Радиоактивтік сәулелену (сәуле шығару ) және оның түрлері

Табиғатта кездесетін бірқатар атомдық ядролар (радий, уран, торий және т.б.) өз бетінше -бөлшектерін, электрондарды және -кванттарын шығару мүмкіншіліктері бар екендігі қазіргі кезде белгілі болды. Мұндай ядролар радиоактивті, ал құбылыстың өзі табиғи радиоактивтілік деп аталады.

Жоғарыда айтылғандай, ядроның өздігінен ыдырауы кезінде сәулелері шығарылады. Қысқаша осы сәулелерді сипатталық. сәулелері − гелий атом ядросының ( ) ағыны; сәулелері – жылдам электрондар ағыны; сәулелері – қысқа толқынды электромагнитті сәулелену ( м) болып табылады. сәулелерінің және сәулелерінен айырмашылығы, ол не электр өрісінде, не магнит өрісінде ауытқымайды.

Радиоактивті ыдырау заңы

Атом ядроларының өздігінен өзгеруі радиоактивті ыдырау заңы бойынша жүреді, , яғни

, (15.3)

мұндағы − ыдырау жылдамдығын сипаттайтын ыдырау тұрақтысы. Әрбір ыдыраудың түрі қатаң түрде тұрақтысын анықтайды. (14.5) өрнектегі «минус» таңбасы радиоактивті ядроның жалпы саны радиоактивті ыдырау процесінде кемитіндігін көрсетеді. (15.3) теңдеудегі айнымалы шамаларды бөліп және оны интегралдасақ, онда

, ,

осыдан мынаны аламыз:

, (15.4)

мұндағы − ыдырамаған ядролардың бастапқы саны ( мезетіндегі), − t уақыты өткен мезеттегі ыдырымай қалған ядролар саны, − радиоактивті ыдырау тұрақтысы, е − натурал логарифмнің негізі (экспонента: е=2,71). (15.4) теңдеуі радиоактивті ыдырау заңының негізгі өрнегі болып табылады.

Әдетте практикада орнына жартылай ыдырау периоды Т_1/2 ұғымын пайдаланады. Т_1/2 – бастапқы кеэдегі ядроның жартысы ыдырауға кететін уақыт. Мұны жартылай ыдырау периоды Т_1/2 деп атайды. Шындығында, болғанда, онда

,

осыдан

. (15.5)

Радиоактивті ыдырау заңын және де мынадай түрде жазуға болады:

. (15.6)

Өрнектің мұндай түріндегі жазылуы әлі де ыдырамаған радиоактивті заттың мөлшерін тез бағалау үшін ыңғайлы. Радиоактивті ыдырау процесінің интенсивтігін сипаттауды радиоактивті ыдыраудың орташа өмір сүру уақыты арқылы да жүргізуге болады. Орташа өмір сүру уақыты – ыдырамаған ядролар саны е есе кемігендегі уақыт аралығы (е – натурал логарифмнің негізі)

(15.7)

болатындығын көрсетуге болады.

Нейтрондардың, әсіресе, баяу нейтрондар әсерінен пайда болатын ядролық реакциялар басқа барлық ядролық реакциялар ішінде практикада ең көп қолданым тапты. Ең жеңіл ядролардың баяу нейтрондарды қармауы кезінде ылғи да зарядталған протондар мен α-бөлшектер шығады. Мысалы, . Баяу нейтрондарды жеңіл ядролармен қармау кезінде экзотермиялық реакция болады, мысалы

.

Ядролық реакция энергияның бөлінуі бойынша да (экзотермиялық реакция), сонымен бірге сырттан алынған энергияны жұтумен де (термиялық реакция) өтуі мүмкін. Ядролық реакциялардағы бөлінетін және жұтылатын энергия химиялық реакцияның энергиясын мың есе арттырады. Сондықтан, ядролық физикада өзара әсерлесуші ядролардың массаларының өзгерісін байқауға мүмкіндік болады. Эйнштейн заңы (с – вакуумдағы жарық жылдамдығы) масса мен энергия өзгерісінің байланысын береді. Экзотермиялық реакцияның мысалы ретінде литийді протондармен атқылау кезінде пайда болатын реакцияны атауға болады:

.

