Alfa razpad(a-razpad) - vrsta radioaktivnega razpada atomskih jeder, ko se odda delec alfa, se naboj jedra zmanjša za 2 enoti, masno število - za 4. Alfa razpad je značilen za radioaktivne elemente z velikim atomom številka Z.
riž. 1. Shematski prikaz a-razpada.
Alfa razpad je spontana transformacija atomskega jedra s številom protonov Z in nevtroni n v drugo (hčerinsko) jedro, ki vsebuje število protonov Z-2 in nevtroni N- 2. V tem primeru se izseva a-delec - jedro atoma helija 4//^+.
Pri a-razpadu prvotnega jedra se atomsko število nastalega jedra zmanjša za dve enoti, masno število pa za 4 enote, po shemi:
Primeri a-razpada so razpad izotopa urana-238:
(med tem razpadom se jedro torija in a-delec razletita s kinetičnima energijama 0,07 MeV in 4,18 MeV) in radij-226:
Tu se kaže pravilo premika, ki sta ga oblikovala Fajans in Soddy: element, ki nastane iz drugega elementa med oddajanjem a-žarkov, zavzame mesto v periodnem sistemu dve skupini levo od prvotnega elementa.
Stopnja nestabilnosti jeder je označena z vrednostjo razpolovne dobe - časovnega obdobja, v katerem razpade polovica jeder danega radioaktivnega izotopa. Večina radioaktivnih izotopov ima zapletene vzorce razpada. V takšnih primerih je na diagramih prikazan odstotek te vrste sevanja glede na skupno število prehodov (sl. 1 in 2).
riž. 2. Shema razpada 230 Th.
Skupna energija a-razpada:
Kje E a je energija a-delca, E tl je energija povratnega atoma in Rnshb je energija vzbujanja hčerinskega jedra.
Za lažje sode nuklide (L
Kinetična energija a-delcev med alfa razpadom (E in) določajo mase začetnega in končnega jedra ter a-delcev. Ta energija se lahko nekoliko zmanjša, če končno jedro nastane v vzbujenem stanju, in se, nasprotno, nekoliko poveča, če je bilo jedro, ki oddaja a-delec, vzbujeno (takšne a-delce s povečano energijo imenujemo dolgo dosega). Vendar je v vseh primerih energija a-razpada vedno povezana z masno razliko in stopnjami vzbujanja začetnega in končnega jedra, zato spekter emitiranih a-delcev vedno ni zvezen, ampak črtast.
Energija, ki se sprosti med a-razpadom
Kje Ma in M A -4 sta masi matičnega in hčerinskega jedra, M a - maso a-delca. Energija E se razdeli med a-delec in hčerinsko jedro v obratnem sorazmerju z njunima masama, od koder izvira energija a-delcev:
Odbojna energija:
Odbojna energija hčerinskega jedra je običajno v območju 0,1 MeV, kar ustreza poti v zraku, ki je enaka nekaj milimetrov.
V zemeljskih razmerah je približno 40 a-radioaktivnih izotopov. Združeni so v tri radioaktivne vrstice, ki se začnejo z 2 3 6 U ( A = 477), 2 3 8 U (A = 477+2), 2 35U ( A = 477+3). Lahko jih pogojno (ker so izotopi te serije imeli čas za razpad med obstojem Zemlje), vključujejo četrto serijo, ki se začne z 2 3?Np (L = 477+1). Po seriji zaporednih razpadov se oblikujejo stabilna jedra s številom protonov in nevtronov, ki je blizu ali enako magičnim številom (Z=82, N=126) oziroma 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2° 7 Pb, 2° 9Bi . Življenjske dobe "-aktivnih jeder ležijo v območju od yu 17 leta (2 °4Pb) do 3.* 7 s (212 Rho). Nuklidi in 2 Ce, *44Ne, 17 4Hf so dolgoživi, njihov razpolovni čas pa
(2+5) 10*5 let.
riž. 3. Ploščati žarki a-žarkov iz vira majhnih velikosti: a - vir 210 Rho, ena skupina a-žarkov; b - 227 Th vir, dve skupini z razponi blizu dolžine; c - vir 2u Bi+ 2n Po, vidna sta dva a-delca 211P0; d - vir ~ 8 Th z njegovimi razpadnimi produkti ^Ra, 2 3-Th, 21b Po, 212 Bi+ 212 Po 6 skupine.
Alfa razpad je možen, če je vezavna energija a-delca glede na starševsko jedro negativna. Da bi bilo jedro a-radioaktivno, mora biti izpolnjen pogoj, ki je posledica zakona o ohranitvi energije.
M (a?) >M(A-4^-2) + M a, (9)
Kje M(A,Z) in M(A- 4,Z-2) mase mirovanja začetnega oziroma končnega jedra, M a je masa a-delca. V tem primeru zaradi razpada končno jedro in a-delec pridobita skupno kinetično energijo E.
