Az atommagok alfa-bomlása során a tömegszám. A magtranszformációk típusai, alfa- és béta-bomlás. Izotópok: stabil és radioaktív

Az alfa- és béta-sugárzást általában radioaktív bomlásnak nevezik. Ez egy olyan folyamat, amely óriási sebességgel megy végbe a magból. Ennek eredményeként egy atom vagy izotópja egyik kémiai elemről a másikra változhat. Az instabil elemekre jellemző az atommagok alfa és béta bomlása. Ide tartozik minden olyan atom, amelynek töltésszáma nagyobb, mint 83, és tömegszáma nagyobb, mint 209.

A reakció bekövetkezésének feltételei

A bomlás, mint más radioaktív átalakulások, lehet természetes vagy mesterséges. Ez utóbbi valamilyen idegen részecske bejutása miatt következik be. Az, hogy egy atom mekkora alfa- és béta-bomláson megy keresztül, csak attól függ, hogy milyen gyorsan jön létre a stabil állapot.

Természetes körülmények között alfa és béta mínusz bomlás lép fel.

Mesterséges körülmények között a neutronok, pozitronok, protonok és más, ritkább típusú atommagok bomlásai és átalakulásai jelen vannak.

Ezeket a neveket olyan valaki adta, aki a radioaktív sugárzást tanulmányozta.

A stabil és instabil kernel közötti különbség

A bomlási képesség közvetlenül függ az atom állapotától. Az úgynevezett „stabil” vagy nem radioaktív mag a nem bomló atomokra jellemző. Elméletileg az ilyen elemek a végtelenségig megfigyelhetők, hogy végül ellenőrizzék a stabilitásukat. Erre azért van szükség, hogy elkülönítsék az ilyen magokat az instabiloktól, amelyek felezési ideje rendkívül hosszú.

Tévedésből egy ilyen „lelassult” atomot stabilnak tekinthetünk. Meglepő példa lehet azonban a tellúr, pontosabban annak 128-as izotópja, amelynek élettartama 2,2·10 24 év. Ez az eset nem elszigetelt. A lantán-138 felezési ideje 10-11 év. Ez az időszak harmincszor akkora, mint a létező univerzum.

A radioaktív bomlás lényege

Ez a folyamat véletlenszerűen megy végbe. Minden bomló radionuklid sebessége minden esetben állandó. A bomlás mértéke nem változhat külső tényezők hatására. Nem számít, hogy a reakció óriási gravitációs erő hatására, abszolút nullaponton, elektromos és mágneses térben, bármilyen kémiai reakció során stb. A folyamatot csak az atommag belsejének közvetlen befolyásolásával lehet befolyásolni, ami gyakorlatilag lehetetlen. A reakció spontán, és csak az atomtól, amelyben végbemegy, és annak belső állapotától függ.

Amikor radioaktív bomlásról beszélünk, gyakran használják a „radionuklid” kifejezést. Azok számára, akik nem ismerik, ez a szó olyan atomcsoportot jelent, amely radioaktív tulajdonságokkal, saját tömegszámmal, atomszámmal és energiaállapottal rendelkezik.

Különféle radionuklidokat használnak az emberi tevékenység műszaki, tudományos és egyéb területein. Például az orvostudományban ezeket az elemeket betegségek diagnosztizálására, gyógyszerek, műszerek és egyéb cikkek feldolgozására használják. Még számos terápiás és prognosztikai sugárterápiás gyógyszer is létezik.

Ugyanilyen fontos az izotóp meghatározása. Ez a szó egy speciális atomtípusra utal. Ugyanaz a rendszámuk, mint egy szabályos elemnek, de más a tömegszámuk. Ezt a különbséget a neutronok száma okozza, amelyek nem befolyásolják a töltést, mint a protonok és az elektronok, hanem megváltoztatják a tömeget. Például az egyszerű hidrogénben akár 3 is van. Ez az egyetlen elem, amelynek izotópjait nevezték el: deutérium, trícium (az egyetlen radioaktív) és protium. Más esetekben a neveket az atomtömeg és a főelem szerint adjuk meg.

Alfa bomlás

Ez egyfajta radioaktív reakció. A természeti elemek jellemzője a kémiai elemek periódusos rendszerének hatodik és hetedik periódusából. Különösen mesterséges vagy transzurán elemekhez.

Alfa-bomlásnak kitett elemek

A fémek, amelyekre ez a bomlás jellemző, a tórium, az urán és a hatodik és hetedik periódus egyéb elemei a kémiai elemek periódusos rendszeréből, a bizmuttól kezdve. A nehéz elemek izotópjait is alávetik az eljárásnak.

Mi történik a reakció során?

Az alfa-bomlás során 2 protonból és egy neutronpárból álló részecskék indulnak ki az atommagból. Maga a kibocsátott részecske egy hélium atom magja, tömege 4 egység, töltése +2.

Ennek eredményeként megjelenik egy új elem, amely a periódusos rendszerben az eredetitől két cellával balra helyezkedik el. Ezt az elrendezést az határozza meg, hogy az eredeti atom 2 protont és ezzel egyidejűleg a kezdeti töltést is elvesztette. Ennek eredményeként a keletkező izotóp tömege 4 tömegegységgel csökken a kezdeti állapothoz képest.

