Atominių branduolių alfa skilimo metu masės skaičius. Branduolinių virsmų tipai, alfa ir beta skilimas. Izotopai: stabilūs ir radioaktyvūs

Alfa ir beta spinduliuotė paprastai vadinama radioaktyviuoju skilimu. Tai procesas, kuris yra emisija iš branduolio, vykstanti didžiuliu greičiu. Dėl to atomas ar jo izotopas gali keistis iš vieno cheminio elemento į kitą. Branduolių alfa ir beta skilimas būdingas nestabiliems elementams. Tai apima visus atomus, kurių krūvio skaičius didesnis nei 83, o masės skaičius didesnis nei 209.

Reakcijos atsiradimo sąlygos

Skilimas, kaip ir kitos radioaktyvios transformacijos, gali būti natūralus arba dirbtinis. Pastaroji atsiranda dėl kažkokios svetimos dalelės patekimo į branduolį. Kiek alfa ir beta skilimo atomas gali patirti, priklauso tik nuo to, kaip greitai pasiekiama stabili būsena.

Natūraliomis aplinkybėmis atsiranda alfa ir beta minus skilimas.

Dirbtinėmis sąlygomis vyksta neutronų, pozitronų, protonų ir kiti retesni branduolių skilimo ir transformacijų tipai.

Šiuos vardus davė kažkas, tyrinėjęs radioaktyviąją spinduliuotę.

Skirtumas tarp stabilaus ir nestabilaus branduolio

Gebėjimas skilti tiesiogiai priklauso nuo atomo būsenos. Neirstantiems atomams būdingas vadinamasis „stabilus“ arba neradioaktyvus branduolys. Teoriškai tokius elementus galima stebėti neribotą laiką, kad galiausiai būtų galima patikrinti jų stabilumą. To reikia norint atskirti tokius branduolius nuo nestabilių, kurių pusinės eliminacijos laikas yra itin ilgas.

Per klaidą tokį „sulėtėjusį“ atomą galima laikyti stabiliu. Tačiau ryškus pavyzdys gali būti telūras, o konkrečiau, jo izotopas su numeriu 128, kurio gyvenimo trukmė yra 2,2·10 24 metai. Šis atvejis nėra pavienis. Lantano-138 pusinės eliminacijos laikas yra 10–11 metų. Šis laikotarpis yra trisdešimt kartų didesnis už esamos visatos amžių.

Radioaktyvaus skilimo esmė

Šis procesas vyksta atsitiktinai. Kiekvienas yrantis radionuklidas įgyja pastovų kiekvienu atveju greitį. Skilimo greitis negali keistis veikiant išoriniams veiksniams. Nesvarbu, ar reakcija vyks veikiant milžiniškai gravitacinei jėgai, esant absoliučiam nuliui, elektriniame ir magnetiniame lauke, vykstant bet kokiai cheminei reakcijai ir pan. Procesui įtakos gali turėti tik tiesioginė įtaka atomo branduolio vidui, o tai praktiškai neįmanoma. Reakcija yra spontaniška ir priklauso tik nuo atomo, kuriame ji vyksta, ir jo vidinės būsenos.

Kalbant apie radioaktyvųjį skilimą, dažnai vartojamas terminas „radionuklidas“. Tiems, kurie to nepažįsta, šis žodis reiškia atomų grupę, kuri turi radioaktyviųjų savybių, savo masės skaičių, atominį skaičių ir energijos būklę.

Įvairūs radionuklidai naudojami techninėse, mokslinėse ir kitose žmogaus veiklos srityse. Pavyzdžiui, medicinoje šie elementai naudojami diagnozuojant ligas, apdorojant vaistus, instrumentus ir kitus daiktus. Yra net nemažai gydomųjų ir prognostinių radioterapijos vaistų.

Ne mažiau svarbus yra izotopo nustatymas. Šis žodis reiškia ypatingą atomo tipą. Jie turi tą patį atominį skaičių kaip ir įprastas elementas, tačiau skiriasi masės skaičius. Šį skirtumą lemia neutronų skaičius, kurie neturi įtakos krūviui, kaip protonai ir elektronai, bet keičia masę. Pavyzdžiui, paprastas vandenilis turi net 3 iš jų. Tai vienintelis elementas, kurio izotopai buvo pavadinti: deuteris, tritis (vienintelis radioaktyvus) ir protis. Kitais atvejais pavadinimai pateikiami pagal atomų mases ir pagrindinį elementą.

Alfa skilimas

Tai yra radioaktyvios reakcijos rūšis. Būdingas gamtiniams elementams iš šeštojo ir septintojo periodinės cheminių elementų lentelės periodų. Ypač dirbtiniams arba transurano elementams.

Elementai, kuriems būdingas alfa skilimas

Tarp metalų, kuriems būdingas šis skilimas, yra toris, uranas ir kiti šeštojo ir septinto periodų elementai iš periodinės cheminių elementų lentelės, pradedant nuo bismuto. Procese taip pat atliekami sunkiųjų elementų izotopai.

Kas vyksta reakcijos metu?

Alfa skilimo metu iš branduolio pradeda skleistis dalelės, susidedančios iš 2 protonų ir neutronų poros. Pati skleidžiama dalelė yra helio atomo branduolys, kurio masė – 4 vienetai, o krūvis – +2.

Dėl to atsiranda naujas elementas, esantis dviem langeliais į kairę nuo pradinio periodinėje lentelėje. Tokį išsidėstymą lemia tai, kad pradinis atomas prarado 2 protonus ir tuo pačiu pradinį krūvį. Dėl to susidariusio izotopo masė, lyginant su pradine būsena, sumažėja 4 masės vienetais.

