45. Радіоактивне випромінювання. Закон радіоактивного розпаду. При радіоактивному перетворенні ядер окремі ядра розпадаються незалежно одне від другого. Тому для ядер кількості dN, що розпадаються за час dt можна записати: , або , проінтегрувавши цей вираз отримаємо: - закон радіоактивного розпаду, де  - стала розпаду, N – кількість ядер, що не розпалися в момент часу t.

46. Експериментальні методи реєстрації частинок.

47. Закони зміщення. Закономірності альфа- і бета-розпаду. Відповідно до закону зміщення Віна λ_max = b/T , тобто довжина хвилі λ_max, яка відповідає максимальному значенню спектральної випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна його термодинамічній температурі. Стала Віна b має експериментально визначене значення 2,9∙10^-3(м∙К). Вираз λ_max = b/T називають законом зміщення, тому що він визначає зміщення положення максимуму функції r(λ,T) із підвищенням температури в області коротких довжин хвиль.Користуючись виразом λ_max = b/T, Він знайшов, що величина максимального значення r(λ,T) пропорційна п`ятому степеню його температури r(λ,T) = c∙T ⁵, де с – стала величина. Вираз r(λ,T) = c∙T ⁵ називають другим законом Віна. Механізм альфа – розпаду. Явище альфа – радіоактивності було відкрите при вивченні радіоактивності природних елементів. Природні a - випромінювачі розміщуються в таблиці Менделєєва, починаючи з номера Z³82. Оскільки в a - частинці питома енергія зв’язку виявляється більшою, ніж у важких ядрах, a - розпад енергетично є завжди можливим. Наприклад, нуклід урану ²³⁸U випромінює a - частинки з періодом піврозпаду 4,5 10⁹ років. Самочинно відбувається ядерна реакція МеВ. Різниця мас і продуктів розпаду складає 4,2 МеВ. Правило зміщення для a- розпаду записують так:, де - материнське ядро; - дочірнє ядро; частинка; g-гамма - квант, який звільняється дочірнім ядром при переході у менш збуджений або нормальний стан. Процес a- розпаду має дві особливості, які були відкриті експериментально. Між пробігом a-частинки, який може бути мірою її початкової енергії і сталою радіоактивного розпаду l є проста залежність, емпірично встановлена Гейгером і Неттолом ще у 1911 році і відома під назвою закону Гейгера-Неттола: де А і В – сталі величини, причому стала В є однаковою для всіх радіоактивних елементів; А – є сталою лише в межах певного радіоактивного ряду. Із закону Гейгера – Неттола випливає, що чим менш стабільні ядра, тим більша енергія у a-частинок, які при цьому випромінюються. Наступною особливістю a- розпаду є досить низька енергія a- частинок у момент вилітання із ядра, яка змінюється в межах 4–9 МеВ. Насправді a- частинки у момент вилітання із ядра повинні мати значно більшу енергію, рівну висоті потенціального бар’єра. В реакції потенціальна енергія відштовхування a- частинки на межі ядра торію складає біля 30 МеВ. Відповідно, a- частинка після подолання такого бар’єра, повинна прискоритися до 30 МеВ. Експериментально ж виявлені a- частинки з енергією 4.2 МеВ. Перед початком a- розпаду в багатьох ядрах уже існує по одній a-частинці. Енергія такої частинки . Якби не було потенціального бар’єра, a- частинка вилітала б із ядра з енергією На рис. 3.2.1 V₀ – глибина потенціальної ями; - енергія a- частинок після вилітання із ядра. Таке враження, що залишаючи ядра a- частинки не помічають існування потенціального бар’єра.Згідно з законами квантової механіки a- частинки проявляють хвильові властивості. При попаданні на стінку потенціального бар’єра вони відбиваються від неї, як хвилі. Але не всі a- частинки відбиваються від стінки. Частина із них проникає крізь стінку і залишає ядро з енергією Е_a . Ефект проникнення a- частинок крізь потенціальний бар’єр при енергіях значно нижчих його висоти називається тунельним ефектом. Імовірність проникнення a- частинок крізь потенціальний бар’єр визначається його прозорістю Д. При цьому стала радіоактивного розпаду l, яка визначає імовірність розпаду за одиницю часу, дорівнює добутку “ прозорості “ бар’єра на число зіткнень n a- частинки з внутрішніми стінками бар’єра, тобто l = Д n,, де m_a - маса частинки, r – ширина потенціального бар’єра; n – число ударів a- частинки об стінку потенціального бар’єра; Д – прозорість бар’єра у цьому місці. Мала прозорість Д бар’єра для проникнення крізь нього a- частинки пояснює малу імовірність a- перетворення і великий період піврозпаду. Це і є пояснення закону Гейгера – Неттола.При a- розпаді дочірнє ядро, як правило перебуває у збудженому стані, і енергетично є нестабільним. Перехід з такого збудженого стану в нормальний стан супроводжується випромінюванням g-квантів. Середній час збудженого стану не перевищує 10^-13 с. Дискретний спектр a- випромінювання характеризує енергетичну структуру ядра атома. Пояснити дискретний спектр a- випромінювання можна виходячи лише із оболонкової моделі будови атомного ядра. Бета-розпад ядер радіоактивних елементів почали вивчати незабаром після відкриття радіоактивності. Відомі три види b-розпаду. Серед них b^--розпад, b⁺- розпад і К-захват. Експериментально було встановлено, що b- випромінювання складається з електронів або позитронів і що ці види випромінювання супроводжуються випусканням нейтрино або антинейтрино. Нейтрино – це елементарна частинка з нульовим електричним зарядом, і масою спокою рівною нулю. Нейтрино має напівцілий спін подібно до електрона. Аналогічні характеристики має антинейтрино. Правила зміщення для різних видів b- розпаду можна записати так:

а). електронний b- розпад

б). позитронний b- розпад

в). К-захват, або захват ядром електрона з К-оболонки де материнське ядро; дочірнє ядро; електрон; позитрон; антинейтрино; нейтрино. Для пояснення різних видів β-радіоактивності прийшлось подолати значні труднощі. Перш за все слід було обґрунтувати походження електронів в процесі b-розпаду. Протонно-нейтронна будова ядра виключає вилітання з ядра електронів, оскільки їх там немає. Сучасна теорія b- розпаду ґрунтується на теорії, розробленій Фермі в 1931 р. Фермі у цій теорії стверджує, що протон або нейтрон можуть взаємно перетворюватись в пару частинок позитрон-нейтрино, або електрон-антинейтрино. Така пара частинок породжується в ядрі, дякуючи слабким взаємодіям, подібно тому, як випромінюється фотон за рахунок електромагнітних взаємодій. При цьому слід мати на увазі, що до процесу b-розпаду, всередині ядра немає ні електрона ні нейтрино. Найпростішим прикладом b- розпаду є перетворення вільного нейтрона в протон з періодом піврозпаду 12 хв.: де антинейтрино; електрон.Такі перетворення нейтронів в протони були виявлені ще у 1950 році, при дослідженні потужних нейтронних пучків атомних реакторів. Процес перетворення нейтрона в протон в ядрах атомів супроводжується виконанням законів збереження електричних зарядів, імпульсу, масових чисел, лептонних зарядів та ін. Крім того, таке перетворення енергетично можливе, тому що маса нейтрона в спокої перевищує масу атома водню, тобто протона і електрона разом узятих. Різниця в масах нейтрона й протона з електроном дорівнює 0.782 МєВ. За рахунок цієї енергії може відбуватись самочинне перетворення нейтрона в протон.При позитронному розпаді, тобто процесі перетворення одного із протонів ядра в нейтрон недостаток енергії для такого перетворення доповнюється ядром де нейтрино, відрізняється від антинейтрино лише знаком лептонного заряду .Випадків перетворення вільного протона в нейтрон з випромінюванням нейтрино й позитрона поки що не спостерігалось. Такі перетворення заборонені законом збереження маси. Третій вид b- радіоактивності – електронне захоплення було відкрите ще у 1937 році американськими фізиками. Цей вид радіоактивності полягає в тому, що ядром можуть бути захоплені електрони з електронної оболонки власного атома. При цьому це можуть бути K-, L-, M- електрони. Те, що такий процес можливий, пояснюється в квантовій механіці. З квантової точки зору електронних орбіт в атомах не існує із за хвильових властивостей електронів. Перебування електронів на оболонках має імовірнісний характер. Перебування електронів біля ядра і навіть у ядрі законами квантової механіки не забороняється. Тому в тих випадках, коли материнське ядро дещо перенасичене протонами можливий електронний захват згідно схеми: Електронний захват завжди супроводжується рентгенівським випромінюванням. Енергетичний спектр b- випромінювання є завжди суцільним з різкою межею для деякої максимальної енергії Е_max (рис.3.2.2.).

Гіпотеза про те, що b- частинки народжуються лише певних енергій, а потім частину її втрачають при вилітанні з ядер не підтверджується експериментально. Все пояснюється дуже просто, це перш за все процес народження двох частинок – електрона й антинейтрино або позитрона й нейтрино. У випадку коли електрон має енергію Е_max антинейтрино має енергію, рівну нулю. Між двома частинками в процесі радіоактивного розпаду енергія розподіляється довільно.

