54.Радиоактивность.Активность,постоянная распада,период полураспада.Закон радиоактивного распада.

Радиоактивностью называют способность атомных ядер спонтанно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Радиоактивность можно разделить на два вида: естественную и искусственную. Естественную можно наблюдать у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная радиоактивность наблюдается у изотопов которые были получены в результате проведения ядерных реакций.

Радиоактивное излучение бывает трех типов.

a -излучение - этому излучению присущи отклонения электрическим и магнитными полями. Оно обладает высокой ионизирующей способностью. Также характеризуется малой проникающей способностью. По своей сути это поток ядер гелия. Заряд a -частицы равен +2е, а масса совпадает с массой ядра изотопа гелия 4 2 Не.

b -излучение - также как и a -излучение , данное излучение отклоняется электрическим и магнитным полями. Если продолжить сравнение то его ионизирующая способность значительно меньше (приблизительно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше, чем у a -частиц. b -излучение -- это поток быстрых электронов.

g -излучение -- в отличие от двух предыдущих, не отклоняется электрическим и магнитными полями. Ионизирующая способность невелика. А вот проникающая способность просто колоссальна. g -излучение это коротковолновое электромагнитное излучение у которого длина волны не велика l < 10 -10 м. Следствием этого являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Период полураспада (Т 1/2 ) сокращается, приблизительно в два раза.

ПОСТОЯННАЯ РАСПАДА - константа, характеризующая радиоактивный распад:

где . - время жизни радиоактивного ядра. П. р. связана с периодом полураспада соотношением

Период полураспада — время, за которое первоначальное количество радиоактивных ядер уменьшится в два раза

Активность радиоактивного источника -- число элементарных радиоактивных распадов в единицу времени. Удельная активность -- активность, приходящаяся на единицу массы вещества источника.

Объёмная активность -- активность, приходящаяся на единицу объёма источника. Удельная и объёмная активности используются, как правило, в случае, когда радиоактивное вещество распределено по объёму источника.

Поверхностная активность -- активность, приходящаяся на единицу площади источника. Эта величина применяется для случаев, когда радиоактивное вещество распределено по поверхности источника.

Закон радиоактивного распада

Каждый радиоактивный элемент можно охарактеризовать

промежутком времени Т, в течение которого распадается

половина ядер, имевшихся в момент начала отсчета времени.

Период полураспада- основная константа радиоактивного

элемента. Период полураспада характеризует скорость распада.

Например: радий 88Ra226 имеет период полураспада Т=1600 лет;

торий 90Th231 -25.64 часа; полоний84Po212 -3•10-7 сек.

Выведем закон радиоактивного распада. Обозначим N-число

ядер в момент времени t.

Так как n=t/T, то N=N0•2-t/T. Это и есть закон радиоактивного

распада. За время t распадается число ядер,

равное Т=Т0-Т=Т0(1-2-е.Е)

55.α-РАСПАД.ПРАВИЛА СМЕЩЕНИЯ

Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома ⁴He).

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

56.β¯-И β+-РАСПАД,К-ЗАХВАТ.ПРАВИЛА СМЕЩЕНИЯ

Бе́та-распа́д (β-распад) — тип радиоактивного распада, обусловленныйслабым взаимодействиеми изменяющий заряд ядра на единицу без изменениямассового числа. При этом ядро излучаетбета-частицу(электронилипозитрон), а также нейтральную фундаментальную частицу с полуцелым спином (электронное нейтриноили электронное антинейтрино, соответственно). Если распад происходит с испусканием электрона и антинейтрино он называется «бета-минус-распадом» (β−). В случае распада сиспусканием позитронаи нейтрино — «бета-плюс-распадом» (β+). Кроме β− и β+-распадов, к бета-распадам относят такжеэлектронный захват, когда ядро захватывает атомный электрон и испускает электронное нейтрино.

В β−-распаде слабое взаимодействиепревращаетнейтронвпротон, при этом испускаются электрон и электронноеантинейтрино:

.

На фундаментальномуровне (показанном наФейнмановской диаграмме) это обусловлено превращениемd-кваркавu-кваркс испусканиемвиртуальногоW−-бозона, который, в свою очередь, распадается на электрон и антинейтрино.

