При альфа распаде атомных ядер массовое число. Типы ядерных превращений, альфа и бета-распад. Изотопы: стабильные и радиоактивные

Альфа и бета-излучения в общем случае называются радиоактивными распадами. Это процесс, представляющий собой испускание из ядра, происходящий с огромной скоростью. В результате атом или его изотоп может превратиться из одного химического элемента в другой. Альфа и бета-распады ядер характерны для нестабильных элементов. К ним относятся все атомы с зарядовым числом больше 83 и массовым числом, превышающим 209.

Условия возникновения реакции

Распад, подобно другим радиоактивным превращениям, бывает естественным и искусственным. Последний происходит из-за попадания в ядро какой-либо посторонней частицы. Сколько альфа и бета-распада способен претерпеть атом - зависит лишь от того, как скоро будет достигнуто стабильное состояние.

При естественных обстоятельствах встречается альфа и бета-минус распады.

При искусственных условиях присутствует нейтронный, позитронный, протонный и другие, более редкие разновидности распадов и превращений ядер.

Данные названия дал занимавшийся изучением радиоактивного излучения.

Различие между стабильным и нестабильным ядром

Способность к распаду напрямую зависит от состояния атома. Так называемое "стабильное" или нерадиоактивное ядро свойственно нераспадающимся атомам. В теории наблюдение за такими элементами можно вести до бесконечности, чтобы окончательно убедиться в их стабильности. Требуется это для того, чтобы отделить такие ядра от нестабильных, которые имеют крайне долгий период полураспада.

По ошибке такой "замедленный" атом можно принять за стабильный. Однако ярким примером может стать теллур, а конкретнее, его изотоп с номером 128, имеющий в 2,2·10 24 лет. Этот случай не единичный. Лантан-138 подвержен полураспаду, срок которого составляет 10 11 лет. Этот срок в тридцать раз превышает возраст существующей вселенной.

Суть радиоактивного распада

Данный процесс происходит произвольно. Каждый распадающийся радионуклид приобретает скорость, являющуюся константой для каждого случая. Скорость распада не может измениться под влиянием внешних факторов. Неважно, будет происходить реакция под воздействием огромной гравитационной силы, при абсолютном нуле, в электрическом и магнитном поле, во время какой-либо химической реакции и прочее. Повлиять на процесс можно только прямым воздействием на внутренность атомного ядра, что практически невозможно. Реакция спонтанная и зависит лишь от атома, в котором протекает, и его внутреннего состояния.

При упоминании радиоактивных распадов часто встречается термин "радионуклид". Тем, кто не знаком с ним, следует знать, что данное слово обозначает группу атомов, которые имеют радиоактивные свойства, собственное массовое число, атомный номер и энергетический статус.

Различные радионуклиды применяются в технических, научных и прочих сферах жизнедеятельности человека. К примеру, в медицине данные элементы используются при диагностировании заболеваний, обработке лекарств, инструментов и прочих предметов. Имеется даже ряд лечебных и прогностических радиопрепаратов.

Не менее важным является и определение изотопа. Этим словом называют особую разновидность атомов. Они имеют одинаковый атомный номер, как у обычного элемента, однако отличное массовое число. Вызвано это различие количеством нейтронов, которые не влияют на заряд, как протоны и электроны, но меняют массу. К примеру, у простого водорода их имеется целых 3. Это единственный элемент, изотопам которого были присвоены названия: дейтерий, тритий (единственный радиоактивный) и протий. В остальных случаях имена даются в соответствии с атомными массами и основным элементом.

Альфа-распад

Это вид радиоактивной реакции. Характерен для естественных элементов из шестого и седьмого периода таблицы химических элементов Менделеева. В особенности для искусственных или трансурановых элементов.

Элементы, подверженные альфа-распаду

В число металлов, для которых характерен данный распад, относят торий, уран и прочие элементы шестого и седьмого периода из периодической таблицы химических элементов, считая от висмута. Также процессу подвергаются изотопы из числа тяжелых элементов.

Что происходит во время реакции?

При альфа-распаде начинается испускание из ядра частиц, состоящих из 2 протонов и пары нейтронов. Сама выделяемая частица является ядром атома гелия, с массой 4 единицы и зарядом +2.

В итоге появляется новый элемент, который расположен на две клетки левее исходного в периодической таблице. Такое расположение определяется тем, что исходный атом потерял 2 протона и вместе с этим - начальный заряд. В итоге масса возникшего изотопа на 4 массовые единицы уменьшается по сравнению с первоначальным состоянием.