Pavyzdžiai

Šio skilimo metu iš urano susidaro toris. Iš torio atsiranda radis, iš jo – radonas, kuris galiausiai suteikia polonį ir galiausiai šviną. Šiame procese atsiranda šių elementų izotopai, o ne patys. Taigi, gauname uraną-238, torią-234, radį-230, radoną-236 ir taip toliau, kol atsiras stabilus elementas. Tokios reakcijos formulė yra tokia:

Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218

Izoliuotos alfa dalelės greitis emisijos momentu svyruoja nuo 12 iki 20 tūkst. km/sek. Būdama vakuume tokia dalelė Žemės rutulį apskris per 2 sekundes, judėdama išilgai pusiaujo.

Beta skilimas

Skirtumas tarp šios dalelės ir elektrono yra jo atsiradimo vietoje. Beta skilimas vyksta atomo branduolyje, o ne jį supančiame elektronų apvalkale. Labiausiai paplitusi iš visų esamų radioaktyviųjų transformacijų. Jį galima pastebėti beveik visuose šiuo metu esamuose cheminiuose elementuose. Iš to išplaukia, kad kiekvienas elementas turi bent vieną izotopą, jautrų skilimui. Daugeliu atvejų beta skilimas sukelia beta minus skilimą.

Reakcijos eiga

Šio proceso metu iš branduolio išstumiamas elektronas, atsirandantis dėl spontaniško neutrono virsmo elektronu ir protonu. Tokiu atveju protonai dėl didesnės masės lieka branduolyje, o elektronas, vadinamas beta minusine dalele, palieka atomą. O kadangi protonų yra po vieną, pats elemento branduolys pasikeičia į viršų ir periodinėje lentelėje yra į dešinę nuo pradinio.

Pavyzdžiai

Beta skilimas su kaliu-40 paverčia jį kalcio izotopu, kuris yra dešinėje. Radioaktyvusis kalcis-47 tampa skandžiu-47, kuris gali tapti stabiliu titanu-47. Kaip atrodo šis beta skilimas? Formulė:

Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47

Beta dalelės emisijos greitis yra 0,9 karto didesnis už šviesos greitį, tai yra 270 tūkst. km/sek.

Gamtoje beta aktyvių nuklidų nėra per daug. Yra nemažai reikšmingų. Pavyzdys yra kalis-40, kuriame natūraliai yra tik 119/10 000. Taip pat reikšmingi natūralūs beta–minus aktyvieji radionuklidai yra urano ir torio alfa ir beta skilimo produktai.

Beta skilimas turi tipišką pavyzdį: toris-234, kuris alfa skilimo metu virsta protaktininiu-234, o paskui tokiu pat būdu virsta uranu, tik su kitokiu izotopu numeriu 234. Šis uranas-234 dėl alfa vėl tampa toriu. irimo, bet kitokios atmainos. Tada šis toris-230 tampa radžiu-226, kuris virsta radonu. Ir ta pačia seka, iki talio, tik su skirtingais beta perėjimais atgal. Šis radioaktyvus beta skilimas baigiasi stabilaus švino-206 susidarymu. Ši transformacija turi tokią formulę:

Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206

Natūralūs ir reikšmingi beta aktyvūs radionuklidai yra K-40 ir elementai iš talio iki urano.

Beta ir skilimas

Taip pat yra beta plius transformacija. Jis taip pat vadinamas pozitronų beta skilimu. Jame iš branduolio išsiskiria dalelė, vadinama pozitronu. Rezultatas yra pradinio elemento transformacija į kairėje esantį elementą, kurio skaičius yra mažesnis.

Pavyzdys

Kai vyksta elektronų beta skilimas, magnis-23 tampa stabiliu natrio izotopu. Radioaktyvusis europis-150 tampa samarium-150.

Dėl susidariusios beta skilimo reakcijos gali atsirasti beta+ ir beta emisijų. Abiem atvejais dalelių emisijos greitis yra 0,9 karto didesnis už šviesos greitį.

Kiti radioaktyvūs skilimai

Be reakcijų, tokių kaip alfa skilimas ir beta skilimas, kurių formulė plačiai žinoma, yra ir kitų, retesnių procesų, būdingų dirbtiniams radionuklidams.

Neutronų skilimas. Išmeta neutrali 1 masės vieneto dalelė. Jo metu vienas izotopas virsta kitu, kurio masės skaičius mažesnis. Pavyzdys galėtų būti ličio-9 pavertimas ličiu-8, helio-5 pavertimas heliu-4.

Stabilų jodo-127 izotopą apšvitinus gama spinduliais, jis tampa izotopu numeriu 126 ir įgauna radioaktyvumą.

Protonų skilimas. Tai itin reta. Jo metu išspinduliuojamas protonas, kurio krūvis yra +1 ir 1 masės vienetas. Atominis svoris sumažėja viena verte.

Bet kokią radioaktyviąją transformaciją, ypač radioaktyvų skilimą, lydi energijos išsiskyrimas gama spinduliuotės pavidalu. Jie vadinami gama kvantais. Kai kuriais atvejais stebimi mažesnės energijos rentgeno spinduliai.

Tai gama kvantų srautas. Tai elektromagnetinė spinduliuotė, kietesnė už rentgeno spindulius, naudojama medicinoje. Dėl to atsiranda gama kvantai arba energijos srautai iš atomo branduolio. Rentgeno spinduliuotė taip pat yra elektromagnetinė, bet kyla iš atomo elektronų apvalkalo.

Alfa dalelių diapazonas

Alfa dalelės, kurių masė yra 4 atominiai vienetai, o krūvis +2, juda tiesia linija. Dėl to galime kalbėti apie alfa dalelių diapazoną.