Példák

E bomlás során tórium képződik az uránból. A tóriumból a rádium, ebből a radon, amely végül polóniumot termel, és végül ólom. Ebben a folyamatban ezen elemek izotópjai keletkeznek, nem önmaguk. Tehát kapunk urán-238-at, tórium-234-et, rádium-230-at, radon-236-ot és így tovább, amíg egy stabil elem meg nem jelenik. Ennek a reakciónak a képlete a következő:

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

Az izolált alfa-részecske sebessége a kibocsátás pillanatában 12-20 ezer km/s. Vákuumban egy ilyen részecske 2 másodperc alatt megkerülné a Földet, az Egyenlítő mentén mozogva.

Béta bomlás

A részecske és az elektron közötti különbség a megjelenés helyén van. A béta-bomlás az atommagban történik, nem az azt körülvevő elektronhéjban. Az összes létező radioaktív átalakulás közül a leggyakoribb. Szinte minden jelenleg létező kémiai elemben megfigyelhető. Ebből az következik, hogy minden elemnek van legalább egy bomlásra érzékeny izotópja. A legtöbb esetben a béta-bomlás béta mínusz bomlást eredményez.

A reakció előrehaladása

A folyamat során egy elektron kilökődik az atommagból, ami egy neutron elektronná és protonná történő spontán átalakulása eredménye. Ebben az esetben a protonok nagyobb tömegük miatt az atommagban maradnak, és a béta mínusz részecskének nevezett elektron elhagyja az atomot. És mivel eggyel több proton van, maga az elem magja felfelé változik, és a periódusos rendszerben az eredetitől jobbra helyezkedik el.

Példák

A béta bomlása kálium-40-nel kalcium izotóppal alakul, amely a jobb oldalon található. A radioaktív kalcium-47-ből szkandium-47 lesz, amely stabil titán-47-té válhat. Hogy néz ki ez a béta-bomlás? Képlet:

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

A béta részecske emissziós sebessége a fénysebesség 0,9-szerese, ami 270 ezer km/sec.

A természetben nincs túl sok béta-aktív nuklid. Van jó néhány jelentőségteljes. Példa erre a kálium-40, amely természetesen csak 119/10 000-et tartalmaz. Szintén jelentős természetes béta-mínusz aktív radionuklidok az urán és tórium alfa- és béta-bomlási termékei.

A béta-bomlásnak van egy tipikus példája: a tórium-234, amely az alfa-bomlás során protaktinium-234-té alakul, majd ugyanígy uránná válik, de egy másik, 234-es izotóppal. Ez az urán-234 az alfa hatására ismét tóriummá válik. bomlás, de másfajta. Ebből a tórium-230-ból rádium-226 lesz, amely radonná alakul. És ugyanabban a sorrendben, talliumig, csak különböző béta átmenetekkel vissza. Ez a radioaktív béta-bomlás a stabil ólom-206 képződésével zárul. Ennek az átalakításnak a következő képlete van:

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

A természetes és jelentős béta-aktív radionuklidok a K-40 és a tallium-urán elemek.

Béta plusz bomlás

Létezik béta plusz átalakítás is. Pozitron béta-bomlásnak is nevezik. Ebben az atommagból egy pozitron nevű részecske bocsát ki. Az eredmény az eredeti elem átalakítása a bal oldali elemre, amelynek kisebb a száma.

Példa

Amikor az elektronok béta-bomlása megtörténik, a magnézium-23 a nátrium stabil izotópjává válik. A radioaktív európium-150 szamárium-150 lesz.

Az így létrejövő béta-bomlási reakció béta+ és béta-kibocsátást eredményezhet. A részecskekibocsátás sebessége mindkét esetben a fénysebesség 0,9-szerese.

Egyéb radioaktív bomlás

Az olyan reakciókon kívül, mint az alfa- és béta-bomlás, amelyek képlete széles körben ismert, vannak más, ritkább folyamatok is, amelyek a mesterséges radionuklidokra jellemzőek.

Neutron bomlás. 1 tömegegységnyi semleges részecske bocsát ki. Ezalatt az egyik izotóp egy másik kisebb tömegszámúvá alakul át. Példa erre a lítium-9 lítium-8-ra, a hélium-5-nek hélium-4-re való átalakítása.

Ha a jód-127 stabil izotópot gamma-sugárzással besugározzuk, 126-os izotópmá válik, és radioaktivitást kap.

Proton bomlás. Rendkívül ritka. Ezalatt egy protont bocsátanak ki, melynek töltése +1 és 1 tömegegység. Az atomtömeg egy értékkel csökken.

Bármilyen radioaktív átalakulást, különösen a radioaktív bomlást, gamma-sugárzás formájában felszabaduló energia kíséri. Ezeket gamma kvantumoknak nevezik. Egyes esetekben alacsonyabb energiájú röntgensugárzás figyelhető meg.

Ez a gamma-kvantumok folyama. Ez elektromágneses sugárzás, keményebb, mint a röntgensugárzás, amelyet az orvostudományban használnak. Ennek eredményeként megjelennek a gamma-kvantumok, vagyis az atommagból származó energiaáramlások. A röntgensugárzás szintén elektromágneses, de az atom elektronhéjaiból származik.

Alfa részecske tartomány

A 4 atomegység tömegű, +2 töltésű alfa-részecskék egyenes vonalban mozognak. Emiatt beszélhetünk az alfa részecskék tartományáról.