Примеры

Во время такого распада из урана образуется торий. Из тория появляется радий, из него - радон, который в итоге дает полоний, и в конце - свинец. При этом в процессе возникают изотопы этих элементов, а не они сами. Так, получается уран-238, торий-234, радий-230, радон-236 и далее, вплоть до возникновения стабильного элемента. Формула такой реакции выглядит следующим образом:

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

Скорость выделенной альфа-частицы в момент испускания составляет от 12 до 20 тыс. км/сек. Находясь в вакууме, такая частица обогнула бы земной шар за 2 секунды, двигаясь по экватору.

Бета-распад

Отличие этой частицы от электрона - в месте появления. Распад бета возникает в ядре атома, а не электронной оболочке, окружающей его. Чаще всего встречается из всех существующих радиоактивных превращений. Его можно наблюдать практически у всех существующих в настоящее время химических элементов. Из этого следует, что у каждого элемента имеется хотя бы один подверженный распаду изотоп. В большинстве случаев в результате бета-распадапроисходит бета-минус разложение.

Протекание реакции

При данном процессе происходит выбрасывание из ядра электрона, возникшего из-за самопроизвольного превращения нейтрона в электрон и протон. При этом протоны за счет большей массы остаются в ядре, а электрон, называемый бета-минус частицей, покидает атом. И поскольку протонов стало больше на единицу, ядро самого элемента меняется в большую сторону и располагается справа от исходного в периодической таблице.

Примеры

Распад бета с калием-40 превращает его в изотоп кальция, который расположен справа. Радиоактивный кальций-47 становится скандием-47, который может превратиться в стабильный титан-47. Как выглядит такой бета-распад? Формула:

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

Скорость вылета бета-частицы составляет 0,9 от скорости света, равной 270 тыс. км/сек.

В природе бета-активных нуклидов не слишком много. Значимых из них довольно мало. Примером может послужить калий-40, которого в естественной смеси содержится лишь 119/10000. Также естественными бета-минус-активными радионуклидами из числа значимых являются продукты альфа и бета-распад урана и тория.

Распад бета имеет типичный пример: торий-234, который при альфа-распаде превращается в протактиний-234, а затем таким же образом становится ураном, но другим его изотопом под номером 234. Этот уран-234 вновь из-за альфа-распада становится торием, но уже иной его разновидностью. Затем этот торий-230 становится радием-226, который превращается в радон. И в той же последовательности, вплоть до таллия, лишь с различными бета-переходами назад. Заканчивается этот радиоактивный бета-распад возникновением стабильного свинца-206. Это превращение имеет следующую формулу:

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

Естественными и значимыми бета-активными радионуклидами являются К-40 и элементы от таллия до урана.

Распад бета-плюс

Также существует бета-плюс превращение. Оно также называется позитронный бета-распад. В нем происходит испускание из ядра частицы под названием позитрон. Результатом становится превращение исходного элемента в стоящий слева, который имеет меньший номер.

Пример

Когда происходит электронный бета-распад, магний-23 становится стабильным изотопом натрия. Радиоактивный европий-150 становится самарием-150.

Возникшая реакция бета-распада может создать бета+ и бета- испускания. Скорость вылета частиц в обоих случаях равна 0,9 от скорости света.

Другие радиоактивные распады

Не считая таких реакций, как альфа-распад и бета-распад, формула которых широко известна, существуют и другие, более редкие и характерные для искусственных радионуклидов процессы.

Нейтронный распад . Происходит испускание нейтральной частицы 1 единицы массы. Во время него один изотоп превращается в другой с меньшим массовым числом. Примером может стать превращение лития-9 в литий-8, гелия-5 в гелий-4.

При облучении гамма-квантами стабильного изотопа йода-127 он становится изотопом с номером 126 и приобретает радиоактивность.

Протонный распад . Встречается крайне редко. Во время него происходит испускание протона, имеющего заряд +1 и 1 единицу массы. Атомный вес становится меньше на одно значение.

Любое радиоактивное превращение, в частности, радиоактивные распады, сопровождаются выделением энергии в форме гамма-излучения. Его называют гамма-квантами. В некоторых случаях наблюдается рентгеновское излучение, имеющее меньшую энергию.

Представляет собой поток гамма-квантов. Является электромагнитным излучением, более жестким, чем рентгеновское, которое применяется в медицине. В результате появляются гамма-кванты, или потоки энергии из атомного ядра. Рентгеновское излучение также является электромагнитным, но возникает из электронных оболочек атома.

