Закономірність  - розпаду

Відомо понад 300 - активні ядра, велика частина з яких отримана штучно. Переважна більшість останніх зосереджена в області транссвинцьових ядер з Z > 82. Маємо групу - активних ядер в області рідкоземельних елементів (А = 140-160), а також невелика група в проміжку між рідкоземельними і важкими ядрами. У ядерних реакціях з важкими іонами синтезовані трохи - випромінюючих нейтронно-дефіцитних ядер з А ~ 110. Прикладом - розпаду служить розпад ізотопу урану: .

- частинка – це ядро атома гелію, що містить 2 протони і 2 нейтрони, маса яких відповідно 4,00273 а.о.м. = 6,64410^-27кг, спін і магнітний момент рівні 0. Енергія зв’язку 28,11 МеВ (7,03 МеВ на 1 нуклон).

Час життя - активних ядер від 10¹⁷ років ( ) до 310^-7с ( ). Кінетична енергія - частинок змінюється від 1,83 МеВ ( ) до 11,65 МеВ (ізомер ). Пробіг - частинки з типовою енергією 6 МеВ складає ~5 см у повітрі і ~ 0,05 мм у Al.

Відповідно до сучасних уявлень, - частинки не існують у ядрі увесь час, а з деякою кінцевою імовірністю виникають на його поверхні перед вильотом. Дані свідчать також про те, що в поверхневому шарі важких ядер, очевидно, існують - частинкові угруповання нуклонів (- кластери).

Енергетичний спектр - частинок виявляє тонку дискретну структуру (у того самого - радіоактивного елемента є кілька груп  - частинок з різними довжинами пробігів), що свідчить про те, що атомні ядра мають дискретні енергетичні рівні.

Для - розпаду характерна сильна залежність між періодом напіврозпаду Т_1/2 і енергією частинок, що вилітають. Звичайно, цю залежність виражають у вигляді зв’язку між пробігом R_ - частинки в повітрі до її повної зупинки і постійною радіоактивного розпаду

. (18.9)

У цьому емпіричному законі Гейгера-Неттола постійні А і В – різні для кожного з радіоактивних рядів.

Пояснення - розпаду дає квантова механіка, відповідно до якої основним фактором, що визначає імовірність - розпаду і її залежність від енергії - частинок і заряду, є кулонівський бар’єр. Найпростіша теорія (Г.Гамов, 1927 р.) зводилася до описання руху - частинки в потенційній ямі з бар’єром (рис. 18.1, пунктир). Тому що енергія - частинки Е_ складає 5-10 МеВ, а висота кулонівського бар'єра у важких ядер – 25-30 МеВ, то виліт - частинки з ядра може відбуватися тільки за рахунок тунельного ефекту, а ймовірність цього процесу визначається проникністю бар’єра. Для прямокутного потенційного бар’єра коефіцієнт прозорості

, (18.10)

де U – висота потенційного бар'єра; – ширина бар’єра; D₀ – постійний множник, який можна прирівняти до одиниці.

Формула прозорості D показує, що незначні зміни енергії - частинки в ядрі приводять до значних змін величини D. Цим пояснюються великі розходження в періодах напіврозпадів - випромінювачів при порівняно невеликому зростанні енергії -частинок.

Сучасний підхід до опису - розпаду спирається на методи, що використовуються в теорії ядерних реакцій. Ширина Г_ стану ядра відносно - розпаду пов’язана з періодом напіврозпаду співвідношенням

. (18.11)

Для - розпаду в канал С

, (18.12)

де – так звана приведена ширина, зумовлена ступенем перекривання хвильових функцій початкового і кінцевого стану ядер, що характеризує імовірність появи - частинки на поверхні ядра (на радіусі каналу R_C), а – проникність ефективного бар'єра (див. на рис. 18.1 суцільна лінія), утвореного ядерним, кулонівським і відцентровим потенціалами (існування відцентрового потенціалу пов’язано з наявністю в - частинці відмінного від нуля орбітального моменту).

 - розпад. Нейтрино

Бета-розпадом називають процес спонтанного перетворення нестабільного ядра в ізобарне із зарядом, відмінним на ∆Z = ±1, за рахунок випромінювання електрона (позитрона) або захоплення електрона з найближчої до ядра електронної оболонки. Терміном бета-розпад позначають три типи ядерних перетворень: електронний (_-), позитронний (₊) розпади, а також електронне захоплення (е- чи К- захоплення).

Напівперіоди бета-розпадів змінюються для різних джерел _ – радіоактивного випромінювання від 10^-2 с до 10¹⁸ років.

Вирішальним експериментальним фактом для розуміння механізму - розпаду і створення його теорії стало вивчення енергетичного спектра електронів, що випускаються. Цей спектр виявився безперервним, що простягається до Е = Е_max (рис. 18.2), характерним для даного джерела - випромінювання. При розпаді вільних нейтронів Е_max = 0,782 МеВ. Для узгодження безперервності спектра енергії електронів з дискретністю енергетичних рівнів ядер необхідно визнати, що разом з електроном з ядра випускається ще одна частинка – електронне антинейтрино. Повна енергія, що втрачається ядром при _--розпаді, дорівнює Е_max, але вона по-різному розподіляється між електроном і електронним антинейтрино. Зокрема, гранична точка на рис. 18.2 означає, що вся енергія надається електрону.

У ядрі електронів немає, тому перетворення відбуваються за схемою

(_--розпад) (18.13)

(₊- розпад) (18.14)

У випадку е-захвату перетворення протона в нейтрон відбувається за схемою

(18.15)

і полягає в тому, що зникає один із електронів у найближчому до ядра К-шарі атома. Особливістю цього типу бета-розпаду є виліт з ядра тільки однієї частинки – електронного нейтрино, що супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, що належить К-лінії відповідного елемента.