A tartomány értéke a kezdeti energiától függ, és a levegőben 3-7 (néha 13) cm között mozog. Sűrű környezetben századmilliméter. Az ilyen sugárzás nem tud áthatolni a papírlapon vagy az emberi bőrön.

Saját tömegének és töltésszámának köszönhetően az alfa részecske rendelkezik a legnagyobb ionizáló képességgel, és mindent elpusztít, ami az útjába kerül. Ebben a tekintetben az alfa radionuklidok a legveszélyesebbek az emberek és az állatok számára, amikor a testtel érintkeznek.

A béta részecskék áthatoló ereje

Kis tömegszáma, amely 1836-szor kisebb a protonnál, negatív töltése és mérete miatt a béta-sugárzás gyengén hat az anyagra, amelyen átrepül, de a repülés hosszabb. Ezenkívül a részecske útja nem lineáris. Ebben a tekintetben a behatolási képességről beszélnek, amely a kapott energiától függ.

A radioaktív bomlás során keletkező béta-részecskék behatolási képessége levegőben eléri a 2,3 m-t, a számítást centiméterben, a szilárd anyagokban pedig a centiméter töredékében kell elvégezni. Az emberi test szövetei 1,2 cm mélységig továbbítják a sugárzást. A béta-sugárzás elleni védelem érdekében egy 10 cm-ig terjedő egyszerű vízréteg szolgálhat A meglehetősen nagy, 10 MeV-os bomlási energiájú részecskék áramlását a következő rétegek szinte teljesen elnyelik: levegő - 4 m; alumínium - 2,2 cm; vas - 7,55 mm; ólom - 5,2 mm.

Kis méretükből adódóan a béta-sugárzás részecskéi alacsony ionizáló képességgel rendelkeznek az alfa-részecskékhez képest. Lenyelve azonban sokkal veszélyesebbek, mint külső expozíció esetén.

A neutron- és gamma-sugárzás jelenleg a legmagasabb behatolási sebességgel rendelkezik az összes sugárzástípus közül. Ezeknek a sugárzásoknak a hatótávolsága a levegőben néha eléri a tíz és száz métert, de alacsonyabb ionizációs jellemzőkkel.

A gamma-sugárzás legtöbb izotópjának energiája nem haladja meg az 1,3 MeV-ot. Ritkán érik el a 6,7 ​​MeV értéket. Ebben a tekintetben az ilyen sugárzás elleni védelem érdekében acél-, beton- és ólomrétegeket használnak a csillapítási tényezőként.

Például a kobalt gamma-sugárzás tízszeres csillapításához körülbelül 5 cm vastagságú ólomvédelem szükséges a 100-szoros csillapításhoz, a betonvédelem 33 és 55 cm, a vízvédelem pedig 70 és 115 cm cm.

A neutronok ionizáló tulajdonságai energiaparamétereiktől függenek.

Minden helyzetben a legjobb védekezési módszer a sugárzás ellen az lesz, ha a lehető legtávolabb tartózkodunk a forrástól, és a lehető legkevesebb időt töltünk magas sugárzású területen.

Az atommagok hasadása

Az atomok alatt azt értjük, hogy spontán, vagy neutronok hatására két, nagyjából egyenlő méretű részre oszthatók.

Ez a két rész az elemtáblázat fő részéből az elemek radioaktív izotópjává válik. A réztől a lantanidokig indulnak.

A felszabadulás során pár plusz neutron távozik, és gamma-sugarak formájában többletenergia jelenik meg, ami sokkal nagyobb, mint a radioaktív bomlás során. Így egy radioaktív bomlási aktus során egy gamma-kvantum, a hasadás során pedig 8,10 gamma-kvantum jelenik meg. Ezenkívül a szétszórt töredékek nagy kinetikus energiával rendelkeznek, amely hőmutatókká alakul.

A felszabaduló neutronok egy pár hasonló atommag szétválását idézhetik elő, ha a közelben helyezkednek el és a neutronok eltalálják őket.

E tekintetben lehetőség van az atommagok szétválásának elágazó, gyorsuló láncreakciójára, és nagy mennyiségű energia keletkezésére.

Ha egy ilyen láncreakció ellenőrzés alatt áll, bizonyos célokra felhasználható. Például fűtésre vagy villanyra. Ilyen folyamatokat atomerőművekben és reaktorokban hajtanak végre.

Ha elveszíti az irányítást a reakció felett, atomrobbanás következik be. Ezt használják a nukleáris fegyverekben.

Természetes körülmények között csak egy elem van - az urán, amelynek egyetlen hasadó izotópja van, 235-ös számmal. Fegyverminőségű.

Egy közönséges urán atomreaktorban a 238-as uránból neutronok hatására új, 239-es számú izotóp képződik, ebből pedig a mesterséges, a természetben nem előforduló plutónium. Ebben az esetben a kapott plutónium-239-et fegyvercélokra használják fel. Az atommagok hasadási folyamata minden atomfegyver és energia lényege.