Пробег альфа-частиц

Альфа-частицы с массой от 4 атомных единиц и зарядом +2 движутся прямолинейно. Из-за этого можно говорить о пробеге альфа-частиц.

Значение пробега зависит от изначальной энергии и колеблется от 3 до 7 (иногда 13) см в воздухе. В плотной среде составляет сотую долю от миллиметра. Подобное излучение не может пробить лист бумаги и человеческую кожу.

Из-за собственной массы и зарядового числа альфа-частица имеет наибольшую ионизирующую способность и разрушает все на пути. В связи с этим альфа-радионуклиды наиболее опасны для людей и животных при воздействии на организм.

Проникающая способность бета-частиц

В связи с малым массовым числом, которое в 1836 раз меньше протона, отрицательным зарядом и размером, бета-излучение оказывает слабое действие на вещество, через которое пролетает, но притом полет дольше. Также путь частицы не прямолинейный. В связи с этим говорят о проникающейся способности, которая зависит от полученной энергии.

Проникающие способности у бета-частиц, возникших во время радиоактивного распада, в воздухе достигают 2,3 м, в жидкостях подсчет ведется в сантиметрах, а в твердых телах - в долях от сантиметра. Ткани организма человека пропускают излучение на 1,2 см в глубину. Для защиты от бета-излучения может послужить простой слой воды до 10 см. Поток частиц с достаточно большой энергией распада в 10 Мэв почти весь поглощается такими слоями: воздух - 4 м; алюминий - 2,2 см; железо - 7,55 мм; свинец - 5,2 мм.

Учитывая малые размеры, частицы бета-излучения имеют малую ионизирующую способность по сравнении с альфа-частицами. Однако при попадании внутрь они намного опаснее, чем во время внешнего облучения.

Наибольшие проникающие показатели среди всех видов излучений в настоящее время имеет нейтронное и гамма. Пробег этих излучений в воздухе иногда достигает десятков и сотен метров, но с меньшими ионизирующими показателями.

Большинство изотопов гамма-квантов по энергии не превышают показателей в 1,3 МэВ. Изредка достигаются значения в 6,7 МэВ. В связи с этим для защиты от такого излучения используются слои из стали, бетона и свинца для кратности ослабления.

К примеру, чтобы десятикратно ослабить гамма-излучения кобальта, необходима свинцовая защита толщиной около 5 см, для 100-кратного ослабления потребуется 9,5 см. Бетонная защита составит 33 и 55 см, а водная - 70 и 115 см.

Ионизирующие показатели нейтронов зависят от их энергетических показателей.

При любой ситуации лучшим защитным методом от излучения станет максимальное отдаление от источника и как можно меньшее времяпрепровождение в зоне высокой радиации.

Деление ядер атомов

Под атомов подразумевается самопроизвольное, или под влиянием нейтронов, на две части, примерно равные по размерам.

Эти две части становятся радиоактивными изотопами элементов из основной части таблицы химических элементов. Начинаются от меди до лантаноидов.

Во время выделения вырывается пара лишних нейтронов и возникает избыток энергии в форме гамма-квантов, который гораздо больше, чем при радиоактивном распаде. Так, при одном акте радиоактивного распада возникает один гамма-квант, а во время акта деления появляется 8,10 гамма-квантов. Также разлетевшиеся осколки имеют большую кинетическую энергию, переходящую в тепловые показатели.

Высвободившиеся нейтроны способны спровоцировать разделение пары аналогичных ядер, если они расположены вблизи и нейтроны в них попали.

В связи с этим возникает вероятность возникновения разветвляющей, ускоряющейся цепной реакции разделения атомных ядер и создания большого количества энергии.

Когда такая цепная реакция находится под контролем, то её можно использовать в определённых целях. К примеру, для отопления или электроэнергии. Такие процессы проводятся на атомных электростанциях и реакторах.

Если потерять контроль над реакцией, то случится атомный взрыв. Подобное применяется в ядерном оружии.

В естественных условиях имеется только один элемент - уран, имеющий лишь один делящийся изотоп с номером 235. Он является оружейным.

В обыкновенном урановом атомном реакторе из урана-238 под влиянием нейтронов образуют новый изотоп под номером 239, а из него - плутоний, который является искусственным и не встречается в естественных условиях. При этом возникший плутоний-239 применяется в оружейных целях. Этот процесс деления атомных ядер является сутью всего атомного оружия и энергетики.