Kinetične energije a-delcev se gibljejo od 1,83 MeV (*44Nd) do 11,65 MeV (izomer 212n Po). Energija a-delcev, ki jih oddajajo težki okvirji iz osnovnih stanj, je 4 + 9 MeV, tista, ki jo oddajajo elementi redkih zemelj, pa 2 + 4,5 MeV. Domet a-delca s tipično energijo E a = 6 MeV je -5 cm v zraku pri normalnih pogojih in ~ 0,05 mm v A1.
riž. 4. Eksperimentalni a-spekter plutonijevih izotopov.
Spekter -delcev, ki izhajajo iz razpada matičnega jedra, je pogosto sestavljen iz več monoenergijskih linij, ki ustrezajo kvantnim prehodom na različne energijske ravni hčerinskega jedra.
Ker a-delec nima spina, izbira gibalne količine I-L in pariteta, ki izhajata iz pripadajočih ohranitvenih zakonov, se izkažeta za preprosta. kotni moment L ali-delci lahko zavzamejo vrednosti v intervalu:
kjer je /, in če- momenti začetnega in končnega stanja jeder (starša in otroka). V tem primeru so dovoljene le sode vrednosti L, če paritete obeh stanj sovpadajo, in lihe, če paritete ne sovpadajo.
riž. 5. Odvisnost lg T od E a "1/2 za sodo-sode izotope polonija, radona in radija.
Lastnost a-razpada je prisotnost določene in poleg tega zelo močne odvisnosti med energijo emitiranih α-delcev in razpolovnim časom α-radioaktivnih jeder. Z majhno spremembo energije a-delcev se razpolovne dobe (T) spremenijo za več vrst velikosti. Torej za 2 s 2 Tb?n = 4,08 MeV, 7 = 1,41 10 yu l in za 2l8 Th E a = 9,85 MeV, T\u003d u ms. Dvojna sprememba energije ustreza spremembi razpolovne dobe za 24 velikosti.
Za sodo-sode izotope enega elementa je odvisnost razpolovne dobe od energije a-razpada dobro opisana z razmerjem (Geiger-Nettallov zakon):
kjer sta Ci in c 2 konstanti, ki sta šibko odvisni od Z.
Za konstanto upada ima Geiger-Netallov zakon obliko:
Kje binb2- konstante in b 2 - splošno, in b- individualno za vsako naravno serijo, R- dolžina poti a-delca v zraku, E a - energija a-delca.
Tovrstno odvisnost sta leta 1912 empirično ugotovila G. Geiger in J. Netall, leta 1928 pa jo je teoretično utemeljil G. Gamow kot rezultat kvantno-mehanskega upoštevanja procesa a-razpada, ki se pojavi s tunelskim prehodom. Teorija dobro opisuje prehode med osnovnimi stanji sodo-sodi jeder. Pri sodo-liho, sodo-liho in liho-liho jedro se splošni trend nadaljuje, vendar je njihov razpolovni čas 2-1000-krat daljši kot pri sodo-lihih jedrih z danima Z in E a.
Razširjenost a-radioaktivnosti v veliki meri določa močna odvisnost življenjske dobe takšnih jeder od energije njihovega razpada. Ta energija je pozitivna, če je razpolovna doba v območju A\u003d 200 je samo 1,810 m2 Ci).
Za izotope elementov z Z
Poznamo več kot 200 a-aktivnih jeder, ki se nahajajo predvsem na koncu periodnega sistema, za svincem (Z>82), ki zaključi zapolnitev protonske jedrske ovojnice z Z=82. Alfa razpad je povezan z
Coulombov odboj, ki narašča, ko se velikost jeder povečuje hitreje (kot Z 2) kot jedrske sile privlačnosti, ki naraščajo linearno z naraščanjem masnega števila A.
riž. Sl. 6. Odvisnost energije a-razpada izotopov elementov od polonija (Z=84) do fermija (Z=ioo) od števila nevtronov v jedrih.
Obstaja tudi okoli 20 a-radioaktivnih izotopov elementov redkih zemelj (A=i40-ri6o). Tu je a-razpad najbolj značilen za jedra z N= 84, ki se ob oddaji a-delcev pretvorijo v jedra z napolnjeno nevtronsko lupino (N= 82). V vrzeli med jedri redkih zemelj in težkimi jedri je tudi majhna skupina a-sevalnikov, od A~do pa je več jeder s pomanjkanjem nevtronov, ki oddajajo a.
Življenjske dobe a-aktivnih jeder se zelo razlikujejo: od 3-10-" sec (za 2,2 Rho) do (2-5)-10*5 l (naravni izotopi '4 2 Ce, * 44Nd, WHO. Energetski a-razpad leži znotraj 44-9 MeV (razen v primeru a-delcev z dolgim dosegom) za vsa težka jedra in 24-4,5 MeV za elemente redkih zemelj. -100 je prikazano na sliki 6.