Korunkban széles körben elterjedtek az olyan jelenségek, mint az alfa- és a béta-bomlás, amelyek képletét az iskolában tanulmányozzák. Ezeknek a reakcióknak köszönhetően léteznek atomerőművek és sok más nukleáris fizikán alapuló iparág. Nem szabad azonban megfeledkezni ezen elemek közül sok radioaktivitásáról. A velük végzett munka során különleges védelemre és minden óvintézkedés betartására van szükség. Ellenkező esetben helyrehozhatatlan katasztrófához vezethet.

A modern kémiai fogalmak szerint az elem azonos nukleáris töltéssel rendelkező atom, amely az elem sorozatszámában tükröződik a D.I. táblázatban. Mengyelejev. Az izotópok különbözhetnek a neutronok számában és ennek megfelelően az atomtömegben, de mivel a pozitív töltésű részecskék - protonok - száma azonos, fontos megérteni, hogy ugyanarról az elemről beszélünk.

Egy proton tömege 1,0073 amu. (atomi tömegegységek) és a töltés +1. Az elektromos töltés mértékegysége egy elektron töltése. Egy elektromosan semleges neutron tömege 1,0087 amu. Egy izotóp megjelöléséhez meg kell adni az atomtömeget, ami az összes proton és neutron összege, valamint az atommag töltését (a protonok számát, vagy ami ugyanaz, az atomszámot). Az atomtömeget, más néven nukleonszámot vagy nukleont általában az elemszimbólum bal felső sarkába írják, az atomszámot pedig a bal alsóba.

Hasonló jelölési formát használnak az elemi részecskék esetében is. Így az elektronokból álló és elhanyagolhatóan kis tömegű β-sugarakhoz -1 töltést (alul) és 0 tömegszámot (fent) rendelnek. Az α-részecskék pozitív, kétszeres töltésű héliumionok, ezért a „He” szimbólummal jelöljük, 2-es nukleáris töltéssel és 4-es tömegszámmal. A p n proton relatív tömegét 1-nek vesszük, töltéseiket pedig: rendre 1 és 0.

Az elemek izotópjainak általában nincs külön neve. Az egyetlen kivétel a hidrogén: 1-es tömegszámú izotópja a protium, 2 a deutérium, 3 a trícium. A speciális elnevezések bevezetése annak köszönhető, hogy a hidrogénizotópok tömegében a lehető legnagyobb mértékben különböznek egymástól.

Izotópok: stabil és radioaktív

Az izotópok stabilak és radioaktívak. Az előbbiek nem bomlanak le, ezért eredeti formájukban őrzik meg a természetben. Stabil izotópok például a 16 atomtömegű oxigén, a 12 atomtömegű szén, a 19 atomtömegű fluor. A legtöbb természetes elem több stabil izotóp keveréke.

A radioaktív bomlás típusai

A természetes és mesterséges radioaktív izotópok spontán bomlanak az α vagy β részecskék kibocsátásával, és stabil izotópot képeznek.

Háromféle spontán nukleáris átalakulásról beszélnek: α-bomlásról, β-bomlásról és γ-bomlásról. Az α-bomlás során az atommag két protonból és két neutronból álló α-részecskét bocsát ki, aminek következtében az izotóp tömegszáma 4-gyel, az atommag töltése pedig 2-vel csökken. A rádium például radonná bomlik. és hélium ion:

Ra(226,88)→Rn(222,86)+He(4,2).

A béta-bomlás során az instabil atommag neutronja protonná alakul, és az atommag egy béta-részecskét és egy antineutrínót bocsát ki. Az izotóp tömegszáma nem változik, de az atommag töltése 1-gyel nő.

A γ bomlás során a gerjesztett mag rövid hullámhosszú γ sugárzást bocsát ki. Ebben az esetben az atomenergia csökken, de a magtöltés és a tömegszám változatlan marad.

Alfa bomlás(a-bomlás) - az atommagok radioaktív bomlásának egy fajtája, amikor egy alfa-részecske kibocsátása esetén az atommag töltése 2 egységgel, a tömegszám 4-gyel csökken. Az alfa-bomlás a nagy rendszámú radioaktív elemekre jellemző. Z.

Rizs. 1. Az a-bomlás sematikus ábrázolása.

Az alfa-bomlás az atommag spontán átalakulása a protonok számával Zés neutronok N egy másik protonszámot tartalmazó (leány)magba Z-2 és neutronok N- 2. Ebben az esetben egy alfa részecske kerül kibocsátásra - egy hélium atom magja 4//^+.

Az eredeti mag a-bomlása során a keletkező mag rendszáma két egységgel, a tömegszám pedig 4 egységgel csökken a séma szerint:

Az a-bomlás példái közé tartozik az urán-238 izotóp bomlása:

(eközben a tóriummag és az alfa-részecske 0,07 MeV és 4,18 MeV kinetikus energiákkal repül el) és a rádium-226:

Itt lép életbe a Faience és Soddy által megfogalmazott eltolási szabály: egy másik elemből a-sugarak kibocsátásával képzett elem a periódusos rendszerben az eredeti elemtől két csoporttal balra helyezkedik el.

A magok instabilitásának mértékét a felezési idő értéke jellemzi - az az időtartam, amely alatt az adott radioaktív izotóp magjainak fele elbomlik. A legtöbb radioaktív izotóp összetett bomlási mintázatú. Ilyen esetekben a diagramokon az ilyen típusú sugárzás százalékos aránya látható az átmenetek teljes számához viszonyítva (1. és 2. ábra).