Такие явления, как альфа-распад и бета-распад, формула которых изучается в школе, широко распространенны в наше время. Благодаря данным реакциям, существуют атомные электростанции и многие другие производства, основанные на ядерной физике. Однако не стоит забывать про радиоактивность многих таких элементов. При работе с ними требуется специальная защита и соблюдение всех мер предосторожности. В противном случае это может привести к непоправимой катастрофе.

Согласно современным химическим представлениям, элемент – это вид атомов с одним и тем же зарядом ядра, который отражен в порядковом номере элемента в таблице Д.И. Менделеева. Изотопы могут отличаться количеством нейтронов и, соответственно, атомной массой, но поскольку число положительно заряженных частиц - протонов - одинаково, важно понимать, что речь идет об одном и том же элементе.

Протон имеет массу 1,0073 а.е.м. (атомные единицы массы) и заряд +1. За единицу электрического заряда принят заряд электрона. Масса электронейтрального нейтрона – 1,0087 а.е.м. Чтобы обозначить изотоп, необходимо указать его атомную массу, которая складывается из всех протонов и нейтронов, и заряд ядра (число протонов или, что то же самое, порядковый номер). Атомную массу, называемую также нуклонным числом или нуклоном, записывают обычно слева сверху от символа элемента, а порядковый номер – слева снизу.

Аналогичная форма записи используется и для элементарных частиц. Так, β-лучам, представляющим собой электроны и имеющим пренебрежительно малую массу, приписывают заряд -1 (снизу) и массовое число 0 (сверху). α-частицы – это положительные двухзарядные ионы гелия, поэтому их обозначают символом «He» с зарядом ядра 2 и массовым числом 4. Относительные массы протона p n приняты за 1, а их заряды, соответственно, равны 1 и 0.

Изотопы элементов обычно не имеют отдельных названий. Исключение составляет лишь водород: его изотоп с массовым числом 1 – это протий, 2 – дейтерий, 3 – тритий. Введение специальных наименований вызвано тем, что изотопы водорода максимально отличаются друг от друга по массе.

Изотопы: стабильные и радиоактивные

Изотопы стабильными и радиоактивными. Первые не подвергаются распаду, поэтому сохраняются в природе в первозданном виде. Примеры стабильных изотопов – кислород с атомной массой 16, углерод с атомной массой 12, фтор с атомной массой 19. Большинство природных элементов – это смесь нескольких стабильных изотопов.

Виды радиоактивного распада

Радиоактивные изотопы, естественные и искусственные, самопроизвольно распадаются с испусканием α- или β-частиц до образования стабильного изотопа.

Говорят о трех видах самопроизвольных ядерных превращений: α-распаде, β-распаде и γ-распаде. При α-распаде ядро испускает α-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов, в результате чего массовое число изотопа уменьшается на 4, а заряд ядра – на 2. Так, например, радий распадается на радон и ион гелия:

Ra(226, 88)→Rn(222, 86)+He(4, 2).

В случае β-распада нейтрон в неустойчивом ядре превращается в протон, и ядро испускает β-частицу и антинейтрино. Массовое число изотопа при этом не изменяется, но заряд ядра возрастает на 1.

При γ-распаде возбужденное ядро испускает γ-излучение с малой длиной волны. Энергия ядра при этом уменьшается, но заряд ядра и массовое число остаются неизменными.

Альфа-распад (а-распад) - вид радиоактивного распада атомных ядер, когда испускается альфа-частица, заряд ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число - на 4. Альфа-распад характерен для радиоактивных элементов с большим атомным номером Z.

Рис. 1. Схематическое изображение а-распада.

Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z -2 и нейтронов N- 2. При этом испускается а-частица - ядро атома гелия 4//^+ .

При а-распаде исходного ядра атомный номер образовавшегося ядра уменьшается на две единицы, а массовое число уменьшается на 4 единицы, согласно схеме:

Примерами а-распада могут служить распад изотопа урана-238:

(при этом распаде ядро тория и а-частица разлетаются с кинетическими энергиями 0.07 МэВ и 4.18 МэВ) и радия-226:

Здесь проявляется правило сдвига, сформулированное Фаянсом и Содди: элемент, образовавшийся из другого элемента при испускании а-лучей, занимает в периодической системе место на две группы левее исходного элемента.