V teoriji a-razpada se predpostavlja, da je starševsko jedro potencialna jama za a-delce, ki je omejena s potencialno pregrado. Energija a-delca v jedru je premajhna, da bi premagala to oviro. Pobeg a-delca iz jedra je možen le zaradi kvantno-mehanskega pojava, imenovanega učinek tunela. V skladu s kvantno mehaniko obstaja verjetnost, da delec preide potencialno pregrado, različna od nič. Pojav tuneliranja ima verjetnostni značaj.
učinek tunela(tuneliranje) - premagovanje potencialne pregrade z mikrodelcem v primeru, ko je njegova skupna energija (ki med tuneliranjem ostane nespremenjena) manjša od višine pregrade. učinek tunela - pojav kvantne narave, v klasični mehaniki nemogoč; Analog tunelskega učinka v valovni optiki je lahko prodiranje svetlobnega vala v odbojni medij v pogojih, ko z vidika geometrijske optike pride do popolnega notranjega odboja. Pojav tunelskega učinka je osnova številnih pomembnih procesov v atomski in molekularni fiziki, V fizika atomskega jedra, trdne snovi itd. Navsezadnje je tuneliranje razloženo z razmerjem negotovosti.
riž. 7.
Glavni dejavnik, ki določa verjetnost a-razpada in njegovo odvisnost od energije a-delca in naboja jedra, je Coulombova pregrada. Najenostavnejša teorija a-razpada je reducirana na opis gibanja a-delca v potencialni jami s pregrado (slika 7). Ker je energija a-delcev 5-10 MeV, višina Coulombove pregrade za težka jedra pa 254-30 MeV, lahko pride do uhajanja a-delca iz jedra le zaradi tunelskega učinka, verjetnosti od tega je določena s prepustnostjo pregrade. Verjetnost a-razpada je eksponentno odvisna od energije a-delca.
Na sl. Slika 7 prikazuje odvisnost potencialne energije interakcije a-delca z rezidualnim jedrom v odvisnosti od razdalje med njunima središčema. Coulombov potencial je na daljavo odrezan R, ki je približno enak polmeru preostalega jedra. Višina Coulombove pregrade je premo sorazmerna z nabojem jedra, nabojem a-delca in obratno sorazmerna z R=r (A 1/s, r 0 je polmer jedra. Precej pomembno je, da ima na primer za 2 s**u Coulombova pregrada višino 30 MeV, zato po klasičnih konceptih a-delec z energijo 4,5 MeV ne more premagati takšne pregrade. Vendar a-delec zaradi svojih valovnih lastnosti kljub temu premaga takšno oviro.
Na energijskem diagramu jedra lahko ločimo tri področja:
i" - sferična potencialna jama z globino v. V klasični mehaniki a-delec s kinetično energijo E a + V 0 se lahko premika v tem območju, vendar ga ne more zapustiti. V tem območju obstaja močna interakcija med a-delcem in preostalim jedrom.
R je območje potencialne pregrade, v katerem je potencialna energija večja od energije a-delca, tj. to je prepovedano območje za klasični delec.
7*>r e je območje zunaj potencialne pregrade. V kvantni mehaniki je možno, da a-delec preide pregrado (tuneliranje), vendar je verjetnost, da se to zgodi, zelo majhna.
Gamowova teorija tuneliranja je pojasnila močno odvisnost razpolovne dobe nuklidov, ki oddajajo a, od energije a-delca. Vendar so bile vrednosti razpolovnih dob za številna jedra predvidene z velikimi napakami. Zato je bila Gamowova teorija večkrat izboljšana. Tako možnost razpada jeder z orbitalnim momentom, ki je različen od nič, kot močna deformacija jeder (a-delci pogosteje odletijo vzdolž velike osi elipsoida, povprečna verjetnost emisije pa se razlikuje od tiste za sferično jedro ) itd. Gamowova teorija ni upoštevala strukture stanj začetnega in končnega jedra ter problema nastanka a-delca v jedru, za katerega verjetnost je bila predpostavljena enaka 1. Za sodo-soda jedra , ta približek precej dobro opisuje poskus. Če pa je preureditev strukture začetnih jeder v končne opazno težavna, se lahko izračunane vrednosti razpolovnih dob spremenijo za dva reda velikosti.
Alfa delec ne obstaja ves čas v a-razpadajočem jedru, ampak se z določeno končno verjetnostjo pojavi na njegovi površini pred odhodom. V površinski plasti težkih jeder so skupine a-delcev nukleonov, sestavljene iz dveh protonov in dveh nevtronov (a-grupe). Znano je, da a-razpad poteka 2-4 reda velikosti hitreje, ko a-delec nastane iz parov nevtronov in protonov, v primerjavi z razpadom, ko a-delec nastane iz neparnih nukleonov. V prvem primeru se a-razpad imenuje ugoden in vsi a-prehodi med osnovnimi stanji sodih in sodih jeder se izkažejo za takšne. V drugem primeru se a-razpad imenuje neugoden.
Po sodobnih kemijskih konceptih je element vrsta atomov z enakim jedrskim nabojem, kar se odraža v redni številki elementa v tabeli D.I. Mendelejev. Izotopi se lahko razlikujejo po številu nevtronov in s tem po atomski masi, a ker je število pozitivno nabitih delcev - protonov - enako, je pomembno razumeti, da pogovarjamo se o istem elementu.