Свободный нейтрон также испытывает β−-распад (см. Бета-распад нейтрона). Это обусловлено тем, что масса нейтрона больше, чем суммарная масса протона, электрона и антинейтрино. Связанный в ядре нейтрон может распадаться по этому каналу только в том случае, если масса материнского атома Mi больше массы дочернего атома Mf (или, вообще говоря, если полная энергия начального состояния меньше полной энергии любого возможного конечного состояния)[1]. Разность (Mi − Mf)·c2 = Qβ называется доступной энергией бета-распада. Она совпадает с суммарнойкинетической энергиейдвижущихся после распада частиц — электрона, антинейтрино и дочернего ядра (так называемого ядра отдачи, чья доля в общем балансе уносимой кинетической энергии очень мала, поскольку оно значительно массивнее двух других частиц). Если пренебречь вкладом ядра отдачи, то доступная энергия, выделившаяся при бета-распаде, распределяется в виде кинетической энергии между электроном и антинейтрино, причём это распределение непрерывно: каждая из двух частиц может иметь кинетическую энергию, лежащую в пределах от 0 до Qβ. Закон сохранения энергии разрешает β−-распад лишь при неотрицательном Qβ.

Дочерний атом при β−-распаде обычно возникает в виде однократно заряженного положительного иона, поскольку ядро увеличивает свой заряд на единицу, а количество электронов в оболочке остаётся прежним. Устойчивое состояние электронной оболочки такого иона может отличаться от состояния оболочки материнского атома, поэтому после распада происходит перестройка электронной оболочки. Кроме того, возможен бета-распад в связанное состояние, когда вылетевший из ядра электрон с низкой энергией захватывается на одну из орбиталей оболочки; в этом случае дочерний атом остаётся нейтральным.

В β+-распаде протон в ядре превращается в нейтрон, позитронинейтрино:

В отличие от β−-распада, β+-распад не может происходить вне ядра, поскольку масса свободного протона меньше массы нейтрона (распад мог бы идти только в том случае, если бы масса протона превосходила суммарную массу нейтрона, позитрона и нейтрино). Протон может распадаться по каналу β+-распада лишь внутри ядер, когда абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц. Энергетический баланс при позитронном распаде выглядит следующим образом: (Mi − Mf − 2me)·c2 = Qβ, гдеme — масса электрона. Как и в случае β−-распада, доступная энергия Qβ распределяется между позитроном, нейтрино и ядром отдачи (на долю последнего приходится лишь малая часть); кинетическая энергия позитрона и нейтрино распределены непрерывно в пределах от 0 до Qβ; распад разрешён энергетически лишь при неотрицательном Qβ.

При позитронном распаде дочерний атом возникает в виде отрицательного однозарядного иона, поскольку заряд ядра уменьшается на единицу. Один из возможных каналов позитронного распада — аннигиляция появившегося позитрона с одним из электронов оболочки.

Во всех случаях, когда β+-распад энергетически возможен (и протон является частью ядра, несущего электронные оболочки либо находящегося в плазме со свободными электронами), он сопровождается конкурирующим процессом электронного захвата, при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:

Но если разность масс начального и конечного атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ), то электронный захватпроисходит, не сопровождаясь позитронным распадом; последний в этом случае запрещёнзаконом сохранения энергии. В отличие от ранее рассмотренных электронного и позитронного бета-распада, в электронном захвате вся доступная энергия (кроме кинетической энергии ядра отдачи и энергии возбуждения оболочки Ex) уносится одной частицей — нейтрино. Поэтому нейтринный спектр здесь представляет из себя не гладкое распределение, а моноэнергетическую линию вблизи Qβ.

Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра, процессы бета-распада превращают один химический элемент в другой, соседний потаблице Менделеева. Например:

(-распад),

(-распад),

(электронный захват).

Бета-распад не меняет число нуклоновв ядре A, но меняет только егозарядZ. Таким образом может быть введён набор всех нуклидов с одинаковым A; этиизобарныенуклиды могут превращаться друг в друга при бета-распаде. Среди них некоторые нуклиды (по крайней мере, один) бета-стабильны, поскольку они представляют собой локальные минимумыизбытка массы: если такое ядро имеет числа (A, Z), соседние ядра (A, Z − 1) и (A, Z + 1) имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада в (A, Z), но не наоборот. Необходимо заметить, что бета-стабильное ядро может подвергаться другим типам радиоактивного распада (альфа-распаду, например). Большинство изотопов, существующих в природных условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с такими большимипериодами полураспада, что они не успели исчезнуть за примерно 4,5 млрд лет, прошедшие с моментануклеосинтеза. Например,40K, который испытывает все три типа бета-распада (бета-минус, бета-плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1,277·109 лет.

Бета-распад можно рассматривать как переход между двумя квантовомеханическими состояниями, обусловленный возмущением, поэтому он подчиняется золотому правилу Ферми.

Правила смещения

Атомная масса не меняется (А"=А). Заряд ядра увеличивается на единицу. ( Z"=Z+1). Вещество смещается на одну клетку к концу периодической системы Менделеева.