Степень неустойчивости ядер характеризуется величиной периода полураспада - промежутка времени, в течение которого распадается половина ядер данного радиоактивного изотопа. Большинство радиоактивных изотопов имеет сложные схемы распада. В таких случаях на схемах указывают процент данного вида излучения по отношению к общему числу переходов (рис. 1 и 2).

Рис. 2. Схема распада 230 Th.

Полная энергия а-распада:

где Е а - энергия а-частицы, Е тл - энергия атома отдачи и Я„шб - энергия возбуждения дочернего ядра.

Для более лёгких чётночётных нуклидов (Л

Кинетическая энергия а-частиц при альфа-распаде (Е и) определяется массами исходного и конечного ядра и а-частицы. Эта энергия может несколько уменьшаться, если конечное ядро образуется в возбуждённом состоянии и, напротив, несколько увеличиваться, если возбуждённым было испускающее а-частицу ядро (такие а-частицы с увеличенной энергией называются длиннопробежными). Однако во всех случаях энергия а-распада всегда связана с разностью масс и уровнями возбуждения исходного и конечного ядер, а потому спектр испускаемых а-частиц всегда является не сплошным, а линейчатым.

Энергия, выделившаяся при а-распаде

где Ма и М А -4 - массы материнского и дочернего ядер, М а - масса а-частицы. Энергия Е делится между а-частицей и дочерним ядром обратно пропорционально их массам, откуда энергия а-частиц:

Энергия отдачи:

Энергия отдачи дочернего ядра обычно находится в области о,1 МэВ, что соответствует длине пробега в воздухе, равной нескольким миллиметрам.

В земных условиях существует около 40 а-радиоактивных изотопов. Они объединены в три радиоактивных ряда, которые начинаются с 2 3 6 U (А = 477), 2 3 8 U (А = 477+2), 2 35U (А = 477+3). К ним можно условно (т.к. изотопы этого ряда успели распасться за время существования Земли), отнести четвёртый ряд, который начинается с 2 3?Np (Л = 477+1). После ряда последовательных распадов образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z=82, N=126) соответственно 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2 ° 7 РЬ, 2 °9Bi. Времена жизни «-активных ядер лежат в пределах от ю 17 лет (2 °4РЬ) до 3-ю* 7 с (212 Ро). Долгоживущими являются нуклиды и 2 Се, *44Ne, 17 4Hf, периоды полураспада которых составляют

(2+5) 10*5 лет.

Рис. 3. Плоские пучки а-лучей от источника малых размеров: а - источник 210 Ро, одна группа а-лучей; б - источник 227 Th, две группы с близкими по длине пробегами; в - источник 2u Bi+ 2n Po, видны две а-частицы 211Р0; г - источник ~ 8 Th с продуктами его распада ^Ra, 2 3-Th, 21б Ро, 212 Bi+ 212 Po 6 групп.

Альфа-распад возможен, если энергия связи а-частицы относительно материнского ядра отрицательна. Для того, чтобы ядро было а-радиоактивным необходимо выполнение условия, являющегося следствием закона сохранения энергии

М(А?) >М(Л-4^-2) + М а, (9)

где M(A,Z) и М(А- 4,Z-2) - массы покоя исходного и конечного ядер соответственно, М а - масса а-частицы. При этом в результате распада конечное ядро и а-частица приобретают суммарную кинетическую энергию Е.

Кинетические энергии а-частиц изменяются от 1,83 МэВ (*44Nd) до 11,65 МэВ (изомер 212ш Ро). Энергия а-частиц, испускаемых тяжёлыми рами из основных состояний, составляет 4+9 МэВ, а испускаемая ми редкоземельных элементов 2+4.5 МэВ. Пробег а-частицы с типичной энергией Е а =6 МэВ составляет -5 см в воздухе при нормальных условиях и ~о,05 мм в А1.

Рис. 4. Экспериментальный а- спектр изотопов плутония.

Спектра -частиц, возникающих при распаде материнского ядра, часто состоит из нескольких моно- энергетических линий, соответствующих квантовых переходам на различные энергетические уровни дочернего ядра.

Так как а-частица не имеет спина, правила отбора по моменту количества движения I-L и чётности, которые вытекают из соответствующих законов сохранения, оказываются простыми. Угловой момент L or-частицы может принимать значения в интервале:

где /, и If - угловые моменты начального и конечного состояния ядер (материнского и дочернего). При этом разрешены только чётные значения L, если чётности обоих состояний совпадают, и нечётные, если четности не совпадают.

Рис. 5. Зависимость lgТ от Е а " 1/2 для чётно-чётных изотопов полония, радона и радия.