Proton ima maso 1,0073 amu. (enote za atomsko maso) in naboj +1. Enota električnega naboja je naboj elektrona. Masa električno nevtrona je 1,0087 amu. Za označevanje izotopa je treba navesti njegovo atomsko maso, ki je vsota vseh protonov in nevtronov, ter naboj jedra (število protonov ali, enako, zaporedno številko). Atomska masa, imenovana tudi nukleonsko število ali nukleon, je običajno zapisana zgoraj levo od simbola elementa, serijska številka pa spodaj levo.
Isti zapis se uporablja za elementarni delci. Tako je β-žarkom, ki so elektroni in imajo zanemarljivo maso, pripisan naboj -1 (spodaj) in masno število 0 (zgoraj). α-delci so pozitivni dvojno nabiti helijevi ioni, zato jih označujemo s simbolom "He" z jedrskim nabojem 2 in masnim številom 4. Relativne mase protonov p n so vzete kot 1, njihovi naboji pa so 1 in 0.
Izotopi elementov običajno nimajo ločenih imen. Edina izjema je vodik: njegov izotop z masnim številom 1 je protij, 2 je devterij in 3 je tritij. Uvedba posebnih imen je posledica dejstva, da se vodikovi izotopi med seboj čim bolj razlikujejo po masi.
Izotopi: stabilni in radioaktivni
Izotopi so stabilni in radioaktivni. Prvi ne razpadajo, zato se v naravi ohranijo v svoji prvotni obliki. Primeri stabilnih izotopov so kisik z atomsko maso 16, ogljik z atomsko maso 12 in fluor z atomsko maso 19. Večina naravnih elementov je mešanica več stabilnih izotopov.
Vrste radioaktivnega razpada
Radioaktivni izotopi, naravni in umetni, spontano razpadejo z emisijo α- ali β-delcev in tvorijo stabilen izotop.
Govorijo o treh vrstah spontanih jedrskih transformacij: α-razpadu, β-razpadu in γ-razpadu. Pri α-razpadu jedro odda α-delec, sestavljen iz dveh protonov in dveh nevtronov, zaradi česar se masno število izotopa zmanjša za 4, naboj jedra pa za 2. Radij npr. v radon in helijev ion:
Ra(226, 88)→Rn(222, 86)+He(4, 2).
V primeru β-razpada se nevtron v nestabilnem jedru spremeni v proton, jedro pa oddaja β-delec in antinevtrino. Masno število izotopa se ne spremeni, poveča pa se naboj jedra za 1.
Med γ-razpadom vzbujeno jedro oddaja γ-sevanje z majhno valovno dolžino. V tem primeru se energija jedra zmanjša, naboj jedra in masno število pa ostaneta nespremenjena.
Akumulatorji težkih ionov odpirajo bistveno nove možnosti pri preučevanju lastnosti eksotičnih jeder. Zlasti omogočajo kopičenje in dolgotrajno uporabo popolnoma ioniziranih atomov - "golih" jeder. Posledično postane mogoče preučevati lastnosti atomskih jeder, ki nimajo elektronskega okolja in v katerih ni Coulombovega učinka zunanje elektronske lupine z atomskim jedrom.
riž. 3.2 Shema e-zajetja v izotopu (levo) in popolnoma ioniziranih atomih in (desno)
Razpad v vezano stanje atoma je bil prvič odkrit leta 1992. Opazili so β - razpad popolnoma ioniziranega atoma v vezana atomska stanja. Jedro 163 Dy na N-Z diagramu atomskih jeder je označeno s črno. To pomeni, da gre za stabilno jedro. Ker je jedro 163 Dy del nevtralnega atoma, je dejansko stabilno. Njegovo osnovno stanje (5/2+) je mogoče poseliti kot rezultat e-zajetja iz osnovnega stanja (7/2+) jedra 163 Ho. Jedro 163 Ho, obdano z elektronsko lupino, je β - -radioaktivno in njegova razpolovna doba je ~10 4 let. Vendar to drži le, če upoštevamo jedro, obdano z elektronsko lupino. Pri popolnoma ioniziranih atomih je slika bistveno drugačna. Sedaj se izkaže, da ima osnovno stanje jedra 163 Dy višjo energijo kot osnovno stanje jedra 163 Ho in odpira se možnost za razpad 163 Dy (slika 3.2).
| → + e - + e . | (3.8) |
Elektron, ki nastane kot posledica razpada, se lahko ujame na prazno K ali L-lupino iona. Posledično ima razpad (3.8) obliko
→ + e - + e (v vezanem stanju).