45. Основні характеристики атомних ядер. Мас-спектрометри. Основними характеристиками атомних ядер, які виражають їх індивідуальність, є електричний заряд, маса, спін, електричний та магнітний моменти, енергія зв'язку та ін. Електричний заряд ядра позитивний. Носієм позитивного заряду яд-ра є протони. Оскільки заряд протона чисельно дорівнює заряду елек-трона е. то можна записати, що заряд ядра дорівнює Zе. Число Z. також виражає кількість протонів у ядрі та кількість електронів у атомі. Електричний заряд є однією з основних характеристик атомного ядра, від якої залежать оптичні, хімічні та інші фізичні властивості атомів. Другою важливою характеристикою є маса атомного ядра. Масу ато-мів і ядра у фізиці виражають в атомних одиницях маси. За атомну одиницю маси приймається 1/12 частина маси нукліда вуглецю := 1,660 53 *10-24 г= 1,660 53*10-27 кг, де NA = 6,022*1023 моль-1 - число Авогадро. Згідно із співвідношенням Ейнштейна =тс2, масу атомів виража-ють також в одиницях енергії. Так, маса протона mp = 1,0072764 а. о. м. = 938,2796 МеВ, маса нейтрона mn = 1,008665 а.о.м. = 939,5731 МеВ, а маса електрона тe = 5,49*10-4 а. о. м. = 0,511 МеВ. Оскільки маса елек-тронів дуже мала порівняно з масою ядра, то маса ядра майже збігається з масою атома. Маса атомів дещо відрізняється від цілих чисел. Маса ядра, вираже-на в а. о. м. і заокруглена до цілого числа, називається масовим числом А. Масове число виражає кількість нуклонів у ядрі атома. Ядро атома даного елемента позначають хімічним символом елемента, зверху біля символу вказують масове число А, а внизу - порядковий номер Z ядра Z. Тоді нейтронів у ядрі буде А-Z. Атомні ядра з однаковою кількістю протонів, але з різними масовими числами. Масс-спектрометрия — метод дослідження речовини шляхом визначення ставлення маси до заряду і кількості заряджених частинок, що утворюються при тому чи іншому процесі впливу на речовину. Історія мас-спектрометрії ведеться з основоположних дослідів Джона Томсона на початку XX століття. Кінець «-метрія» термін отримав після повсюдного переходу від детектування заряджених частинок за допомогою фотопластинок до електричних вимірювань іонних токов. Существенное відміну мас-спектрометрії від інших аналітичних фізико-хімічних методів полягає в тому, що оптичні, рентгенівські і деякі інші методи детектируют випромінювання або поглинання енергії молекулами або атомами, а мас-спектрометрія безпосередньо детектирует самі частки вещества. Масс-спектрометрія в широкому значенні - це наука отримання та інтерпретації мас-спектрів, які в свою чергу виходять за допомогою мас-спектрометров. Масс-спектрометр - це вакуумний прилад , що використовує фізичні закони руху заряджених частинок в магнітних і електричних полях, і необхідний для отримання мас-спектра. Масс-спектр, як і будь-який спектр, у вузькому сенсі - це залежність інтенсивності іонного струму від ставлення маси до заряду. Зважаючи квантування маси і заряду типовий мас-спектр є дискретним. Зазвичай так воно і є, але не завжди. Природа аналізованого речовини, особливості методу іонізації і вторинні процеси в мас-спектрометрі можуть залишати свій слід в мас-спектрі. Так іони з однаковими відносинами маси до заряду можуть виявитися в різних частинах спектра і навіть зробити частину його безперервним. Тому мас-спектр в широкому сенсі - це щось більше, що несе специфічну інформацію, і що робить процес його інтерпретації більш складним і захоплюючим. Іони бувають однозарядні і багатозарядні, причому як органічні, так і неорганічні. Більшість невеликих молекул при іонізації набуває лише один позитивний або негативний заряд. Атоми здатні набувати більш одного позитивного заряду і тільки один негативний. Білки, нуклеїнові кислоти та інші полімери здатні набувати множинні позитивні і негативні заряди. Атоми хімічних елементів мають специфічну масу. Таким чином, точне визначення маси аналізованої молекули, дозволяє визначити її елементний склад. Мас-спектрометрія також дозволяє отримати важливу інформацію про ізотопного складу аналізованих молекул. В органічних речовинах молекули є певні структури, утворені атомами. Природа і людина створили справді незліченна різноманіття органічних сполук. Сучасні мас-спектрометри здатні фрагментувати Детектируемая іони і визначати масу отриманих фрагментів. Таким чином, можна отримувати дані про структуру речовини.