Diapazono reikšmė priklauso nuo pradinės energijos ir svyruoja nuo 3 iki 7 (kartais 13) cm ore. Tankioje aplinkoje tai yra šimtoji milimetro dalis. Tokia spinduliuotė negali prasiskverbti per popieriaus lapą ar žmogaus odą.

Dėl savo masės ir krūvio skaičiaus alfa dalelė turi didžiausią jonizuojantį gebėjimą ir sunaikina viską, kas yra jos kelyje. Šiuo atžvilgiu alfa radionuklidai yra pavojingiausi žmonėms ir gyvūnams, kai jie patenka į kūną.

Beta dalelių prasiskverbimo galia

Dėl mažo masės skaičiaus, kuris yra 1836 kartus mažesnis už protoną, neigiamo krūvio ir dydžio, beta spinduliuotė silpnai veikia medžiagą, per kurią ji skrenda, tačiau skrydis ilgesnis. Be to, dalelės kelias nėra tiesinis. Šiuo atžvilgiu jie kalba apie įsiskverbimo gebėjimą, kuris priklauso nuo gaunamos energijos.

Radioaktyvaus skilimo metu susidarančių beta dalelių prasiskverbimo geba siekia 2,3 m skysčiuose, skaičiuojama centimetrais, o kietose medžiagose - centimetro dalimis. Žmogaus kūno audiniai spinduliuotę perduoda iki 1,2 cm gylio. Apsaugai nuo beta spinduliuotės gali pasitarnauti paprastas vandens sluoksnis iki 10 cm. Dalelių srautą, kurio skilimo energija yra gana didelė – 10 MeV, beveik visiškai sugeria šie sluoksniai: oras – 4 m; aliuminis - 2,2 cm; geležis - 7,55 mm; švinas - 5,2 mm.

Atsižvelgiant į mažą dydį, beta spinduliuotės dalelės turi mažą jonizuojantį gebą, palyginti su alfa dalelėmis. Tačiau nurijus jie yra daug pavojingesni nei išorinio poveikio metu.

Šiuo metu neutronų ir gama spinduliuotės prasiskverbimo greitis yra didžiausias tarp visų rūšių spinduliuotės. Šios spinduliuotės diapazonas ore kartais siekia dešimtis ir šimtus metrų, tačiau pasižymi mažesnėmis jonizuojančiomis savybėmis.

Daugumos gama spindulių izotopų energija neviršija 1,3 MeV. Retai pasiekiamos 6,7 MeV vertės. Šiuo atžvilgiu, siekiant apsaugoti nuo tokios spinduliuotės, slopinimo koeficientui naudojami plieno, betono ir švino sluoksniai.

Pavyzdžiui, norint susilpninti kobalto gama spinduliuotę, reikalinga apie 5 cm storio apsauga nuo 100 kartų, betono apsauga bus 33 ir 55 cm, o apsauga nuo vandens - 70 ir 115 cm.

Neutronų jonizuojančios savybės priklauso nuo jų energetinių parametrų.

Bet kokioje situacijoje geriausias apsaugos nuo radiacijos būdas bus būti kuo toliau nuo šaltinio ir kuo mažiau laiko praleisti didelės spinduliuotės zonoje.

Atomo branduolių dalijimasis

Atomais turime omenyje savaiminius arba neutronų veikiamus į dvi dalis, maždaug vienodo dydžio.

Šios dvi dalys tampa radioaktyviais elementų izotopais iš pagrindinės elementų lentelės dalies. Jie prasideda nuo vario iki lantanidų.

Išleidimo metu išeina pora papildomų neutronų ir gama spindulių pavidalu atsiranda energijos perteklius, kuris yra daug didesnis nei radioaktyvaus skilimo metu. Taigi per vieną radioaktyvaus skilimo veiksmą atsiranda vienas gama kvantas, o dalijimosi metu – 8,10 gama kvantų. Taip pat išsibarstę fragmentai turi didelę kinetinę energiją, kuri virsta šiluminiais rodikliais.

Išsiskyrę neutronai gali išprovokuoti panašių branduolių poros atsiskyrimą, jei jie yra šalia ir neutronai į juos patenka.

Šiuo atžvilgiu yra galimybė išsišakojusiai, greitėjančiai grandininei atomų branduolių atskyrimo ir didelio energijos kiekio susidarymo reakcijai.

Kai tokia grandininė reakcija yra kontroliuojama, ji gali būti naudojama tam tikriems tikslams. Pavyzdžiui, šildymui ar elektrai. Tokie procesai vykdomi atominėse elektrinėse ir reaktoriuose.

Jei nekontroliuosite reakcijos, įvyks atominis sprogimas. Tai yra tai, kas naudojama branduoliniuose ginkluose.

Natūraliomis sąlygomis yra tik vienas elementas – uranas, turintis tik vieną skiliųjų izotopą, kurio numeris 235. Jis yra ginklo klasės.

Įprastame urano branduoliniame reaktoriuje iš urano-238, veikiant neutronams, susidaro naujas izotopas numeriu 239, o iš jo plutonio, kuris yra dirbtinis ir gamtoje neatsiranda. Šiuo atveju gautas plutonis-239 naudojamas ginklams. Šis atomų branduolių dalijimosi procesas yra visų atominių ginklų ir energijos esmė.

Tokie reiškiniai kaip alfa irimas ir beta skilimas, kurių formulė tiriama mokykloje, mūsų laikais yra plačiai paplitę. Šių reakcijų dėka yra atominės elektrinės ir daugelis kitų pramonės šakų, pagrįstų branduoline fizika. Tačiau neturėtume pamiršti apie daugelio šių elementų radioaktyvumą. Dirbant su jais reikalinga speciali apsauga ir visų atsargumo priemonių laikymasis. Priešingu atveju tai gali sukelti nepataisomą nelaimę.