Energiji β-razpadov v K in L-lupine sta (50,3±1) keV oziroma (1,7±1) keV. Za opazovanje razpada v vezana stanja K- in L-lupin v shranjevalnem obroču ESR se je na GSI nabralo 10 8 popolnoma ioniziranih jeder. V času kopičenja so kot posledica β + -razpada nastala jedra (slika 3.3).
riž. 3.3. Dinamika kopičenja ionov: a - tok ionov Dy 66+, nakopičenih v obroču za shranjevanje ESR med različnimi stopnjami poskusa, β - intenziteta ionov Dy 66+ in Ho 67+, izmerjena z zunanjim oziroma notranjim detektorjem, občutljivim na položaj.
Ker imajo ioni Ho 66+ praktično enako razmerje M/q kot ioni Dy 66+ primarnega žarka, se kopičijo v isti orbiti. Čas kopičenja je bil ~30 min. Da bi izmerili razpolovno dobo jedra Dy 66+, je bilo treba žarek, nakopičen v orbiti, očistiti iz primesi ionov Ho 66+. Za čiščenje žarka od ionov smo v komoro vbrizgali plinski curek argona z gostoto 6·10 12 atom/cm 2 in premerom 3 mm, ki je prečkal akumulirani ionski žarek v navpični smeri. Ker so ioni Ho 66+ zajeli elektrone, so izpadli iz ravnotežne orbite. Žarek smo čistili približno 500 s. Po tem je bil plinski curek blokiran in ioni Dy 66+ ter novonastali (po izklopu plinskega curka) ioni Ho 66+ kot posledica razpada so še naprej krožili po obroču. Trajanje te faze je bilo od 10 do 85 minut. Detekcija in identifikacija Ho 66+ je temeljila na dejstvu, da je Ho 66+ mogoče nadalje ionizirati. Da bi to naredili, je bil na zadnji stopnji plinski curek ponovno vbrizgan v skladiščni obroč. Zadnji elektron je bil odvzet ionu 163 Ho 66+ in kot rezultat je bil pridobljen ion 163 Ho 67+. V bližini curka plina je bil nameščen detektor, občutljiv na položaj, ki je registriral ione 163 Ho 67+, ki zapuščajo žarek. Na sl. 3.4 prikazuje odvisnost števila jeder 163 Ho, ki nastanejo kot posledica β-razpada, od akumulacijskega časa. Vložek prikazuje prostorsko ločljivost pozicijsko občutljivega detektorja.
Tako je kopičenje jeder 163 Ho v žarku 163 Dy dokazalo možnost razpada
→ + e - + e (v vezanem stanju).
riž. 3.4. Razmerje hčerinskih ionov 163 Ho 66+ proti primarnim 163 Dy 66+, odvisno od časa akumulacije. Vložek prikazuje vrh 163 Ho 67+, ki ga je zabeležil notranji detektor.
S spreminjanjem časovnega intervala med čiščenjem žarka nečistoče Ho 66+ in časom zaznave novonastalih ionov Ho 66+ v žarku nečistoč lahko izmerimo razpolovni čas popolnoma ioniziranega izotopa Dy 66+. Izkazalo se je, da je ~0,1 leta.
Podoben razpad je bil ugotovljen tudi za 187 Re 75+. Dobljeni rezultat je izjemno pomemben za astrofiziko. Dejstvo je, da imajo nevtralni atomi 187 Re razpolovno dobo 4·10 10 let in se uporabljajo kot radioaktivne ure. Razpolovna doba 187 Re 75+ je le 33 ± 2 leti. Zato je treba v astrofizikalne meritve vnesti ustrezne popravke, saj v zvezdah je 187 Re največkrat v ioniziranem stanju.
Preučevanje lastnosti popolnoma ioniziranih atomov odpira novo smer raziskovanja eksotičnih lastnosti jeder brez Coulombovega učinka zunanje elektronske lupine.
1. JEDRSKA FIZIKA 1.4. β-razpad
1.4. Beta razpad.
Vrste in lastnosti beta razpada. Elementi teorije beta razpada. Radioaktivne družine
beta razpad jedro je proces spontanega preoblikovanja nestabilnega jedra v izobarno jedro kot posledica emisije elektrona (pozitrona) ali zajetja elektrona. Znanih je približno 900 beta-radioaktivnih jeder. Od tega jih je le 20 naravnih, ostali so pridobljeni umetno.
Vrste in lastnosti beta razpada
Obstajajo tri vrste β - razpad: elektronski β – razpad, pozitron β + -razpad in zajem elektronov( e- zajem). Prvi je glavni.
pri elektronski β – - razpad eden od nevtronov jedra se spremeni v proton z emisijo elektrona in elektronskega antinevtrina.
Primeri: razpad prostega nevtrona
, T 1/2 = 11,7 min;
razpad tritija
, T 1/2 = 12 let.
pri pozitron β + - razpad eden od protonov jedra se spremeni v nevtron z emisijo pozitivno nabitega elektrona (pozitrona) in elektronskega nevtrina.
. (1.41b)
Primer
·
Iz primerjave razpolovne dobe prednikov družin z geološko življenjsko dobo Zemlje (4,5 milijarde let) je razvidno, da je skoraj ves torij-232 ohranjen v zemeljski snovi, uran-238 pa je razpadel za približno polovico, uran-235 - večinoma je neptunij-237 praktično ves.