Свойством а-распада является наличие определённой и притом весьма сильной зависимости между энергией испускаемых «-частиц и периодом полураспада «-радиоактивных ядер. При небольшом изменении энергии а-частиц периоды полураспада (Т) меняются на многие порядки. Так у 2 з 2 ТЪ?„=4.08 МэВ, 7=1.41 10 ю л, а у 2l8 Th Е а = 9.85 МэВ, Т =ю мкс. Изменению энергии в два раза соответствует изменение в периоде полураспада на 24 порядка.

Для чётно-чётных изотопов одного элемента зависимость периода полураспада от энергии а-распада хорошо описывается соотношением (закон Гейгера-Неттолла):

где Ci и с 2 - константы, слабо зависящие от Z.

Для постоянной распада закон Гейгера-Нетолла имеет вид:

где binb 2 - константы, причём b 2 - общая, а Ь - индивидуальная для каждого природного ряда, R - длина пробега а-частицы в воздухе, Е а - энергия а-частицы.

Зависимость подобного рода была эмпирически установлена в 1912 г. Г.Гейгером и Дж.Нетоллом и теоретически обоснована в 1928 г. Г.Гамовым в результате квантовомеханического рассмотрения процесса а-распада, происходящего путём туннельного перехода. Теория хорошо описывает переходы между основными состояниями чётно-чётных ядер. Для нечётно-чётных, чётно-нечётных и нечётно-нечётных ядер общая тенденция сохраняется, но их периоды полураспада в 2-1000 раз больше, чем для чётно-чётных ядер с данными Z и Е а.

Распространённость а-радиоактивности в значительной мере определяется именно сильной зависимостью времени жизни таких ядер от энергии их распада. Эта энергия положительна, если период полураспада находится в пределах кг 12 секТ=ю 1в лет активность 1 г изотопа с А =200 составляет всего 1,810 м2 Ки).

Для изотопов элементов с Z

Известно более 200 a-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за свинцом (Z>82), которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z=82. Альфа-распад связан с

кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z 2), чем ядерные силы притяжения, которые увеличиваются линейно с ростом массового числа А.

Рис. 6. Зависимость энергии а-распада изотопов элементов начиная с полония (Z=84) до фермия (Z=ioo) от числа нейтронов в ядрах.

Имеется также около 20 а-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов (A=i40-ri6o). Здесь а-распад наиболее характерен для ядер с N= 84, которые при испускании а-частиц превращаются в ядра с заполненной нейтронной оболочкой (N= 82). Существует также небольшая группаа -излучателей в промежутке между редкоземельными и тяжелыми ядрами и есть несколько а- излучающих нейтронно-дефицитных ядер с А~по.

Времена жизни a-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3-10-" сек (для 2,2 Ро) до (2-5)-10*5 л (природные изотопы ‘4 2 Се, *44Nd, WHO. Энергия а-распада лежит в пределах 44-9 МэВ (за исключением случая длиннопробежных а-частиц) для всех тяжёлых ядер и 24-4,5 МэВ для редкоземельных элементов. Сводка данных об энергиях а-распада а-радиоактивных изотопов элементов с Z= 84-100 представлена на рис. 6.

В теории а-распада предполагается, что материнское ядро является для а -частиц потенциальной ямой, которая ограничена потенциальным барьером. Энергия а-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера. Вылет а-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому явлению, которое называется туннельным эффектом. Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер. Явление туннелирования имеет вероятностный характер.

Туннельный эффект (туннелирование) - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект - явление квантовой природы, невозможное в классической механике; аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннельного эффекта лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т.д. В конечном счёте, туннелирование объясняется соотношением неопределенностей.

Рис. 7.

Основным фактором, определяющим вероятность а-распада и ее зависимость от энергии а-частицы и заряда ядра, является кулоновский барьер. Простейшая теория а-распада сводится к описанию движения а-частицы в потенциальной яме с барьером (рис. 7). Так как энергия а-частиц составляет 5-гю МэВ, а высота кулоновского барьера у тяжёлых ядер 254-30 МэВ, то вылет а-частицы из ядра может происходить только за счёт туннельного эффекта, вероятность которого определяется проницаемостью барьера. Вероятность а-распада экспоненциально зависит от энергии а-частицы.

