5. Радиоактивные превращения

5.1. Состав атомного ядра, энергия связи ядра, законы радиоактивных превращений

Ядро состоит из Z положительно заряженных протонов и нейтронов. Приближенно масса ядра М пропорциональна массовому числу А:

, где m кг - средняя масса одного нуклона. (В таблице Менделеева А называется атомной массой элемента.)

Эмпирическое значение радиуса ядра: , м·.

Т.е. объем ядра пропорционален А - числу нуклонов; плотность ядерного вещества примерно одна и та же для всех ядер: кг/м³.

Нуклоны в ядре расположены практически вплотную друг к другу.

Наблюдаемая на опыте устойчивость ядер означает, что кроме электрических сил отталкивания, между ядерными частицами действуют еще силы притяжения. Ими не могут быть слабые гравитационные силы. Это особые ядерные силы.

Ядерные силы притяжения не зависят от того, обладают ли частицы электрическим зарядом или нет. Ядерные силы убывают с расстоянием между нуклонами гораздо быстрее, чем гравитационные силы и электрические, т.о. это короткодействующие силы.

Масс- спектрометрические измерения показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов (величина энергии связи нуклона в ядре может быть определена по дефекту массы):

где - сумма масс всех нуклонов; - масса ядра.

Для полного расщепления ядра на составляющие его нуклоны нужно увеличить его энергию на . В момент соединения нуклонов в ядро эта энергия выделяется, например, в виде - квантов. называют энергией связи. Короткодействие ядерных сил приводит к тому, что энергия связи каждого нуклона определяется лишь его взаимодействием с соседними частицами, но не со всеми частицами ядра. Средние элементы таблицы Менделеева обладают наибольшей энергией связи и являются наиболее устойчивыми. Снижение удельной (на один нуклон) энергии связи к концу таблицы обусловлено кулоновским отталкиванием большого числа протонов в ядре.

Я .И. Френкель предложил физическую модель ядра, получившую название капельной. Малый радиус действия ядерных сил, подобный малому радиусу действия межмолекулярных сил, позволяет уподобить ядро капельке жидкости (рис. 6.1).

Энергия связи нуклонов, расположенных на поверхности ядра, меньше, чем у внутренних нуклонов, т.к. у них меньше соседей, с которыми они взаимодействуют. На внешние нуклоны действует не скомпенсированная сила, втягивающая их внутрь ядра - поверхность ядра стягивается силами поверхностного натяжения. Ядро-капля стремится принять сферическую форму, подобно капле жидкости малых размеров.

Правила смещения.

Радиоактивность – явление самопроизвольного (спонтанного) превращения атомных ядер в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений. Правила смещения позволяют установить, какое ядро возникает в результате распада.

При  - распаде распадающееся «материнское» ядро испускает  - частицу и превращается в «дочернее» ядро элемента Y. С учетом сохранения заряда и массы эта реакция записывается:

или

Дочерний элемент Y имеет атомный номер на две единицы меньший и, следовательно, сдвинут относительно Х на две клетки влево по таблице Менделеева.

Уравнение -распада:

Уравнение -распада: ,

где - позитрон.

При испускании электрона заряд и номер дочернего элемента Y увеличиваются на единицу и он сдвигается относительно Х на одну клетку по таблице Менделеева, сохраняя неизменным массовое число.

Поскольку электрон не вылетает из ядра (ядро состоит из протонов и нейтронов) и не вырывается из оболочки атома (поскольку тогда должно наблюдаться оптическое или рентгеновское излучение – линейчатый спектр, а на самом деле энергетический спектр испускаемых электронов является непрерывным), то было сделано предположение, что - электрон рождается в результате процессов, происходящих внутри ядра.

Т.к. при -распаде число нуклонов в ядре не изменяется, а Z увеличивается на 1, то единственной возможностью одновременного осуществления этих условий является превращение одного из нейтронов - активного ядра в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино:

.

Антинейтрино – частица, имеющая нулевой заряд и «нулевую» массу покоя (m < 10^-4 m_e ) и спин = . Антинейтрино появляется, поскольку при -распаде число нуклонов в ядре не меняется - А = const, поэтому не должен меняться спин ядра, однако выброс электрона, имеющего спин , должен изменить спин ядра на величину . В этом процессе выполняются законы сохранения электрических зарядов, импульса и массовых чисел. Кроме того, данное превращение энергетически возможно, т.к. масса покоя нейтрона превышает массу атома водорода, т.е протона и электрона вместе взятых. Данной разности в массах соответствует энергия 0,782 МэВ. За счёт этой энергии может происходить самопроизвольное превращение нейтрона в протон; энергия распределяется между электроном и антинейтрино.

γ– излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с очень малой λ:

λ = 10^-10м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, , т.е оно является потоком частиц γ – квантов (фотонов). γ – излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает α и β - распады, возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т.д.

При γ– излучении А и Z ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смещения.

γ– кванты, обладая нулевой массой покоя не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении γ– излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им. γ– кванты не несут электрического заряда и не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении пучка γ– квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность:

Y=Y₀∙е^-αх, (х – толщина вещества, α – коэффициент поглощения).