Remiantis šiuolaikinėmis cheminėmis sąvokomis, elementas yra atomo tipas, turintis tą patį branduolinį krūvį, kuris atsispindi elemento serijos numeryje D.I. Mendelejevas. Izotopai gali skirtis pagal neutronų skaičių ir atitinkamai atominę masę, tačiau kadangi teigiamai įkrautų dalelių – protonų – skaičius yra vienodas, svarbu suprasti, kad kalbame apie tą patį elementą.

Protono masė yra 1,0073 amu. (atominės masės vienetai) ir krūvis +1. Elektros krūvio vienetas yra elektrono krūvis. Elektriškai neutralaus neutrono masė yra 1,0087 amu. Norint pažymėti izotopą, būtina nurodyti jo atominę masę, kuri yra visų protonų ir neutronų suma, ir branduolio krūvį (protonų skaičių arba, kas yra tas pats, atominį skaičių). Atominė masė, dar vadinama nukleono skaičiumi arba nukleonu, paprastai rašoma elemento simbolio viršuje kairėje, o atominis skaičius – apačioje kairėje.

Panaši žymėjimo forma naudojama elementariosioms dalelėms. Taigi β spinduliams, kurie yra elektronai ir kurių masė yra nežymiai maža, priskiriamas -1 krūvis (apačioje) ir masės skaičius 0 (viršuje). α-dalelės yra teigiami dvigubai įkrauti helio jonai, todėl žymimos simboliu „He“, kurių branduolio krūvis yra 2 ir masės skaičius 4. Protono santykinės masės p n laikomos 1, o jų krūviai yra atitinkamai 1 ir 0.

Elementų izotopai paprastai neturi atskirų pavadinimų. Vienintelė išimtis yra vandenilis: jo izotopas, kurio masės numeris 1 yra protis, 2 yra deuteris, 3 yra tritis. Specialūs pavadinimai įvedami dėl to, kad vandenilio izotopai kuo labiau skiriasi vienas nuo kito masės.

Izotopai: stabilūs ir radioaktyvūs

Izotopai yra stabilūs ir radioaktyvūs. Pirmieji nesuyra, todėl gamtoje išsaugomi pirmykštės formos. Stabilių izotopų pavyzdžiai yra deguonis, kurio atominė masė 16, anglis, kurios atominė masė 12, fluoras, kurio atominė masė 19. Dauguma natūralių elementų yra kelių stabilių izotopų mišinys.

Radioaktyvaus skilimo rūšys

Radioaktyvieji izotopai, natūralūs ir dirbtiniai, spontaniškai skyla, išskirdami α arba β daleles, sudarydami stabilų izotopą.

Jie kalba apie tris spontaniškų branduolinių virsmų tipus: α-skilimą, β-skilimą ir γ-skilimą. α skilimo metu branduolys išskiria α dalelę, susidedančią iš dviejų protonų ir dviejų neutronų, dėl ko izotopo masės skaičius sumažėja 4, o branduolio krūvis – 2. Pavyzdžiui, radis skyla į radoną. ir helio jonai:

Ra(226, 88) → Rn(222, 86) + He(4, 2).

Beta skilimo metu nestabiliame branduolyje esantis neutronas virsta protonu, o branduolys išskiria beta dalelę ir antineutriną. Izotopo masės skaičius nekinta, tačiau branduolio krūvis padidėja 1.

γ skilimo metu sužadintas branduolys skleidžia trumpo bangos ilgio γ spinduliuotę. Šiuo atveju branduolinė energija mažėja, tačiau branduolio krūvis ir masės skaičius nesikeičia.

Alfa skilimas(a-skilimas) - radioaktyvaus atomų branduolių skilimo tipas, kai išspinduliuojant alfa dalelei, branduolio krūvis sumažėja 2 vienetais, masės skaičius 4. Alfa skilimas būdingas radioaktyviesiems elementams, turintiems didelį atominį skaičių. Z.

Ryžiai. 1. Scheminis a-skilimo vaizdas.

Alfa skilimas yra spontaniškas atomo branduolio virsmas protonų skaičiumi Z ir neutronai Nį kitą (dukterinį) branduolį, kuriame yra protonų skaičius Z-2 ir neutronai N- 2. Šiuo atveju išsiskiria alfa dalelė - helio atomo branduolys 4//^+.

Pradinio branduolio a-skilimo metu gauto branduolio atominis skaičius sumažėja dviem vienetais, o masės skaičius sumažėja 4 vienetais pagal schemą:

A-skilimo pavyzdžiai apima izotopo urano-238 skilimą:

(šio skilimo metu torio branduolys ir alfa dalelė išskrenda 0,07 MeV ir 4,18 MeV kinetinėmis energijomis) ir radžio-226:

Čia pradeda veikti Faience'o ir Soddy suformuluota poslinkio taisyklė: elementas, suformuotas iš kito elemento skleidžiant a spindulius, periodinėje lentelėje užima vietą dvi grupes į kairę nuo pradinio elemento.

Branduolių nestabilumo laipsnis apibūdinamas pusinės eliminacijos periodo verte – laiko tarpas, per kurį suyra pusė tam tikro radioaktyvaus izotopo branduolių. Dauguma radioaktyviųjų izotopų turi sudėtingus skilimo būdus. Tokiais atvejais diagramose nurodomas šio tipo spinduliuotės procentas nuo bendro perėjimų skaičiaus (1 ir 2 pav.).

Ryžiai. 2. 230 tūkst. irimo schema.

Bendra a-skilimo energija:

Kur E a- a dalelės energija, E tl yra atatrankos atomo energija, o R„shb – dukterinio branduolio sužadinimo energija.