Берілгенреакцияныңэнергиялық эффектісікелесіөрнекбойыншаесептелінеді:

.

Массатуралымәліметтерден -діанықтауғаболады. Барлық ядролық реакциялар электр зарядтары мен массалық сандардың сақталу заңдарына сәйкес өтеді: реакцияға қатысатын ядролардың және бөлшектердің (массалық сандардың) электр зарядтарының қосындысы ядролардың және бөлшектердің реакциясы нәтижесінде пайда болатын зарядтардың (массалық сандардың) қосындысына тең болады. Ядролық реакциялар кезінде сонымен бірге энергияның, импульстың және импульс моментінің сақталу заңдары орындалады.

Бөлінудің тізбекті реакциясы

Ауыр атом ядроларының бөлінуі кезінде өте үлкен энергия (шамамен 200 МэВ) бөлінетіндігі және екінші нейтрондар ұшып шығатындығы белгілі. Бір ядроның бөліну кезіндегі нейтрондардың саны (2-3 нейтрондар) бірден үлкен болады. Мұндай жағдай бөлінудің тізбекті реакциясын іске асыруға, яғни практикалық жағдайда ядролық энергияны пайдалануға мүмкіндік берді. Тізбекті ядролық реакцияның идеалды сұлбасы былай болады: ядроның бөлінуі кезінде айталық 2 нейтрон бөлінсін, оның әрқайсысы келесі бір уран ядросына еніп, бұл ядроның да бөлінуін тудырады.

Бөлінудің тізбекті реакциясын сипаттау үшін нейтрондардың көбею коэффициенті деп аталатын түсінік енгізіледі. Көбею коэффициенті осы буындағы нейтрондар санының бұдан алдыңғы буындағы нейтрондар санына қатынасына тең. көбею коэффициенті тізбекті реакция дамуының шапшаңдығымен анықталады. Тізбекті реакция дамуы үшін k 1 болуы керек.

Нейтрондардың көбею коэффициенті бөлінетін заттың табиғатына, берілген изотоптың мөлшері, активті зонаның мөлшері мен пішініне байланысты. Активті зонаның кризистік өлшемі деп тізбекті реакцияны тудыруға мүмкіншілігі бар активті зонаның минималь өлшемін айтады. Берілген активті зонаны құрайтын, бөлінетін заттың массасын кризистік масса деп атайды.

Тізбекті реакцияның жылдамдығын анықтайық. Айталық бөліну кезінен ядролармен бөлетін заттардың екінші ретті нейтрондармен қармалатын кезеңге дейін аралықтағы орташа уақыт аралығы Т болсын (бір буынның орташа өмір сүру уақыты), ал – берілген буындағы нейтрондар саны. Келесі буындағы нейтрондар саны k . Бір буын кезіндегі нейтрондардың өсімі . Тізбекті реакцияның өсу жылдамдығы (уақыт бірлігі ішіндегі нейтрондар санының өсімі)

.

Берілген өрнекті интегралдап мынаны аламыз:

(15.8)

мұндағы – бастапқы уақыт мезетіндегі нейтрондар саны, ал N – t уақыт мезетіндегі бар нейтрондар саны. N-нің мәні (k-1) таңбасымен анықталады.

Егер немесе болса, онда уақыт өткен сайын нейтрондар саны өзгермейді, бұл реакция өзін қолдаушы деп аталады. Егер немесе болса, онда нейтрондардың уақыт бойынша бөліну саны кемиді. Реакция өшетін реакция деп аталады.

Тізбекті реакция басқарылатын және басқарылмайтын болып бөлінеді. Атом бомбасының жарылуы – басқарылмайтын реакция. Басқарылатын тізбекті реакция ядролық реакторларда іске асады.