Rizs. 2. 230 Th. bomlásának sémája.

Összes a-bomlási energia:

Ahol E a- az a-részecske energiája, E tl a visszapattanó atom energiája, az R„shb pedig a leánymag gerjesztési energiája.

Világosabb egyenletes nuklidokhoz (L

Az alfa-részecskék kinetikus energiája az alfa-bomlás során (E és) a kezdeti és a végső mag és az alfa-részecske tömege határozza meg. Ez az energia valamelyest csökkenhet, ha a végső mag gerjesztett állapotban jön létre, és éppen ellenkezőleg, enyhén növekedhet, ha az alfa-részecskét kibocsátó magot gerjesztették (az ilyen megnövekedett energiájú alfa-részecskéket nagy hatótávolságúnak nevezzük). Az a-bomlás energiája azonban minden esetben mindig összefügg a kiindulási és végső magok tömegeinek és gerjesztési szintjeinek különbségével, ezért a kibocsátott a-részecskék spektruma mindig nem folytonos, hanem vonalas.

Az a-bomlás során felszabaduló energia

Ahol Ma és M A -4 - az anya- és leánymagok tömegei, M a - egy részecske tömege. Energia E az a-részecske és a leánymag között tömegükkel fordított arányban oszlik meg, ahonnan az a-részecskék energiája:

Visszarúgási energia:

A leánymag visszarúgási energiája általában körülbelül.1 MeV tartományba esik, ami több milliméteres levegőben való utazási hossznak felel meg.

Földi körülmények között körülbelül 40 a-radioaktív izotóp létezik. Három radioaktív sorozatba vannak egyesítve, amelyek 2 3 6 U ( A = 477), 2 3 8 U (A = 477+2), 2 35U ( A = 477+3). Ezek feltételesen (mivel ennek a sorozatnak az izotópjai a Föld fennállása alatt sikerült lebomlani) tartalmazhatják a negyedik sorozatot, amely 2 3?Np-vel kezdődik (A = 477+1). Egy sor egymást követő bomlás után stabil atommagok jönnek létre, amelyekben a protonok és neutronok száma megközelíti vagy egyenlő a mágikus számokkal (Z = 82, N = 126), rendre 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2 ° 7 Pb, 2 ° 9Bi. Az aktív magok élettartama től Yu 17év (2 °4Рь) ig 3* 7 s (212 Rho). A hosszú életű nuklidok 2 Ce, *44Ne, 17 4Hf, felezési ideje

(2+5) 10*5 év.

Rizs. 3. Kis forrásból származó a-sugarak lapos nyalábjai: a - 210 Po forrás, az a-sugarak egy csoportja; b - forrás 227 Th, két csoport hosszúságban közeli ösvényekkel; c - forrás 2u Bi+ 2n Po, két 211Р0 a-részecske látható; d - ~ 8 Th forrása bomlástermékeivel ^Ra, 2 3-Th, 21b Po, 212 Bi+ 212 Po 6 csoport.

Alfa-bomlás akkor lehetséges, ha az alfa-részecske kötési energiája az anyamaghoz viszonyítva negatív. Ahhoz, hogy az atommag a-radioaktív legyen, egy feltételnek kell teljesülnie, ami az energiamegmaradás törvényének következménye.

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

Ahol M(A,Z)És M(A- 4,Z-2) a kezdeti és a végső mag nyugalmi tömege, M a- az a-részecske tömege. Ebben az esetben a bomlás következtében a végső mag és az alfa részecske teljes kinetikus energiát kap. E.

Az alfa-részecskék kinetikus energiája 1,83 MeV (*44Nd) és 11,65 MeV (212 m Po-izomer) között változik. Az alapállapotból a nehéz rami által kibocsátott alfa-részecskék energiája 4+9 MeV, a ritkaföldfém elemeké pedig 2+4,5 MeV. Egy tipikus energiájú a-részecske tartománya E a =6 MeV normál körülmények között levegőben -5 cm, A1-ben ~0,05 mm.

Rizs. 4. Plutónium-izotópok kísérleti a-spektruma.

Az anyamag bomlása során keletkező részecskék spektruma gyakran több monoenergetikai vonalból áll, amelyek megfelelnek a leánymag különböző energiaszintjei felé történő kvantumátmeneteknek.

Mivel az a-részecskének nincs spinje, a kiválasztási szabály a szögimpulzusra vonatkozik I-L A megfelelő természetvédelmi törvényekből következő paritás pedig egyszerűnek bizonyul. Perdület L vagy-részecskék értéke a következő tartományban lehet:

ahol /, és Ha- magok (anya és lánya) kezdeti és végső állapotának szögmomentumai. Ebben az esetben csak L páros értékei megengedettek, ha mindkét állapot paritása egybeesik, és páratlan értékei, ha a paritások nem esnek egybe.

Rizs. 5. lg-függőség T tól től E a "1/2 a polónium, radon és rádium egyenletes izotópjaihoz.

Az a-bomlás egyik tulajdonsága, hogy a kibocsátott „-részecskék energiája és a „-radioaktív atommagok felezési ideje” között van egy bizonyos, sőt nagyon erős függés. Az alfa részecskék energiájának kismértékű változásával a felezési idők (T) sok nagyságrenddel változnak. Tehát 2 з 2 ТЪ?„=4,08 MeV, 7=1,41 10 yu l és 2l8 Th E a = 9,85 MeV, T=yu μs. Az energia megduplázódása a felezési idő 24 nagyságrendű változásának felel meg.