Šviesesniems tolygiems nuklidams (L

Alfa dalelių kinetinė energija alfa skilimo metu (E ir) yra nulemtas pradinio ir galutinio branduolio bei alfa dalelės masės. Ši energija gali šiek tiek sumažėti, jei galutinis branduolys susidaro sužadintoje būsenoje, ir, priešingai, šiek tiek padidėti, jei alfa dalelę skleidžiantis branduolys buvo sužadintas (tokios padidintos energijos alfa dalelės vadinamos tolimojo nuotolio). Tačiau visais atvejais a-skilimo energija visada yra susijusi su pradinio ir galutinio branduolių masių ir sužadinimo lygių skirtumu, todėl skleidžiamų a-dalelių spektras visada yra ne ištisinis, o išklotas.

A-skilimo metu išsiskirianti energija

Kur Ma ir M A -4 – motininių ir dukterinių branduolių masės, M a - dalelės masė. Energija E yra padalintas tarp a-dalelės ir dukterinio branduolio, atvirkščiai proporcingai jų masei, iš kur a-dalelių energija:

Atatrankos energija:

Dukterinio branduolio atatrankos energija paprastai yra apie 1 MeV, o tai atitinka kelių milimetrų kelio ilgį ore.

Antžeminėmis sąlygomis yra apie 40 a-radioaktyvių izotopų. Jie yra sujungti į tris radioaktyvias serijas, kurios prasideda 2 3 6 U ( A = 477), 2 3 8 U (A = 477 + 2), 2 35 U ( A = 477+3). Į juos sąlygiškai (kadangi šios serijos izotopai sugebėjo suirti Žemės egzistavimo metu) gali būti įtraukta ketvirtoji serija, kuri prasideda 2 3?Np (A = 477+1). Po nuoseklių skilimų susidaro stabilūs branduoliai, kurių protonų ir neutronų skaičius yra artimas magiškiems skaičiams arba jiems lygus (Z = 82, N = 126), atitinkamai 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2 ° 7 Pb, 2 ° 9Bi. Aktyvių branduolių gyvenimo trukmė svyruoja nuo Yu 17 metų (2 °4Рь) iki 3* 7 s (212 Rho). Ilgaamžiai nuklidai yra 2 Ce, *44Ne, 17 4Hf, kurių pusinės eliminacijos laikas yra

(2+5) 10*5 metų.

Ryžiai. 3. Plokšti a-spindulių pluoštai iš mažo šaltinio: a - šaltinis 210 Po, viena a spindulių grupė; b - šaltinis 227 Th, dvi grupės, kurių takai yra artimi; c - šaltinis 2u Bi+ 2n Po, matomos dvi a-dalelės 211Р0; d - ~ 8 Th šaltinis su jo skilimo produktais ^Ra, 2 3-Th, 21b Po, 212 Bi+ 212 Po 6 grupėmis.

Alfa skilimas galimas, jei alfa dalelės surišimo energija, palyginti su pradiniu branduoliu, yra neigiama. Kad branduolys būtų a-radioaktyvus, turi būti įvykdyta sąlyga, kuri yra energijos tvermės dėsnio pasekmė.

M (a?) >M(L-4^-2) + M a, (9)

Kur M(A,Z) Ir M(A- 4, Z-2) yra atitinkamai pradinio ir galutinio branduolių ramybės masės, M a- a dalelės masė. Šiuo atveju dėl skilimo galutinis branduolys ir alfa dalelė įgyja bendrą kinetinę energiją E.

Alfa dalelių kinetinės energijos svyruoja nuo 1,83 MeV (*44 Nd) iki 11,65 MeV (212 m Po izomeras). Alfa dalelių energija, kurią skleidžia sunkioji ramė iš pagrindinės būsenos, yra 4+9 MeV, o retųjų žemių elementų – 2+4,5 MeV. Tipinės energijos a-dalelės diapazonas E a =6 MeV yra -5 cm ore normaliomis sąlygomis ir ~0,05 mm A1.

Ryžiai. 4. Eksperimentinis plutonio izotopų spektras.

Motinos branduolio irimo metu susidarančių dalelių spektras dažnai susideda iš kelių monoenergetinių linijų, atitinkančių kvantinius perėjimus į skirtingus dukterinio branduolio energijos lygius.

Kadangi a-dalelė neturi sukimosi, atrankos taisyklės taikomos kampiniam impulsui I-L ir paritetas, išplaukiantis iš atitinkamų išsaugojimo įstatymų, pasirodo esąs paprastas. Kampinis pagreitis L arba dalelės gali turėti vertes diapazone:

kur /, ir Jeigu- branduolių (motinos ir dukters) pradinės ir galutinės būsenos kampiniai momentai. Šiuo atveju leidžiamos tik lygios L reikšmės, jei abiejų būsenų paritetai sutampa, ir nelyginės vertės, jei paritetai nesutampa.

Ryžiai. 5. lg priklausomybė T iš E a "1/2 tolygiems polonio, radono ir radžio izotopams.

A-skilimo savybė yra tam tikra ir, be to, labai stipri priklausomybė tarp skleidžiamų „dalelių energijos ir radioaktyviųjų branduolių pusėjimo trukmės. Nežymiai pasikeitus alfa dalelių energijai, pusinės eliminacijos laikas (T) pasikeičia daugeliu dydžių kategorijų. Taigi 2 з 2 ТЪ?„=4,08 MeV, 7=1,41 10 yu l ir 2l8 Th E a = 9,85 MeV, T=yu μs. Energijos padvigubėjimas atitinka pusinės eliminacijos periodo pokytį 24 dydžiais.

