Глава 4. Типы ядерных превращений

После открытия явления радиоактивного распада, Э. Резерфорд, сосредоточил внимание на изучении этого явления. В 1899 г. Э. Резерфорд установил, что излучение урана состоит из двух компонент, обозначенных впоследствии первыми буквами греческого алфавита и, спустя год П. Вийар открыл гамма-излучение (γ).

Рис.4.1.Отклонение альфа-, бета- и гамма-лучей в электрическом и магнитном полях

В 1903 г Резерфордом и Содди была предложена теория радиоактивного распада атомов, согласно которой в результате радиоактивного распада происходит превращение одного химического элемента в другой. В процессе эмиссии радиоактивного излучения вещество претерпевает ряд изменений. При этом довольно быстро было обнаружено, что разные ядра распадаются по-разному с испусканием различных частиц в зависимости от комбинации частиц в ядре или его состояния.

В 1913 г. Содди и Фаянс независимо друг от друга сформулировали правило смещения при различных видах радиоактивного распада.

Радиоактивные превращения обладают двумя особенностями, делающие их более простыми по сравнению с химическими превращениями.

Первая особенность заключается в том, что для всех типов радиоактивных превращений справедлив один кинетический закон.

Вторая особенность состоит в том, что количество типов радиоактивных превращений очень ограничено.

В настоящее время известно семь основных типов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, гамма-распад, спонтанное деление, испускание запаздывающего нейтрона и запаздывающего протона.

Испускание каждой частицы или -кванта переводит ядро с энергетически более высокого уровня на новый более низкий уровень. Разность между исходным и конечным энергетическим уровнем (за вычетом энергии, связанной с массой покоя вылетающей частицы) характеризуют полную энергию распада.

Радиоактивный распад в общем виде можно записать уравнением:

А  В + Х + Е, где:

А - материнский нуклид,

В - дочерний нуклид,

Х - испускаемая частица или квант,

Е - кинетическая энергия испускаемых частиц или гамма- квантов.

Рассмотрим основные типы ядерных превращений.

4.1 Альфа - распад

Альфа распадом, называются ядерные превращения, при котором из ядра вылетает -частица, являющаяся ядром атома гелия Не и движущаяся со скоростью 1,410³-2,610³ км/с. Пробег в воздухе 2,5 - 9 см.

Превращения с испусканием -частиц характерны в основном для ядер атомов тяжелых элементов, исключение составляют ядра Ве, практически мгновенно распадающиеся на две-частицы, а также искусственно получаемого изотопа ¹⁵²Sm.

Согласно правилу смещения Фаянса и Соддии -распад всегда приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на две клетки левее от исходного элемента в периодической системе и имеющего на четыре единицы меньшее массовое число.

Образуется Возникшее при альфа – распаде ядра находятся в возбужденном состоянии и постепенно переходят в основное состояние, испуская γ – кванты.

А  В +α + γ +Е ( 4.1)

Ро  Рb +Не.

Часть энергии при -распаде может быть выделена в виде фотона:

U  Th +Не +.

Как правило, испускаемый γ – квант в реакции не записывается. Энергетический баланс этой реакции можно записать в следующем виде

Е_общ = Е_α + Е_γ + Е_отд

Схематично -распад можно записать

или (А,Z)  (А - 4, Z - 2) + .

Если обозначить массу исходного (материнского) ядра М, массу дочернегоМ и массу-частицы m_, то энергетическое условие самопроизвольного -распада может быть записано как:

МС²  МС² + m_С², (4. 2)

Таким образом, -распад происходит тогда, когда масса исходного ядра превышает массу конечного, более чем на массу одной -частицы или разница в дефектах масс материнского и дочернего ядер больше дефекта массы альфа- частицы:

Δ _m( A,Z)- Δ _m (A-4, Z-2)> Δ _m (α) (4.3)

Нетрудно подсчитать, что эти условия одновременно выполнимы для элементов периодической системы, начиная с А>120.

По современным представлениям альфа- частиц в ядре постоянно не существует, Они образуются при встрече двух протонов и двух нейтронов, т.е. при избытке протонов и нейтронов. В то же время, чтобы альфа- частица могла покинуть ядро, ей необходимо преодолеть ядерные силы, потенциальный барьер, величина которого 25 – 30 Мэв. На самом деле энергия альфа-частиц покидающих ядро лежит в пределах 4-9 Мэв. Это несоответствие объясняется квантовой механикой, согласно которой, альфа - частицам присущи волновые свойства.

Важное свойство  - распада заключается в том, что периоды полураспада исходного ядра меняются в громадных пределах, а энергия всех измеряемых частиц лежит в сравнительно узком интервале приблизительно от 4 до 9 Мэв.

Установлено также, что чем меньше период полураспада, тем больше энергия -частиц.

Гейгер и Неттол вывели эмпирическое уравнение, описывающее с хорошей точностью большинство случаев -распада:

lgT_1/2 = A - BE_ ( 4. 4)