Sevanje alfa in beta na splošno imenujemo radioaktivni razpad. To je proces, ki je emisija iz jedra, ki poteka z izjemno hitrostjo. Posledično se lahko atom ali njegov izotop spremeni iz enega kemičnega elementa v drugega. Alfa in beta razpadi jeder so značilni za nestabilne elemente. Sem spadajo vsi atomi z nabojem nad 83 in masnim številom nad 209.
Pogoji reakcije
Razpad je tako kot druge radioaktivne transformacije naraven in umeten. Slednje nastane zaradi vdora kakšnega tujega delca v jedro. Koliko alfa in beta razpadov je lahko podvržen atomu, je odvisno le od tega, kako hitro je doseženo stabilno stanje.
V naravnih okoliščinah pride do alfa in beta minus razpadov.
V umetnih razmerah so prisotne nevtronske, pozitronske, protonske in druge redkejše vrste razpadov in transformacij jeder.
Ta imena so dali tisti, ki so preučevali radioaktivno sevanje.
Razlika med stabilnim in nestabilnim jedrom
Sposobnost razpada je neposredno odvisna od stanja atoma. Za nerazpadajoče atome je značilno tako imenovano "stabilno" ali neradioaktivno jedro. Teoretično lahko takšne elemente opazujemo neomejeno dolgo, da se dokončno prepričamo o njihovi stabilnosti. To je potrebno, da ločimo takšna jedra od nestabilnih, ki imajo izjemno dolgo razpolovno dobo.
Po pomoti lahko tak »upočasnjen« atom zamenjamo za stabilnega. Vendar pa je telur, natančneje njegovo izotopsko število 128, ki ima 2,2·10 24 let, lahko osupljiv primer. Ta primer ni osamljen. Lantan-138 ima razpolovno dobo 10 11 let. To obdobje je tridesetkrat starejše od obstoječega vesolja.
Bistvo radioaktivnega razpada
Ta proces je naključen. Vsak razpadajoči radionuklid pridobi hitrost, ki je konstantna za vsak primer. Hitrost razpadanja se ne more spremeniti pod vplivom zunanjih dejavnikov. Ni pomembno, ali se bo reakcija zgodila pod vplivom ogromne gravitacijske sile, pri absolutni ničli, v električnem in magnetnem polju, v kateremkoli kemijska reakcija In tako naprej. Na proces lahko vplivamo le z neposrednim udarcem v notranjost atomskega jedra, kar je praktično nemogoče. Reakcija je spontana in je odvisna le od atoma, v katerem poteka, in njegovega notranjega stanja.
Ko govorimo o radioaktivnih razpadih, se pogosto uporablja izraz "radionuklid". Kdor je ne pozna, mora vedeti, da se ta beseda nanaša na skupino atomov, ki imajo radioaktivne lastnosti, lastno masno število, atomsko število in energijski status.
Različni radionuklidi se uporabljajo v tehničnih, znanstvenih in drugih področjih človekovega življenja. Na primer, v medicini se ti elementi uporabljajo pri diagnosticiranju bolezni, predelavi zdravil, orodij in drugih predmetov. Obstajajo celo številni terapevtski in prognostični radiopreparati.
Enako pomembna je določitev izotopa. Ta beseda se nanaša na posebno vrsto atomov. Imajo enako atomsko število kot navaden element, vendar drugačno masno število. Ta razlika je posledica števila nevtronov, ki ne vplivajo na naboj, tako kot protoni in elektroni, ampak spremenijo svojo maso. Enostavni vodik jih ima na primer kar 3. To je edini element, katerega izotopi so dobili imena: devterij, tritij (edini radioaktiven) in protij. V drugih primerih so imena podana v skladu z atomske mase in glavni element.
Alfa razpad
To je neke vrste radioaktivna reakcija. Značilnost naravnih elementov iz šestega in sedmega obdobja tabele kemični elementi Mendelejev. Še posebej za umetne ali transuranove elemente.
Elementi, ki so podvrženi alfa razpadu
Med kovinami, za katere je značilen ta razpad, so torij, uran in drugi elementi šeste in sedme periode iz periodnega sistema kemičnih elementov, šteto od bizmuta. Procesu so izpostavljeni tudi izotopi težkih elementov.
Kaj se zgodi med reakcijo?
Pri alfa razpadu se iz jedra oddajajo delci, sestavljeni iz 2 protonov in para nevtronov. Sam emitirani delec je jedro atoma helija z maso 4 enot in nabojem +2.
Posledično se pojavi nov element, ki se v periodnem sistemu nahaja dve celici levo od izvirnika. Ta ureditev je določena z dejstvom, da je prvotni atom izgubil 2 protona in skupaj z njim - začetni naboj. Zaradi tega se masa nastalega izotopa zmanjša za 4 masne enote v primerjavi z začetnim stanjem.