Vieno elemento tolygių izotopų pusinės eliminacijos periodo priklausomybę nuo a-skilimo energijos gerai apibūdina ryšys (Geiger-Nettoll dėsnis):

kur Ci ir c 2 yra konstantos, kurios silpnai priklauso nuo Z.

Skilimo konstantai Geigerio-Netalo dėsnis turi tokią formą:

Kur dėžė 2 - konstantos ir b 2 - bendras ir b- individualiai kiekvienai natūraliai serijai, R- alfa dalelės kelio ilgis ore, E a - a-dalelių energija.

Tokio pobūdžio priklausomybę empiriškai nustatė 1912 m. G. Geigeris ir J. Netallas, o 1928 m. teoriškai ją pagrindė G. Gamow kvantinės mechaninės a-skilimo proceso, vykstančio per tunelį, svarstymo rezultatas. Teorija gerai aprašo perėjimus tarp lyginių ir lyginių branduolių pradinių būsenų. Nelyginių, lyginių ir nelyginių branduolių bendra tendencija išlieka, tačiau jų pusinės eliminacijos laikas yra 2–1000 kartų ilgesnis nei lyginių ir nelyginių branduolių, kurių Z ir E a.

α-radioaktyvumo paplitimą daugiausia lemia stipri tokių branduolių gyvenimo trukmės priklausomybė nuo jų skilimo energijos. Ši energija yra teigiama, jei pusinės eliminacijos laikas yra intervale kg 12 secT = 10 1v metų aktyvumas 1 g izotopo c A=200 yra tik 1 810 m2 Ci).

Elementų izotopams su Z

Yra žinoma daugiau nei 200 a-aktyvių branduolių, esančių daugiausia periodinės lentelės pabaigoje, už švino (Z>82), kuris užbaigia protonų branduolio apvalkalo užpildymą Z=82. Alfa irimas yra susijęs su

Kulono atstūmimas, kuris didėja didėjant branduolių dydžiui greičiau (kaip Z 2) nei branduolinės traukos jėgos, kurios didėja tiesiškai didėjant masės skaičiui A.

Ryžiai. 6. Elementų nuo polonio (Z=84) iki fermio (Z=ioo) izotopų a-skilimo energijos priklausomybė nuo neutronų skaičiaus branduoliuose.

Taip pat yra apie 20 retųjų žemių elementų a-radioaktyvių izotopų (A=i40-ri6o). Čia a-skilimas būdingiausias branduoliams su N= 84, kuris, išskirdamas alfa daleles, virsta branduoliais su užpildytu neutronų apvalkalu (N = 82). Tarpe tarp retųjų žemių ir sunkiųjų branduolių taip pat yra nedidelė α-spinduliuotojų grupė, taip pat yra keletas α spinduliuojančių neutronų trūkumo branduolių su A~.

A-aktyvių branduolių gyvenimo trukmė labai skiriasi: nuo 3-10-" sek (2,2 Po) iki (2-5)-10*5 l (natūralūs izotopai '4 2 Ce, * 44 Nd, PSO. Energija a- skilimas yra 44–9 MeV diapazone (išskyrus tolimojo nuotolio a daleles) visiems sunkiems branduoliams ir 24–4,5 MeV retųjų žemių elementų a-radioaktyviųjų izotopų skilimo energijos duomenų santrauka elementų, kurių Z = 84. -100 parodyta 6 pav.

α skilimo teorijoje daroma prielaida, kad motininis branduolys yra potencialus α dalelių šulinys, kurį riboja potencialo barjeras. Alfa dalelės energijos branduolyje nepakanka šiam barjerui įveikti. Alfa dalelės ištrūkimas iš branduolio įmanomas tik dėl kvantinės mechaninės reiškinio, vadinamo tunelio efektu. Remiantis kvantine mechanika, tikimybė, kad dalelė praeis per potencialų barjerą, yra ne nulinė. Tuneliavimo reiškinys yra tikimybinio pobūdžio.

Tunelio efektas(tuneliavimas) - potencialo barjero įveikimas mikrodalele tuo atveju, kai jos bendra energija (kuri tuneliavimo metu išlieka nepakitusi) yra mažesnė už barjero aukštį. Tunelio efektas - kvantinės prigimties reiškinys, neįmanomas klasikinėje mechanikoje; Tunelio efekto analogas bangų optikoje gali būti šviesos bangos prasiskverbimas į atspindinčią terpę tokiomis sąlygomis, kai geometrinės optikos požiūriu atsiranda visiškas vidinis atspindys. Tunelio efekto reiškinys yra daugelio svarbių atominės ir molekulinės fizikos procesų pagrindas, V atomo branduolio fizika, kietoji būsena ir kt. Galiausiai tuneliavimas paaiškinamas netikrumo ryšiu.

Ryžiai. 7.

Pagrindinis veiksnys, lemiantis α skilimo tikimybę ir jos priklausomybę nuo α dalelės energijos ir branduolio krūvio, yra Kulono barjeras. Paprasčiausia α skilimo teorija yra susijusi su α dalelės judėjimo aprašymu potencialo šulinyje su barjeru (7 pav.). Kadangi alfa dalelių energija yra 5-6 MeV, o Kulono barjero aukštis sunkiems branduoliams yra 254-30 MeV, tai alfa dalelės ištrūkimas iš branduolio gali įvykti tik dėl tunelinio efekto, kurio tikimybė. lemia barjero pralaidumas. α skilimo tikimybė eksponentiškai priklauso nuo α dalelės energijos.