Egy elem páros-páros izotópjainál a felezési idő függését az a-bomlási energiától jól leírja az összefüggés (Geiger-Nettall törvény):

ahol Ci és c 2 olyan állandók, amelyek gyengén függenek Z-től.

A bomlási állandóra a Geiger-Netall törvény alakja:

Ahol binb 2 -állandók, és b 2 -általános, és b- egyéni minden természetes sorozathoz, R- egy alfa-részecske úthossza a levegőben, E a - a-részecske energia.

Az ilyen jellegű függőséget 1912-ben G. Geiger és J. Netall empirikusan állapította meg, és 1928-ban G. Gamow elméletileg alátámasztotta az alagút átmeneten keresztül végbemenő a-bomlási folyamat kvantummechanikai vizsgálata eredményeként. Az elmélet jól leírja a páros-páros atommagok alapállapotai közötti átmeneteket. A páratlan, páros és páratlan magok esetében az általános tendencia megmarad, de felezési idejük 2-1000-szer hosszabb, mint a páros-páros magoknál adott Z ill. E a.

Az α-radioaktivitás prevalenciáját nagymértékben meghatározza az ilyen atommagok élettartamának erős függése a bomlási energiájuktól. Ez az energia akkor pozitív, ha a felezési idő a kg 12 secT = 10 1v éves tartományon belül van 1 g c izotóp aktivitása A=200 csak 1,810 m2 Ci).

Olyan elemek izotópjaihoz, amelyek Z

Több mint 200 a-aktív atommag ismert, amelyek főleg a periódusos rendszer végén, az ólom mögött (Z>82) helyezkednek el, ami a protonmaghéj kitöltését Z=82-vel teszi teljessé. Az alfa-bomlás összefügg

A Coulomb-taszítás, amely az atommagok méretének gyorsabb növekedésével növekszik (Z 2-ként), mint a magvonzó erők, amelyek lineárisan nőnek az A tömegszám növekedésével.

Rizs. 6. A polóniumtól (Z=84) a fermiumig (Z=ioo) terjedő elemek izotópjainak a-bomlási energiájának függősége a magokban lévő neutronok számától.

A ritkaföldfémek (A=i40-ri6o) körülbelül 20 a-radioaktív izotópja is létezik. Itt az a-bomlás a legjellemzőbb a -val rendelkező magokra N= 84, amely az alfa-részecskék kibocsátásakor neutronhéjjal ellátott atommagokká alakul (N= 82). A ritkaföldfém és a nehéz atommagok közötti résben is található egy kis csoport α-kibocsátó, és több α-kibocsátó neutronhiányos atommag is található A~-vel.

Az a-aktív atommagok élettartama nagyon változó: 3-10" sec (2,2 Po esetén) a (2-5)-10*5 l-ig (természetes izotópok '4 2 Ce, * 44 Nd, WHO. Energia a- A bomlás a 44-9 MeV tartományba esik (kivéve a nagy hatótávolságú a-részecskék esetét) minden nehéz atommag esetében, és 24-4,5 MeV a ritkaföldfém-elemek esetében A Z = 84. -100-as elemek a 6. ábrán láthatók.

Az α-bomlás elméletében azt feltételezik, hogy az anyamag potenciális kút az α-részecskék számára, amelyet potenciálgát korlátoz. Az alfa-részecske energiája az atommagban nem elegendő ennek a gátnak a leküzdésére. Az alfa-részecske kiszökése a magból csak az alagúthatásnak nevezett kvantummechanikai jelenségnek köszönhető. A kvantummechanika szerint nem nulla a valószínűsége annak, hogy egy részecske áthalad egy potenciálgát. Az alagút jelensége valószínűségi jellegű.

Alagút hatás(alagút) - potenciálgát leküzdése mikrorészecskével abban az esetben, ha összenergiája (amely az alagút során változatlan marad) kisebb, mint a gát magassága. Alagút hatás - a kvantumtermészet jelensége, amely a klasszikus mechanikában lehetetlen; A hullámoptikában az alagúteffektus analógja lehet a fényhullám behatolása a visszaverő közegbe olyan körülmények között, ahol a geometriai optika szempontjából teljes belső visszaverődés jön létre. Az alagúthatás jelensége számos fontos atom- és molekulafizikai folyamat hátterében áll, V az atommag fizikája, szilárdtest, stb. Végső soron az alagútépítést egy bizonytalansági kapcsolat magyarázza.

Rizs. 7.

Az α bomlás valószínűségét és az α részecske energiájától és az atommag töltésétől való függését meghatározó fő tényező a Coulomb-gát. Az α-bomlás legegyszerűbb elmélete egy α-részecske mozgásának leírásában rejlik egy potenciálkútban, korláttal (7. ábra). Mivel az alfa-részecskék energiája 5-6 MeV, a Coulomb-gát magassága pedig a nehéz atommagoknál 254-30 MeV, az alfa-részecske kiszökése az atommagból csak az alagúthatás miatt következhet be, aminek a valószínűsége a gát permeabilitása határozza meg. Az α bomlás valószínűsége exponenciálisan függ az α részecske energiájától.