Primeri
Pri tem razpadu iz urana nastane torij. Iz torija nastane radij, iz njega radon, ki na koncu da polonij in na koncu svinec. Pri tem nastajajo izotopi teh elementov in ne oni sami. Tako se izkaže, da so uran-238, torij-234, radij-230, radon-236 in tako naprej, do videza stabilnega elementa. Formula za takšno reakcijo je naslednja:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Hitrost izoliranega alfa delca v trenutku emisije je od 12.000 do 20.000 km/s. Če bi bil v vakuumu, bi tak delec šel naokoli Zemlja v 2 sekundah, premikanje po ekvatorju.
beta razpad
Razlika med tem delcem in elektronom je v mestu pojavljanja. Beta razpad se pojavi v jedru atoma, ne v elektronski lupini, ki ga obdaja. Najpogostejša od vseh obstoječih radioaktivnih transformacij. Opazimo ga lahko v skoraj vseh trenutno obstoječih kemičnih elementih. Iz tega sledi, da ima vsak element vsaj en izotop, ki je podvržen razpadu. V večini primerov beta razpad povzroči beta-minus razpad.
Napredek reakcije
V tem procesu se iz jedra izbije elektron, ki je nastal zaradi spontane transformacije nevtrona v elektron in proton. V tem primeru zaradi večje mase ostanejo protoni v jedru, elektron, imenovan beta minus delec, pa zapusti atom. In ker je protonov na enoto več, se jedro samega elementa spremeni navzgor in se nahaja desno od prvotnega v periodnem sistemu.
Primeri
Razpad beta s kalijem-40 ga spremeni v izotop kalcija, ki se nahaja na desni. Radioaktivni kalcij-47 postane skandij-47, ki se lahko spremeni v stabilen titan-47. Kako izgleda ta beta razpad? Formula:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Ubežna hitrost delca beta je 0,9-krat večja od svetlobne hitrosti, kar je 270.000 km/s.
Beta-aktivnih nuklidov v naravi ni preveč. Pomembnih je zelo malo. Primer je kalij-40, ki je v naravni mešanici le 119/10.000. Med pomembnimi naravnimi beta-minus aktivnimi radionuklidi so tudi produkti alfa in beta razpada urana in torija.
Razpad beta ima tipičen primer: torij-234, ki se pri alfa-razpadu spremeni v protaktinij-234, nato pa na enak način postane uran, vendar njegovo drugo izotopsko število 234. Ta uran-234 spet zaradi alfa-razpada postane torij , vendar drugačne vrste. Ta torij-230 nato postane radij-226, ki se spremeni v radon. In v istem zaporedju, do talija, le z različnimi beta prehodi nazaj. Ta radioaktivni beta razpad se konča s tvorbo stabilnega svinca-206. Ta transformacija ima naslednjo formulo:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206
Naravni in pomembni beta-aktivni radionuklidi so K-40 in elementi od talija do urana.
Beta plus razpad
Obstaja tudi beta plus transformacija. Imenuje se tudi pozitronski beta razpad. Iz jedra oddaja delec, imenovan pozitron. Rezultat je transformacija prvotnega elementa v tistega na levi, ki ima nižjo številko.
Primer
Ko pride do elektronskega beta razpada, magnezij-23 postane stabilen izotop natrija. Radioaktivni europij-150 postane samarij-150.
Nastala reakcija beta razpada lahko povzroči beta+ in beta- emisije. Ubežna hitrost delcev je v obeh primerih enaka 0,9 svetlobne hitrosti.
Drugi radioaktivni razpadi
Poleg reakcij, kot sta alfa in beta razpad, katerih formula je splošno znana, obstajajo tudi drugi procesi, ki so redkejši in bolj značilni za umetne radionuklide.
razpad nevtronov. Izpusti se nevtralni delec z 1 masno enoto. Pri tem se en izotop spremeni v drugega z manjšim masnim številom. Primer bi bila pretvorba litija-9 v litij-8, helija-5 v helij-4.
Ko stabilni izotop joda-127 obsevamo z gama žarki, postane izotop številka 126 in pridobi radioaktivnost.
protonski razpad. To je izjemno redko. Pri tem se izpusti proton, ki ima naboj +1 in 1 enoto mase. Atomska teža se zmanjša za eno vrednost.
Vsako radioaktivno transformacijo, zlasti radioaktivne razpade, spremlja sproščanje energije v obliki sevanja gama. Imenujejo ga gama žarki. V nekaterih primerih opazimo rentgenske žarke z nižjo energijo.
Je tok gama kvantov. V medicini se uporablja elektromagnetno sevanje, močnejše od rentgenskega. Posledično se pojavijo gama kvanti oziroma energija teče iz atomskega jedra. Rentgensko sevanje je tudi elektromagnetno, vendar izhaja iz elektronskih lupin atoma.
Razpon delcev alfa
Alfa delci z maso 4 atomske enote in nabojem +2 se gibljejo premočrtno. Zaradi tega lahko govorimo o območju alfa delcev.