Pav. 7 paveiksle parodyta alfa dalelės sąveikos su liekamuoju branduoliu potencialios energijos priklausomybė nuo atstumo tarp jų centrų. Kulono potencialas nutrūksta per atstumą R, kuris apytiksliai lygus liekamosios šerdies spinduliui. Kulono barjero aukštis yra tiesiogiai proporcingas branduolio krūviui, alfa dalelės krūviui ir atvirkščiai proporcingas R=r(A 1/s, r 0 - šerdies spindulys. Tai gana reikšminga, pavyzdžiui, 2 g Kulono barjero aukštis yra 30 MeV, todėl, remiantis klasikinėmis koncepcijomis, alfa dalelė, kurios energija yra 4,5 MeV, negali įveikti tokio barjero. Tačiau dėl savo banginių savybių a-dalelė vis tiek įveikia tokį barjerą.

Branduolinės energijos diagramoje galima išskirti tris regionus:

i" - sferinio potencialo šulinys su gyliu V. Klasikinėje mechanikoje a-dalelė, turinti kinetinę energiją Ea + V 0 gali judėti šioje srityje, bet negali iš jos išeiti. Šiame regione yra stipri sąveika tarp alfa dalelės ir likusio branduolio.

R – potencialo barjero sritis, kurioje potencinė energija didesnė už alfa dalelės energiją, t.y. tai yra klasikinei dalelei draudžiama sritis.

7*>r e - plotas už potencialo barjero. Kvantinėje mechanikoje alfa dalelė gali prasiskverbti pro barjerą (tuneliavimą), tačiau to tikimybė yra labai maža.

Gamovo tuneliavimo teorija paaiškino stiprią α spinduliuojančių nuklidų pusėjimo trukmės priklausomybę nuo α dalelės energijos. Tačiau daugelio branduolių pusinės eliminacijos laikas buvo prognozuojamas su didelėmis paklaidomis. Todėl Gamovo teorija buvo keletą kartų tobulinta. Buvo atsižvelgta ir į branduolių, kurių orbitinis impulsas nėra nulinis, ir į stiprią branduolių deformaciją (a-dalelės lengviau išbėga išilgai didžiosios elipsoido ašies, o vidutinė pabėgimo tikimybė skiriasi nuo sferinio branduolio). ) ir kt. Gamovo teorijoje nebuvo atsižvelgta į pradinio ir galutinio branduolių būsenų sandarą bei alfa dalelės susidarymo branduolyje problemą, kurios tikimybė buvo laikoma lygi 1. Lyginiams-lyginiams branduoliams, t. ši aproksimacija gana gerai apibūdina eksperimentą. Tačiau jei pradinių branduolių struktūros pertvarkymas į galutinius yra pastebimai sunkus, apskaičiuotos pusėjimo trukmės vertės gali pasikeisti dviem dydžiais.

Alfa dalelė α irstančiame branduolyje neegzistuoja visą laiką, bet su tam tikra baigtine tikimybe atsiranda jos paviršiuje prieš išeinant. Sunkiųjų branduolių paviršiniame sluoksnyje yra a-dalelių nukleonų grupės, susidedančios iš dviejų protonų ir dviejų neutronų (a-spiečių). Yra žinoma, kad a-skilimas vyksta 2-4 eilėmis greičiau, kai a-dalelė susidaro iš neutronų ir protonų porų, palyginti su skilimu, kai a-dalelė susidaro iš nesuporuotų nukleonų. Pirmuoju atveju a-skilimas vadinamas palankiu, o visi a-perėjimai tarp lyginių-lyginių branduolių pradinių būsenų tokie būna. Antruoju atveju a-skilimas vadinamas nepalankiu.

1. ATOMO BRANDUOTO FIZIKA 1.4. β skilimas

1.4. Beta skilimas.

Beta skilimo tipai ir savybės. Beta skilimo teorijos elementai. Radioaktyvios šeimos

Beta skilimas branduolys yra spontaniško nestabilaus branduolio virsmo izobariniu branduoliu procesas dėl elektrono (pozitrono) emisijos arba elektrono pagavimo. Yra žinoma apie 900 beta radioaktyvių branduolių. Iš jų tik 20 yra natūralios, likusios gaunamos dirbtinai.
Beta skilimo tipai ir savybės

Yra trys tipai β -irimas: elektroninis β – -skilimas, pozitroninis β + - skilimas ir elektronų gaudymas ( e- užfiksuoti). Pagrindinis tipas yra pirmasis.

At elektroninis β – - skilimas vienas iš branduolio neutronų virsta protonu su elektrono emisija ir elektroniniu antineutrinu.

Pavyzdžiai: laisvasis neutronų skilimas

, T 1/2 =11,7 min.;

tričio skilimas

, T 1/2 = 12 metų.

At pozitronas β + - skilimas vienas iš branduolio protonų virsta neutronu, išspinduliuojant teigiamai įkrautą elektroną (pozitroną) ir elektronų neutriną

. (1,41b)

Pavyzdys

·

Palyginus šeimų protėvių pusėjimo trukmę su geologiniu Žemės gyvavimo laiku (4,5 milijardo metų), aišku, kad beveik visas toris-232 buvo išsaugotas Žemės medžiagoje, uranas-238 maždaug suiro. pusė, uranas-235 - didžioji dalis, neptūnas-237 beveik visas.

Sunkiųjų jonų kaupimo įrenginiai atveria iš esmės naujas galimybes tiriant egzotiškų branduolių savybes. Visų pirma, jie leidžia kaupti ir ilgai naudoti visiškai jonizuotus atomus - „nuogus“ branduolius. Dėl to atsiranda galimybė ištirti atomų branduolių, kurie neturi elektroninės aplinkos ir kuriuose nėra išorinio elektronų apvalkalo su atomo branduoliu Kulono efekto, savybes.