На рис. 7 показана зависимость потенциальной энергии взаимодействия а-частицы с остаточным ядром в зависимости от расстояния между их центрами. Кулоновский потенциал обрезается на расстоянии R, которое приблизительно равно радиусу остаточного ядра. Высота кулоновского барьера прямо пропорциональна заряду ядра, заряду а-частицы и обратно пропорциональна R=r (A 1/s , г 0 - радиус ядра. Она довольно значительна, например, для 2 з**и кулоновский барьер имеет высоту 30 МэВ, поэтому согласно классическим представлениям, а-частица с энергией 4,5 МэВ такой барьер преодолеть не может. Однако благодаря своим волновым свойствам, а-частица такой барьер всё же преодолевает.

На энергетической диаграмме ядра можно выделить три области:

i" - сферическая потенциальная яма глубиной V. В классической механике а-частица с кинетической энергией E a +V 0 может двигаться в этой области, но не способна её покинуть. В этой области существует сильное взаимодействие между а-частицей и остаточным ядром.

R область потенциального барьера, в которой потенциальная энергия больше энергии а-частицы, т.е. это область, запрещённая для классической частицы.

7*>г е - область вне потенциального барьера. В квантовой механике возможно прохождение а-частицы сквозь барьер (туннелирование), однако вероятность этого весьма мала.

Теория туннелирования Гамова объяснила сильную зависимость периода полураспада а-излучающих нуклидов от энергии а-частицы. Однако величины периодов полураспада для многих ядер были предсказаны с большими погрешностями. Поэтому теория Гамова неоднократно усовершенствовалась. Была учтена, как возможность распада ядер с ненулевым орбитальным моментом, так и сильная деформация ядер (а-частицы охотнее вылетают вдоль большой оси эллипсоида, а средняя вероятность вылета отличается от таковой для сферического ядра) и т.п. В теории Гамова не учитывались структура состояний начального и конечного ядер и проблема образования а-частицы в ядре, вероятность которой полагалась равной 1. Для чётно-чётных ядер это приближение довольно хорошо описывает эксперимент. Однако если перестройка структуры исходных ядер в конечные заметно затруднена, то расчётные значения периодов полураспада могут измениться на два порядка.

Альфа-частица не существует в а-распадающемся ядре всё время, а с некоторой конечной вероятностью возникает на его поверхности перед вылетом. В поверхностном слое тяжёлых ядер существуют а-частичные группировки нуклонов, состоящие из двух протонов и двух нейтронов (a-кластеры). Известно, что а-распад идёт на 2-^4 порядка быстрее, когда а-частица образуется из нейтронных и протонных пар, по сравнению с распадом, когда а-частица образуется из неспаренных нуклонов. В первом случае а-распад называется благоприятным, и такими оказываются все a-переходы между основными состояниями чётно-чётных ядер. Во втором случае а-распад называется неблагоприятным.

1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.4. β-распад

1.4. Бета-распад.

Виды и свойства бета- распада. Элементы теории бета-распада. Радиоактивные семейства

Бета-распадом ядра называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар в результате испускания электрона (позитрона) или захвата электрона. Известно около 900 бета-радиоактивных ядер. Из них только 20 являются естественными, остальные получены искусственным путем.
Виды и свойства бета-распада

Существует три вида β -распада: электронный β – -распад, позитронный β + -распад и электронный захват(е -захват). Основным видом является первый.

При электронном β – -распаде один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино.

Примеры: распад свободного нейтрона

, Т 1/2 =11,7 мин;

распад трития

, Т 1/2 = 12 лет.

При позитронном β + -распаде один из протонов ядра превращается в нейтрон с испусканием положительно заряженного электрона (позитрона) и электронного нейтрино

. (1.41б)

Пример

·

Из сравнения периодов полураспада родоначальников семейств с геологическим временем жизни Земли (4,5 млрд. лет) видно, что в веществе Земли торий-232 сохранился почти весь, уран-238 распался примерно наполовину, уран-235 – большей частью, нептуний-237 практически весь.

Накопители тяжелых ионов открывают принципиально новые возможности в исследовании свойств экзотических ядер. В частности, они позволяют накапливать и в течение длительного времени использовать полностью ионизованные атомы – «голые» ядра. В результате становится возможным исследовать свойства атомных ядер, у которых нет электронного окружения и в которых отсутствует кулоновское воздействие внешней электронной оболочкис атомным ядром.