Vrednost zaleta je odvisna od začetne energije in se giblje od 3 do 7 (včasih 13) cm v zraku. V gostem mediju je stotinka milimetra. Tako sevanje ne more prodreti skozi list papirja in človeško kožo.
Delec alfa ima zaradi lastne mase in nabojnega števila največjo ionizacijsko moč in uniči vse na svoji poti. V zvezi s tem so alfa radionuklidi najbolj nevarni za ljudi in živali, ko so izpostavljeni telesu.
Prodorna moč beta delcev
Zaradi majhnega masnega števila, ki je 1836-krat manjše od protona, negativnega naboja in velikosti beta sevanje slabo vpliva na snov, skozi katero leti, poleg tega pa je let daljši. Tudi pot delca ni ravna. V zvezi s tem govorijo o prodorni sposobnosti, ki je odvisna od prejete energije.
Prodorne sposobnosti beta delcev, ki so nastali med radioaktivnim razpadom v zraku, dosežejo 2,3 m, v tekočinah se štejejo v centimetrih, v trdnih snoveh pa v delcih centimetra. Tkiva človeškega telesa prepuščajo sevanje do globine 1,2 cm. Za zaščito pred beta sevanjem lahko služi enostavna plast vode do 10 cm Tok delcev z dovolj visoko razpadno energijo 10 MeV takšne plasti skoraj popolnoma absorbirajo: zrak - 4 m; aluminij - 2,2 cm; železo - 7,55 mm; svinec - 5,2 mm.
Zaradi svoje majhnosti imajo delci sevanja beta nizko ionizacijsko moč v primerjavi z delci alfa. Pri zaužitju pa so veliko bolj nevarni kot pri zunanji izpostavljenosti.
Največjo prodornost med vsemi vrstami sevanja ima trenutno nevtron in gama. Domet teh sevanj v zraku včasih doseže desetine in stotine metrov, vendar z nižjimi ionizirajočimi indeksi.
Večina izotopov gama žarkov ne presega energije 1,3 MeV. Redko so dosežene vrednosti 6,7 MeV. V zvezi s tem se za zaščito pred takim sevanjem uporabljajo plasti jekla, betona in svinca za faktor dušenja.
Na primer, za desetkratno oslabitev kobaltovega gama sevanja je potreben svinčeni ščit debeline približno 5 cm, za 100-kratno dušenje pa 9,5 cm, betonska zaščita bo 33 in 55 cm, voda pa 70 in 115 cm. .
Ionizacijska zmogljivost nevtronov je odvisna od njihove energijske učinkovitosti.
V vsaki situaciji je najboljši način za zaščito pred sevanjem ta, da ostanete čim dlje od vira in preživite čim manj časa na območju visokega sevanja.
atomska cepitev
Z atomi so mišljeni spontani ali pod vplivom nevtronov razdeljeni na dva dela, približno enaka velikosti.
Ta dva dela postaneta radioaktivna izotopa elementov iz glavnega dela tabele kemijskih elementov. Začnite od bakra do lantanidov.
Pri izpustu uide nekaj dodatnih nevtronov in nastane presežek energije v obliki kvantov gama, ki je veliko večji kot pri radioaktivnem razpadu. Torej se v enem aktu radioaktivnega razpada pojavi en kvant gama, med aktom cepitve pa 8,10 kvantov gama. Poleg tega imajo razpršeni drobci veliko kinetično energijo, ki se spremeni v toplotne indikatorje.
Izpuščeni nevtroni lahko izzovejo ločitev para podobnih jeder, če se nahajajo v bližini in jih nevtroni zadenejo.
V zvezi s tem obstaja možnost razvejane, pospešene verižne reakcije ločevanja atomskih jeder in nastanka veliko število energija.
Ko je takšna verižna reakcija pod nadzorom, jo lahko uporabimo za določene namene. Na primer za ogrevanje ali elektriko. Takšni procesi se izvajajo v jedrskih elektrarnah in reaktorjih.
Če izgubite nadzor nad reakcijo, bo prišlo do atomske eksplozije. Podobno se uporablja v jedrskem orožju.
IN vivo obstaja samo en element - uran, ki ima samo en cepljivi izotop s številko 235. Je orožni.
V navadnem atomskem reaktorju urana iz urana-238 pod vplivom nevtronov tvorijo nov izotop pod številko 239 in iz njega - plutonij, ki je umeten in se ne pojavlja naravno. V tem primeru se nastali plutonij-239 uporablja za namene orožja. Ta proces cepitve atomskih jeder je bistvo vsega atomskega orožja in energije.
Pojavi, kot sta alfa razpad in beta razpad, katerih formula se preučuje v šoli, so v našem času zelo razširjeni. Zahvaljujoč tem reakcijam obstajajo jedrske elektrarne in številne druge industrije, ki temeljijo na jedrski fiziki. Vendar ne pozabite na radioaktivnost mnogih od teh elementov. Pri delu z njimi je potrebna posebna zaščita in upoštevanje vseh varnostnih ukrepov. V nasprotnem primeru lahko pride do nepopravljive katastrofe.