Нейтрино – єдина частинка, що не бере участі ні в сильних, ні в електромагнітних взаємодіях, тому що її немає в складі ядра і немає заряду в неї; єдиний вид взаємодії, у якому може брати участь нейтрино – слабка взаємодія: відмінне від інших короткодійних взаємодій. Тому пробіг нейтрино з енергією 1 МеВ у свинці складає ~10¹⁸ м!

При всіх ядерних процесах, що безперервно відбуваються в незліченних зірках, ці частинки виникають у величезній кількості. Переріз їхньої взаємодії занадто малий, тому вони майже не вступають у реакції з іншими формами матерії, заповнюючи у все більшій кількості Всесвіт. Кількість нейтрино, що у середньому знаходяться в 1 м³ простору в ~10⁷ разів перевершує кількість електронів. Установлено, що верхня границя для маси електронного нейтрино <35 еВ, тобто в 15000 разів менше маси електрона. Точніше виміряти масу нейтрино поки не вдалося, тому питання про величину схованої маси у Всесвіті залишається відкритим.

 - випромінювання та його властивості. Дози опромінення

Гамма-випромінюванням (гамма-квантами) називається короткохвильове електромагнітне випромінювання, що випускається при переході ядер зі збуджених енергетичних станів у основний чи менш збуджений стан, а також при ядерних реакціях.

Дослідами встановлено: 1) - випромінювання не є самостійним видом радіоактивності, тому що воно не змінює сполуку ядра, а змінює тільки його енергію; 2) - спектр – лінійчатий, що є доказом дискретності енергетичних станів атомних ядер; 3) - кванти випускаються не материнським, а збудженим дочірнім ядром, причому в проміжку 10 ^- 13…10^-14 с з моменту утворення. Повертаючись в основний стан, ядро може: а) пройти через ряд проміжних станів, випускаючи кілька груп -квантів, що відрізняються одна від іншої своєю енергією (від 10 кеВ до 5 МеВ); б) передати енергію збудження (без попереднього випущення - кванта) одному з електронів того ж атома з вильотом останнього (електрона внутрішньої конверсії) і заповнення його місця іншим електроном з вищележачої оболонки, що супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням. Моноенергетичність електронів конверсії дозволяє відрізнити їх від -електронів, спектр яких безперервний.

Гамма-кванти не несуть електричного заряду і мають нульову масу спокою, тому їх швидкість не уповільнюється при проходженні крізь речовини, вони поглинаються атомами або розсіюються ними. Інтенсивність I випромінювання на виході шару поглинаючої речовини товщиною х описується експонентним законом

(18.16)

де  – коефіцієнт поглинання, що залежить від властивостей речовини і від енергії - квантів; I – інтенсивність на виході з речовини.

Основними процесами при взаємодії - квантів з речовиною є фотоефект, комптон-ефект і утворення електронно-позитронних пар.

Фотоефект є переважним механізмом поглинання при Е_100 кеВ. При фотоефекті атом поглинає - квант і випускає електрон. Тому що електрон вибивається з внутрішньої оболонки, то заповнення місця, що звільнилося, електронами з вищележачих оболонок приводить до характеристичного рентгенівського випромінювання. Фотоефект відбувається тільки на зв’язаних електронах, тому що вільний електрон не може поглинути - квант, не порушуючи законів збереження імпульсу й енергії.

При Е_~0,5 МеВ основним механізмом взаємодії - квантів з речовиною є комптонівське розсіювання.

При Е_>1,02 МеВ = 2m_ес² стає можливим утворення електронно-позитронних пар в електричних полях ядер. Ймовірність цього процесу пропорційна Z² і збільшується зі зростанням Е_. При Е_~ 10 МеВ основним каналом взаємодії - випромінювання з речовиною є утворення електронно-позитронних пар.

При енергіях - кванта 10...20 МеВ можливий ядерний фотоефект – викид з ядра одного з нуклонів, найчастіше нейтрона.

Вплив - випромінювання й інших видів іонізуючого випромінювання на речовину характеризують дозою іонізуючого випромінювання. Розрізняють:

1. поглинену дозу випромінювання – відношення енергії випромінювання до маси речовини, що опромінюється (одиниця вимірювання – грей: 1 Гр = 1 Дж/кг);

2. експозиційну дозу випромінювання, що дорівнює відношенню суми електричних зарядів всіх іонів одного знака, створених вторинними електронами, які звільнені в опроміненому повітрі, до маси цього повітря (одиниця вимірювання – кулон на кілограм (Кл/кг), позасистемна – рентген: 1Р = 2,5810^-4 Кл/кг);

3. біологічну дозу, що визначає вплив випромінювання на організм. Надзвичайно суттєвими для біологічної дії іонізуючого випромінювання є його вид ( , , , , , ) та енергія. Для врахування цього було введено еквівалентну дозу випромінювання

, (18.17)

де — коефіцієнт ВБЕ, — поглинута доза випромінювання. Одиницею еквівалентної дози випромінювання є : . До введення ( ) застосовувалась одиниця (біологічний еквівалент рентгена ( ). Відповідно до попередніх величин існує потужність еквівалентної дози випромінювання

, . (18.18)

Існують державні санітарні правила роботи з іонізуючими випромінюваннями, в яких зазначені граничні допустимі дози і потужності цих доз для населення та різних категорій професійних працівників. У переважній більшості розвинутих країн для населення (з урахуванням усіх природних джерел випромінювання) встановлена річна доза – ; одноразове аварійне випромінювання – .

Потужність дози випромінювання – відношення дози випромінювання до часу опромінення. Розрізняють: а) потужність поглиненої дози (Гр/с); б) потужність експозиційної дози (А/кг).