ábrán. A 7. ábra egy alfa-részecske és a maradék maggal való kölcsönhatás potenciális energiájának függését mutatja a központok távolságától függően. A Coulomb-potenciál távolról le van vágva R, amely megközelítőleg megegyezik a maradék mag sugarával. A Coulomb-gát magassága egyenesen arányos az atommag töltésével, az alfa részecske töltésével és fordítottan arányos R=r(A 1/s, r 0 - magsugár. Elég jelentős, például 2 g esetében a Coulomb-gát magassága 30 MeV, ezért a klasszikus koncepciók szerint egy 4,5 MeV energiájú alfa-részecske nem képes leküzdeni egy ilyen gátat. Hullámtulajdonságai miatt azonban az a-részecske még mindig legyőzi ezt a gátat.

Az atomenergia diagramon három régió különböztethető meg:

i" - gömbpotenciál mélységgel V. A klasszikus mechanikában mozgási energiájú a-részecske E a +V 0 mozoghat ezen a területen, de nem tudja elhagyni. Ebben a régióban erős kölcsönhatás van az alfa részecske és a maradék mag között.

R a potenciálgát azon tartománya, amelyben a potenciális energia nagyobb, mint az alfa részecske energiája, azaz. ez egy klasszikus részecske számára tiltott terület.

7*>r e - potenciálkorláton kívüli terület. A kvantummechanikában előfordulhat, hogy egy alfa-részecske átjut egy gáton (alagút), de ennek nagyon kicsi a valószínűsége.

Gamow alagútelmélete megmagyarázta, hogy az α-kibocsátó nuklidok felezési ideje erősen függ az α részecske energiájától. Azonban sok mag felezési idejét nagy hibával jósolták meg. Ezért Gamow elméletét többször is javították. Figyelembe vették a nullától eltérő orbitális impulzusú magok bomlásának lehetőségét és az atommagok erős deformációját (az a-részecskék könnyebben távoznak az ellipszoid főtengelye mentén, és a szökés átlagos valószínűsége eltér a gömb alakú magétól ), stb. Gamow elmélete nem vette figyelembe a kiindulási és végső magok állapotának szerkezetét, valamint az alfa-részecske kialakulásának problémáját az atommagban, amelynek valószínűségét 1-gyel egyenlőnek feltételezték. ez a közelítés elég jól leírja a kísérletet. Ha azonban a kezdeti magok szerkezetének átstrukturálása a végső magokká észrevehetően nehéz, akkor a felezési idők számított értékei két nagyságrenddel változhatnak.

Az alfa-részecske nem mindig létezik az α-bomló magban, hanem bizonyos véges valószínűséggel megjelenik a felszínén, mielőtt elhagyná. A nehéz atommagok felszíni rétegében a-részecske-nukleoncsoportok találhatók, amelyek két protonból és két neutronból állnak (a-klaszterek). Ismeretes, hogy az a-bomlás 2-4 nagyságrenddel gyorsabban megy végbe, ha a-részecske neutron- és protonpárokból képződik, mint az a-részecske párosítatlan nukleonokból történő bomlása. Az első esetben az a-bomlást kedvezőnek nevezzük, és a páros-páros atommagok alapállapotai között minden a-átmenet ilyennek bizonyul. A második esetben az a-bomlást kedvezőtlennek nevezzük.

1. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA 1.4. β bomlás

1.4. Béta bomlás.

A béta-bomlás típusai és tulajdonságai. A béta-bomlás elméletének elemei. Radioaktív családok

Béta bomlás Az atommag egy instabil atommag spontán átalakulásának folyamata izobár atommaggá elektron (pozitron) kibocsátása vagy elektron befogása következtében. Körülbelül 900 béta radioaktív mag ismert. Ebből csak 20 természetes, a többit mesterségesen nyerik.
A béta-bomlás típusai és tulajdonságai

Három típusa van β -bomlás: elektronikus β – -romlás, pozitronikus β + -bomlás és elektronbefogás ( e-elfog). A fő típus az első.

Nál nél elektronikus β – -hanyatlás az atommag egyik neutronja egy elektron és egy elektron antineutrínó kibocsátásával protonná alakul.

Példák: szabad neutronbomlás

, T 1/2 = 11,7 perc;

trícium bomlás

, T 1/2 = 12 év.

Nál nél pozitron β + -hanyatlás az atommag egyik protonja pozitív töltésű elektron (pozitron) és elektronneutrínó kibocsátásával neutronná alakul

. (1,41b)

Példa

·

A családok őseinek felezési idejét a Föld geológiai élettartamával (4,5 milliárd év) összevetve egyértelmű, hogy a tórium-232 szinte teljes mennyisége megmaradt a Föld anyagában, az urán-238 kb. fele, urán-235 - többnyire, neptunium-237 szinte az összes.

A nehézion-tároló eszközök alapvetően új lehetőségeket nyitnak meg az egzotikus atommagok tulajdonságainak vizsgálatában. Különösen lehetővé teszik a teljesen ionizált atomok - „csupasz” atommagok - felhalmozódását és hosszú távú felhasználását. Ennek eredményeként lehetővé válik olyan atommagok tulajdonságainak tanulmányozása, amelyeknek nincs elektronikus környezetük, és amelyekben nincs Coulomb-effektus a külső elektronhéjnak az atommaggal.

