejść w stan wzbudzony podczas reakcji jądrowych lub podczas rozpadów radioaktywnych innych jąder. Większość stanów wzbudzonych jąder ma bardzo krótki czas życia – mniej niż nanosekundę.

Występują również rozpady z emisją neutronu, protonu, radioaktywnością klastra i innymi, bardzo rzadkimi rodzajami rozpadów. Ale dominujący

Rozpocznijmy naszą znajomość różnych opcji rozpadu niestabilnych jąder - i różnych sposobów zapobiegania natychmiastowemu zapadnięciu się jądra - od rozpadu alfa. Cząstka alfa to po prostu jądro atomu helu, dwa protony i dwa neutrony. Ta kombinacja jest szczególnie ściśle spajana przez siły nuklearne. Dlatego jeśli ciężkie jądro jest gotowe stracić dodatkowe protony i neutrony, wówczas z reguły wylatują w postaci cząstki alfa. Proces ten nazywa się rozpadem alfa.

W rzeczywistości jądro nie wypuści cząstki alfa po prostu: w końcu działają między nimi nuklearne siły przyciągające. Gdyby cząstka już oderwała się od jądra i oddaliła na zauważalną odległość, wówczas działające między nimi siły odpychania elektrycznego wyparłyby je. Ale penetracja tego obszaru nie jest łatwa - w drodze do wolności cząstka alfa musi w jakiś sposób pokonać wysoką i szeroką barierę energii potencjalnej. Nie uwalnia cząsteczki i tym samym zapobiega natychmiastowemu rozpadowi alfa jądra. Cząstka alfa wydaje się krążyć po jądrze, nieustannie wpadając na barierę potencjału.

Na szczęście w mechanice kwantowej cząstki nie są zlokalizowane, ale raczej rozproszone w przestrzeni. Dlatego z pewnym, choć bardzo małym, ale wciąż niezerowym prawdopodobieństwem, cząstka alfa prędzej czy później będzie mogła znaleźć się po drugiej stronie bariery. Cząstka tuneluje, przechodzi przez barierę potencjału, mimo że nie ma wystarczającej energii, aby przepełznąć przez tę barierę. A teraz, wreszcie znajdując się po drugiej stronie bariery, cząstka odczuwa jedynie odpychanie elektryczne i odlatuje z przyjemnością.

O czasie życia jądra gotowego do rozpadu alfa decydują właściwości tej bariery. Im wyższa i szersza bariera, tym mniejsze prawdopodobieństwo jej wycieku, co oznacza, że ​​dłużej zajmie wystąpienie rozpadu alfa. W niektórych przypadkach bariera jest bardzo trudna do pokonania, a czas życia jądra okazuje się niesamowicie długi, sięgający miliardów lat. W innych przypadkach bariera jest słaba i rozkład następuje bardzo szybko. Na przykład najprostsze jądro zdolne do rozpadu alfa - beryl-8, 8 Be - zawiera cztery protony i cztery neutrony, dlatego z wielką przyjemnością rozpada się na dwie cząstki alfa. Jego czas życia mierzony był pół wieku temu i wynosi 10 −16 s = 100 ak. Należy zauważyć, że chociaż jest to szybki rozpad, w skali nuklearnej nadal zajmuje około miliona typowych cykli jądrowych.

Swoją drogą, fakt, że jądro 8 Be jest tak niestabilne, ma ogromne implikacje dla syntezy pierwiastków chemicznych we Wszechświecie i ostatecznie dla życia! W głębinach gwiazd wodór stopniowo spala się i zamienia w hel. Jądra helu, cząstki alfa, nieustannie latają, zderzając się ze sobą i od czasu do czasu tworząc beryl-8. Gdyby to jądro było stabilne lub przynajmniej długowieczne, wówczas nowe cząstki alfa szybko by się do niego przyczepiły, tworząc węgiel, azot i tak dalej. Innymi słowy, cały hel wypaliłby się bardzo szybko. W rzeczywistości 8 Be rozpada się tak szybko, że rzadko kiedy ma czas, aby utknęła w nim kolejna cząstka alfa. Dlatego hel w gwiazdach nie pali się tak łatwo. Dopiero na bardzo późnych etapach, gdy ciśnienie w gwieździe wzrasta, proces potrójnej konwersji cząstek alfa w węgiel poprzez pośredni beryl-8 rozpoczyna się z pełną prędkością.