Рис. 3.2 Схема e-захвата в изотопе (слева) и полностью ионизованных атомах и (справа)

Распад на связанное состояние атома был впервые обнаружен в 1992 г. Наблюдался β - -распад полностью ионизованного атома на связанные атомные состояния . Ядро 163 Dy на N-Z диаграмме атомных ядер помечено черным цветом. Это означает, что оно является стабильным ядром. Действительно, входя в состав нейтрального атома, ядро 163 Dy стабильно. Его основное состояние (5/2 +) может заселятся в результате e-захвата из основного состояния (7/2 +) ядра 163 Ho. Ядро 163 Ho, окруженное электронной оболочкой,β - -радиоактивно и его период полураспада составляет ~10 4 лет. Однако это справедливо только если рассматривать ядро в окружении электронной оболочки. Для полностью ионизированных атомов картина принципиально другая. Теперь основное состояние ядра 163 Dy оказывается по энергии выше основного состояния ядра 163 Ho и открывается возможность для распада 163 Dy (рис. 3.2)

→ + e - + e .

(3.8)

Образующийся в результате распада электрон может быть захвачен на вакантную К или L-оболочку иона . В результате распад (3.8) имеет вид

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Энергии β-распадов на K и L-оболочки равны соответственно (50.3±1) кэВ и (1.7±1) кэВ. Для наблюдения распада на связанные состояния K- и L-оболочки в накопительном кольце ESR в GSI было накоплено 10 8 полностью ионизированных ядер . В течение времени накопления в результате β + -распада образовывались ядра (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Динамика накопления ионов: а - ток накопленных в накопительном кольце ESR ионов Dy 66+ во время разных стадий эксперимента, β- интенсивности ионов Dy 66+ и Ho 67+ , измеренные внешним и внутренним позиционно-чувствительными детекторами соответственно

Так как ионы Ho 66+ имеют практически то же отношение M/q, что и ионы первичного пучка Dy 66+ , они накапливаются на одной и той же орбите. Время накопления составляло ~ 30 мин. Для того, чтобы измерить период полураспада ядра Dy 66+ , накопленный на орбите пучок было необходимо очистить от примеси ионов Ho 66+ . Для очистки пучка от ионов в камеру инжектировалась аргоновая газовая струя плотностью 6·10 12 атом/см 2 , диаметром 3 мм, которая пересекала накопленный пучок ионов в вертикальном направлении. За счет того, что ионыHo 66+ захватывали электроны, они выбывали с равновесной орбиты. Очистка пучка проходила в течение приблизительно 500 с. После чего газовая струя перекрывалась и в кольце продолжали циркулировать ионы Dy 66+ и вновь образовавшиеся (после выключения газовой струи) в результате распада ионы Ho 66+ . Продолжительность этого этапа менялась от 10 до 85 мин. Детектирование и идентификация Ho 66+ базировались на том, что Ho 66+ можно еще сильнее ионизировать. Для этого на последнем этапе в накопительное кольцо снова инжектировалась газовая струя. Происходило обдирание последнего электрона с иона 163 Ho 66+ и в результате получался ион 163 Ho 67+ . Рядом с газовой струей располагался позиционно-чувствительный детектор, которым регистрировались выбывающие из пучка ионы 163 Ho 67+ . На рис. 3.4 показана зависимость числа образующихся в результате β-распада ядер 163 Ho от времени накопления. На вставке показано пространственное разрешение позиционно-чувствительного детектора.
Таким образом, накопление в пучке 163 Dy ядер 163 Ho явилось доказательством возможности распада

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Рис. 3.4. Отношение дочерних ионов 163 Ho 66+ к первичным 163 Dy 66+ в зависимости от времени накопления. На врезке пик 163 Ho 67+ , зарегистрированный внутренним детектором

Варьируя интервал времени между очисткой пучка от примеси Ho 66+ и временем регистрации вновь образующихся в пучке примеси ионов Ho 66+ , можно измерить период полураспада полностью ионизированного изотопа Dy 66+ . Оно оказалось равным ~0.1 года.
Аналогичный распад был обнаружен и для 187 Re 75+ . Полученный результат крайне важен для астрофизики. Дело в том, что нейтральные атомы 187 Re имеют период полураспада 4·10 10 лет и используются как радиоактивные часы. Период полураспада 187 Re 75+ составляет всего 33±2 года. Поэтому в астрофизические измерения необходимо вносить соответствующие поправки, т.к. в звездах 187 Re чаще всего находится в ионизированном состоянии.
Изучение свойств полностью ионизованных атомов открывает новое направление исследований экзотических свойств ядер, лишенных кулоновского воздействия внешней электронной оболочки.