Rizs. 3.2 Az e-capture sémája izotópban (balra) és teljesen ionizált atomokban és (jobbra)

Az atom kötött állapotba való bomlását először 1992-ben fedezték fel. Egy teljesen ionizált atom β-bomlását kötött atomos állapotokba figyelték meg. A 163 Dy mag feketével van jelölve az atommagok N-Z diagramján. Ez azt jelenti, hogy ez egy stabil mag. Valójában, mivel egy semleges atom része, a 163 Dy atommag stabil. Alapállapota (5/2+) a 163 Ho mag alapállapotából (7/2+) e-capture eredményeként benépesíthető. Az elektronhéjjal körülvett 163 Ho atommag β - radioaktív, felezési ideje ~10 4 év. Ez azonban csak akkor igaz, ha figyelembe vesszük az elektronhéjjal körülvett atommagot. A teljesen ionizált atomok esetében a kép alapvetően más. Most a 163 Dy atommag alapállapota nagyobb energiájú, mint a 163 Ho atommag alapállapota, és megnyílik a lehetőség a 163 Dy bomlására (3.2. ábra).

→ + e - + e .

(3.8)

A bomlásból származó elektron befogható az ion üres K vagy L héjába. Ennek eredményeként a bomlás (3.8) alakja

→ + e - + e (kötött állapotban).

A β-bomlás energiája a K és L héjba (50,3±1) keV, illetve (1,7±1) keV. A K- és L-héj kötött állapotokká való bomlásának megfigyelésére 108 teljesen ionizált magot halmoztunk fel a GSI ESR tárológyűrűjében. A felhalmozódási idő alatt a β + bomlás következtében magok keletkeztek (3.3. ábra).

Rizs. 3.3. Az ionakkumuláció dinamikája: a - a kísérlet különböző szakaszaiban az ESR tárológyűrűben felhalmozódott Dy 66+ ionok árama, a Dy 66+ és Ho 67+ ionok β- intenzitása, külső és belső helyzetérzékeny detektorokkal mérve.

Mivel a Ho 66+ ionok M/q aránya gyakorlatilag megegyezik a primer Dy 66+ nyaláb ionjaival, ugyanazon a pályán halmozódnak fel. A felhalmozódási idő ~30 perc volt. A Dy 66+ mag felezési idejének mérése érdekében a pályán felgyülemlett nyalábot meg kellett tisztítani a Ho 66+ ionok keverékétől. A nyaláb ionoktól való megtisztításához 6·10 12 atom/cm 2 sűrűségű, 3 mm átmérőjű argongázsugarat fecskendeztünk a kamrába, amely függőleges irányban keresztezte a felgyülemlett ionnyalábot. Mivel a Ho 66+ ionok befogták az elektronokat, elhagyták az egyensúlyi pályát. A gerendát körülbelül 500 másodpercig tisztították. Ezt követően a gázáramot blokkolták, és a bomlás eredményeként (a gázáram kikapcsolása után) újonnan képződött Dy 66+ és Ho 66+ ionok tovább keringtek a gyűrűben. Ennek a szakasznak az időtartama 10 és 85 perc között változott. A Ho 66+ kimutatása és azonosítása azon alapult, hogy a Ho 66+ tovább ionizálható. Ehhez az utolsó szakaszban ismét gázsugarat fecskendeztek be a tárológyűrűbe. Az utolsó elektront leválasztották a 163 Ho 66+ ionról, ami a 163 Ho 67+ iont eredményezte. A gázsugár mellett egy helyzetérzékeny detektor kapott helyet, amely rögzítette a nyalábból távozó 163 Ho 67+ iont. ábrán. A 3.4. ábra a β-bomlás eredményeként kialakult 163 Ho-mag számának a felhalmozódási időtől való függését mutatja be. A betét a helyzetérzékeny detektor térbeli felbontását mutatja.
Így a 163 Ho mag felhalmozódása a 163 Dy nyalábban a bomlás lehetőségének bizonyítéka volt.

→ + e - + e (kötött állapotban).

Rizs. 3.4. A leányionok 163 Ho 66+ és a primer 163 Dy 66+ aránya a felhalmozódási idő függvényében. A betétben a 163 Ho 67+ csúcs, amelyet a belső detektor rögzített

A nyaláb Ho 66+ szennyeződéstől való megtisztítása és a sugárban újonnan képződött Ho 66+ ionok rögzítésének időpontja közötti időintervallum változtatásával megmérhető a teljesen ionizált Dy 66+ izotóp felezési ideje. Kiderült, hogy ~0,1 év.
Hasonló bomlást fedeztek fel a 187 Re 75+ esetében is. A kapott eredmény rendkívül fontos az asztrofizika számára. A helyzet az, hogy a semleges 187 Re atomok felezési ideje 4·10 10 év, és radioaktív óraként használják őket. A 187 Re 75+ felezési ideje mindössze 33±2 év. Ezért szükséges az asztrofizikai mérések megfelelő korrekciója, mert A csillagokban a 187 Re leggyakrabban ionizált állapotban van.
A teljesen ionizált atomok tulajdonságainak tanulmányozása új irányt nyit a külső elektronhéj Coulomb-hatásától megfosztott atommagok egzotikus tulajdonságainak kutatásában.