Ответы на экзаменационные вопросы по физике / 29,30 2й вариант

Радиоактивность. Механизм и характеристики - и - распада ядер. Особенности - излучения. Закон радиоактивного распада ядер и его основные характеристики.

Под радиоактивностью понимают явление самопроизвольного превращения ядер (неустойчивых изотопов) одних элементов в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием разного рода частиц. Радиоактивность может быть искусственной (для ядер, получаемых искусственно, в результате ядерных реакций). С выявлением ядерных превращений реализовалась вековая мечта алхимиков, и в принципе, только высокие энергетические затраты не позволяют пока в достаточных масштабах превращать в золото менее благородные вещества.

Явление радиоактивности, открытое А. Беккерелем в 1896 г. сопровождается, как показали исследования П. и М. Кюри, испусканием трех видов излучений, названных ими  -,  -,  - лучами. Сейчас мы знаем, что  - лучи это поток так называемых  - частиц, представляющих собой ядра атома гелия - очень устойчивые образования из двух протонов и двух нейтронов (дважды магическое ядро).

В тяжелых ядрах  - частицы (образованные из 4 нуклонов) находятся в потенциальной яме, где их энергия квантуется. Б

удучи в ядерном отношении самонасыщенными,  - частицы испытывают ослабленное ядерное притяжение к другим нуклонам и повышенное кулоновское отталкивание от ядра.

Из опытов известно, что  - частицы вылетают из тяжелых ядер (с Z > 82) с энергиями, меньшими глубины потенциальной ямы. Поэтому вылет  - частиц объясняют туннелированием, "просачиванием" их через потенциальный барьер. Энергия  - частиц в потенциальной яме квантуется: Е_  6 МэВ.

При  - распаде из ядра вылетают  - частицы, под которыми понимают электроны и позитроны. Позитроны, представляя собой античастицы по отношению к электронам, являются неустойчивыми, и в опыте при  - распаде наблюдается лишь поток электронов. Откуда же берутся  - частицы, выбрасываемые ядром, состоящим из протонов и нуклонов? Принцип неопределенности хр_х  запрещает электронам находиться в ядре. При х  10^-15 м, _х  с, чего быть не может.

 - распад есть следствие взаимопревращения нуклонов в ядре, протекающего по следующей схеме:

и , где символами  и обозначены элементарные частицы, названные нейтрино и антинейтрино, соответственно. К представлению об этих частицах пришел Паули, пытавшийся объяснить непрерывный характер энергии  - частиц, испускаемых радиоактивными ядрами. Уменьшение энергии вылетающих электронов в сравнении с Е_макс (- энергией, теряемой ядром) - кажущееся нарушение закона сохранения энергии, было объяснено Паули тем, что часть энергии уносится некоторой дополнительной незаряженной частицей, названной им на итальянский манер - нейтрино (нейтрончиком). Электрону же остается неопределенная энергия, точнее, определенная лишь сверху – значением Е_макс. Таким образом, в отличие от  - частиц, энергетический спектр  - частиц является сплошным.

 - лучи, представляющие собой жесткое (с очень высокой частотой) электромагнитное излучение, обычно сопровождают все типы радиоактивного распада ядер. Ядро в целом, как и атом, его электронная оболочка, может находиться в различных квантовых состояниях с дискретными (квантованными) значениями энергии. Разнос этих уровней в тысячи раз превышает значения, характерные для атомов, составляя тысячи и десятки тысяч электроновольт. При распаде так называемого материнского ядра, получающееся дочернее ядро оказывается в разных возбужденных состояниях, из которых оно может перейти в основное состояние путем испускания  - квантов.

- излучение - основная форма уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Дискретный линейчатый спектр  - излучения является подтверждением дискретного характера энергетических уровней ядра, как квантовой системы.

Получим закон радиоактивного распада ядер. Пусть из N имеющихся радиоактивных ядер за время dt распадается dN ядер. Число ядер, оставшихся нераспавшимися, уменьшится на dN. Так как ядра распадаются независимо, то dN будет прямо пропорционально начальному общему числу  ядер и интервалу времени dt, то есть: d = - dt, где  - характеристика (константа) сорта ядер.  = - d/dt - вероятность распада 1 ядра за 1 с называется постоянной распада. Знак минус отражает то, что d  0, то есть число ядер  убывает со временем.

Проинтегрируем имеющееся дифференциальное соотношение:

- закон радиоактивного распада ядер (ЗРРЯ).

П

олучили экспоненциальный характер убывания числа  ядер, оставшихся нераспавшимися к моменту времени t. Характерным параметром этого распада являются среднее время  жизни ядер, представляющее собой такое время, за которое число ядер оставшихся нераспавшимися, уменьшается в е = 2,72 раз. Постоянная распада  оказывается обратной среднему времени жизни ядер  = 1/. Действительно, при t = 1/ = 1/ , () = _ое^-t/ = _о/е.

Чаще используется такая временная характеристика распада ядер, как период полураспада Т - время, за которое число нераспавшихся ядер уменьшается в 2 раза.

При t = Т, (Т) = _ое^-Т = _о/2  Т = ln2/ =  ln2  0,7.

Быстроту распада ядер характеризуют величиной А, называемой активностью, измеряемой числом распадов в секунду.

Единица активности - беккерель - один распад в секунду, или кюри: 1 Кю = 3,710¹⁰ Бк (расп/с).