Ryžiai. 3.2 E. gaudymo schema izotopu (kairėje) ir visiškai jonizuotuose atomuose ir (dešinėje)

Skilimas į surištą atomo būseną pirmą kartą buvo aptiktas 1992 m. Pastebėtas visiškai jonizuoto atomo β skilimas į surištąsias atomines būsenas. 163 Dy branduolys atomų branduolių N-Z diagramoje pažymėtas juodai. Tai reiškia, kad tai yra stabili šerdis. Iš tiesų, būdamas neutralaus atomo dalimi, 163 Dy branduolys yra stabilus. Jo pagrindinė būsena (5/2+) gali būti užpildyta elektroniniu būdu gaudant iš 163 Ho branduolio pagrindinės būsenos (7/2+). 163 Ho branduolys, apsuptas elektroniniu apvalkalu, yra β - radioaktyvus ir jo pusinės eliminacijos laikas yra ~10 4 metai. Tačiau tai tiesa tik tuo atveju, jei laikysime branduolį, apsuptą elektronų apvalkalo. Visiškai jonizuotų atomų vaizdas iš esmės skiriasi. Dabar 163 Dy branduolio pagrindinės būsenos energija yra didesnė už 163 Ho branduolio pagrindinę būseną ir atsiveria galimybė 163 Dy skilti (3.2 pav.)

→ + e - + e .

(3.8)

Skilimo metu susidaręs elektronas gali būti užfiksuotas į laisvą K arba L jono apvalkalą. Dėl to skilimas (3.8) turi formą

→ + e - + e (susietoje būsenoje).

β-skilimo į K ir L apvalkalus energijos lygios atitinkamai (50,3±1) keV ir (1,7±1) keV. Norint stebėti skilimą į surištas K ir L apvalkalo būsenas, ESR saugojimo žiede GSI buvo sukaupti 10 8 visiškai jonizuoti branduoliai. Per kaupimosi laiką branduoliai susidarė dėl β + irimo (3.3 pav.).

Ryžiai. 3.3. Jonų kaupimosi dinamika: a - Dy 66+ jonų srovė, sukaupta ESR saugojimo žiede per skirtingus eksperimento etapus, β- Dy 66+ ir Ho 67+ jonų intensyvumas, matuojamas atitinkamai išoriniais ir vidiniais padėties jautriais detektoriais

Kadangi Ho 66+ jonai turi praktiškai tokį patį M/q santykį kaip ir pirminio Dy 66+ pluošto jonai, jie kaupiasi toje pačioje orbitoje. Kaupimo laikas buvo ~30 min. Norint išmatuoti Dy 66+ branduolio pusėjimo trukmę, orbitoje susikaupęs pluoštas turėjo būti išvalytas nuo Ho 66+ jonų priemaišos. Spinduliui išvalyti nuo jonų į kamerą buvo įpurškta 6·10 12 atomų/cm 2 tankio ir 3 mm skersmens argono dujų srovė, kuri vertikalia kryptimi kirto susikaupusį jonų pluoštą. Dėl to, kad Ho 66+ jonai pagavo elektronus, jie paliko pusiausvyros orbitą. Sija buvo valoma maždaug 500 s. Po to dujų srautas buvo užblokuotas ir Dy 66+ jonai ir Ho 66+ jonai, naujai susidarę (išjungus dujų srautą) dėl skilimo, toliau cirkuliavo žiede. Šio etapo trukmė svyravo nuo 10 iki 85 minučių. Ho 66+ aptikimas ir identifikavimas buvo pagrįstas tuo, kad Ho 66+ gali būti toliau jonizuojamas. Norėdami tai padaryti, paskutiniame etape į saugojimo žiedą vėl buvo įpurškiama dujų srovė. Paskutinis elektronas buvo pašalintas iš 163 Ho 66+ jono, todėl atsirado 163 Ho 67+ jonas. Šalia dujų srovės buvo įrengtas padėties jutiklis, kuris užfiksavo 163 Ho 67+ jonus, paliekančius spindulį. Pav. 3.4 paveiksle parodyta 163 Ho branduolių, susidariusių dėl β-skilimo, skaičiaus priklausomybė nuo kaupimosi laiko. Įdėklas rodo padėties jautraus detektoriaus erdvinę skiriamąją gebą.
Taigi, 163 Ho branduolių susikaupimas 163 Dy pluošte buvo skilimo galimybės įrodymas.

→ + e - + e (susietoje būsenoje).

Ryžiai. 3.4. Dukterinių jonų 163 Ho 66+ ir pirminių 163 Dy 66+ santykis priklausomai nuo kaupimosi laiko. Intarpe smailė 163 Ho 67+, užfiksuota vidinio detektoriaus

Keičiant laiko intervalą tarp pluošto valymo nuo Ho 66+ priemaišos ir naujai pluošte susidariusių Ho 66+ jonų įrašymo laiko, galima išmatuoti visiškai jonizuoto Dy 66+ izotopo pusamžį. Pasirodė lygus ~0,1 metų.
Panašus skilimas buvo aptiktas 187 Re 75+. Gautas rezultatas yra nepaprastai svarbus astrofizikai. Faktas yra tas, kad neutralių 187 Re atomų pusinės eliminacijos laikas yra 4·10 10 metų ir jie naudojami kaip radioaktyvūs laikrodžiai. 187 Re 75+ pusinės eliminacijos laikas yra tik 33±2 metai. Todėl būtina atlikti atitinkamas astrofizinių matavimų korekcijas, nes Žvaigždėse 187 Re dažniausiai yra jonizuotoje būsenoje.
Visiškai jonizuotų atomų savybių tyrimas atveria naują kryptį tyrinėti egzotines branduolių savybes, neturinčias išorinio elektronų apvalkalo Kulono įtakos.