1.3. Радиоактивные распады и излучения

Между нуклонами в ядре, на расстояниях, меньших ~10^-15м, действуют силы, быстро возрастающие с уменьшением расстояния [3]. Их значения очень велики по сравнению с известными. Каждый нуклон взаимодействует только с несколькими соседними (свойство насыщения).

Предполагается, что эти силы возникают за счет обменов -мезонами: n←→p⁺+ π^- и p⁺←→ n + π⁺ или n←→ n + π⁰ и p⁺←→ p⁺ + π⁰ (рис. 1.1).

Рис.1.1. Взаимные превращения нуклонов в ядре

Благодаря обмену мезонами протоны в ядре беспрепятственно превращаются в нейтроны, а нейтроны в протоны.

Таким образом, ядерные силы принадлежат к так называемым обменным квантово-механическим силам, которые могут действовать только в ядре.

Нуклоны в ядре не уплотнены до геометрически возможных пределов – ядро проницаемо.

Различают энергию ядра покоя и связи.

Энергия покоя. В соответствии с соотношением теории относительности

Е0=mc2,

1.11

массе атома m соответствует полная энергия покоя. Единица атомной массы m₀=1,66∙10^-27 кг, а с= 3∙10⁸ м/с, то m₀·c² =1 а.е.м.=1,4923∙10^-10 Дж=931,5 Мэв и

Е0= 931,5·Аr

1.12

Здесь А_rотносительная атомная масса, Е_0полная энергия покоя атома, МэВ.

Энергия связи. Суммарная энергия нуклонов, взятых порознь, больше энергии ядра, состоящего из того же числа нуклонов на 0,005-0,01%:

Δm=(Zmp+Nmn)-mя.

1.13

^{Величина Δm называется дефектом массы и служит мерой энергии связи ядра, т.е. той энергии, которая расходуется на связь нуклонов в ядре. Эту энергию необходимо затратить для того, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны. Эту энергию называют энергией связи ядра:}

Есв = Δmс2= 931,5Δm= 931,5Δ Аr Мэв,

1.14

Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре:

ср= Есв /Аr

1.15

Атомы элементов, при образовании которых на один нуклон выделяется наибольшее количество энергии, обладают наибольшей стабильностью. Эти же элементы наиболее распространены в природе (А_r~60).

Устойчивость ядер. Ядерные силы препятствуют самопроизвольному распаду ядра на отдельные нуклоны.

Если ядро (А, Z) состоит из двух частей (А₁, Z₁) и (А₂, Z₂), то

Аr (А, Z) Аr (А1, Z1) + Аr (А2, Z2),

1.16

то распад исходного ядра на эти две части

Аr (А, Z) Аr (А1, Z1) + Аr (А2, Z2),

1.17

энергетически выгоден и может происходить самопроизвольно. При этом весь избыток массы переходит в энергию разлетающихся частей.

Если имеет место обратное неравенство

Аr (А, Z)Аr (А1, Z1) + Аr (А2, Z2),

1.18,

то распад невозможен. Неравенства (1.17, 1.18) определяют условия устойчивости ядра по отношению к распаду определенного вида.

Нуклиды, ядра которых устойчивы по отношению к любым видам распада, называются стабильными. При малом числе нуклонов стабильными оказываются ядра с N ≈ Z. По мере увеличения числа нуклонов стабильными оказываются ядра с N >Z. У тяжелых изотопов отношение N / Z, при котором они стабильны, достигает 1,6.

С увеличением Z протоны проявляют разрыхляющее действие, в атомах тяжелых ядер возникает избыток нейтронов. У элементов, начиная с Z82 ядерные силы притяжения уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер. Они стремится перейти в стабильное состояние. В результате чего происходят процессы их внутренней перестройки.

Способность ядер или их возбужденных состояний спонтанно, самопроизвольно переходить в другие с меньшей энергией, испуская частицы или кванты, называется радиоактивным распадом, а явление испускания ядрами частиц или гамма - квантов, называется радиоактивностью.

При этом при переходе ядра в более стабильное состояние нейтроны переходят в протоны с испусканием электрона (β-распад). Если в ядре будет недостаток нейтронов (отношение N/Z лежит ниже области стабильности), то неустойчивость ядер определяется кулоновскими силами отталкивания. В этом случае переход в устойчивое состояние обычно реализуется путем испускания ядром α-частиц, состоящих из 2 нейтронов и двух протонов. Для более легких ядер переход в более устойчивое состояние ядра может осуществляться путем превращения протона в нейтрон и испусканием позитрона и нейтрино.