m = 3,4 10−28 ≈ 300 , т.е. m ≈ (200 −300)me . me 9,1 10−31

Контрольные вопросы

1.Опишите состав и характеристики атомного ядра.

2.Что называется энергией связи и дефектом масс ядра?

3.Перечислите и опишите модели атомных ядер.

4.Опишите ядерные силы и их состав.

2.РАДИОАКТИВНОСТЬ

2.1.Естественная и искусственная радиоактивность

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы других химических элементов, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Ядра, подверженные распаду, называют

радиоактивными, не подверженные – стабильными.

Впроцессе распада у ядра могут измениться массовое (А)

изарядовое (Z) числа:

Z X A → Z 'Y A" + a1 + a2 +.... + ai ,

Материнское Дочернее

ядро ядро

где ai – частицы, вылетающие в процессе распада.

Необходимым, но не всегда достаточным условием радиоактивного распада является его энергетическая выгодность, то есть масса радиоактивного материнского ядра должна быть больше суммы масс дочернего ядра и частиц, вылетающих при распаде, то

есть распад возможен при mx > my + ∑mi . Энерговыделение Q

i

характеризуется энергией распада в Дж:

Q = mx − my −∑i mi c2

26

или в МэВ:

Q= 931 mx − my −∑mi ,

i

где масса частиц берется в а.е.м.

Всякий радиоактивный процесс, протекающий при Q>0,

называется экзотермическим, а при Q< 0 – эндотермическим.

Существуют естественная и искусственная радиоактивности. Между ними нет различий. Не все нестабильные ядра являются радиоактивными. На практике к радиоактивным относятся ядра, время жизни которых может быть измерено современными радиотехническими средствами (от 10-22с до 1010 лет).

Радиоактивность – процесс статистический; одинаковые ядра распадаются за различное время, т. е. протекает изомерный процесс.

Естественная радиоактивность – радиоактивность,

наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов( например, U238).

Искусственная радиоактивность – радиоактивность, кото-

рая наблюдается у изотопов, являющихся результатом ядерных реакций. Искусственное радиоактивное ядро может быть получено путем бомбардировки стабильных ядер частицами. Например,

β-радиоактивное ядро 6 C14 получается при бомбардировке ядра

период полураспада T12 =5730лет. Существуют различные типы радиоактивного распада, которые показаны в табл. 1.

В 1984 году Джонс и Роуз открыли C14 -радиоактивность, т.е.

испускание C14 ядрами Ra223 по схеме: Ra223 →C14+Pb209+Q (31,85 МэВ). Спонтанный вылет C14 был обнаружен и для других ядер: Fr221, Ra221, Ra222. В 1987 году открыт спонтанный распад ядер с вылетом тяжелых фрагментов, т. е. кластерная радиоактив-

ность с испусканием Ne24, Mg28 , Si32. Эти распады хорошо объясня-

ются теориейα-распада, предложенной Г. Гамовым в 1928 году.

Протонная радиоактивность впервые наблюдалась в ядрах Tm147 и Lu151 по схеме: Lu151 →Yb150+p. В настоящее время из-

27

вестно свыше 30 ядер (от Sb105 до Tl177), испускающих протоны из основного состояния.

Примечание. Е – сильное взаимодействие; W – слабое взаимодействие; S – электромагнитное взаимодействие.

Двухпротонная радиоактивность была предсказана В.И. Гольданским в 1960 г. и обнаружена группой ученых под руководством

Дж. Черни в 1983 г. при β+-распаде изотопа Al22, который образовывался в реакции: Mg24 + He3 →Al22 + p + 4n, затем Al22 распадался

по цепочке: Al22 →Mg22 + β+ (с T1/2 = 70 мс) →Ne20+2p. Энергия вылетевших двух протонов составляла 4,139 и 5,636МэВ соответ-

ственно.

В 1979 г. в ЦЕРНе была открыта запаздывающая двухнейтронная радиоактивность бериллия Be11, который образовался в результате β-распада ядер Li11(T1/2 = 8,5 мс). В дальнейшем ис-

пускание пары запаздывающих нейтронов было обнаружено у ядер Na30, Na31 и Na32.

28

Правила сдвига зарядового и массового чисел позволяют сгруппировать все радиоактивные элементы в четыре больших семейства (или радиоактивные ряды):

7 α -распадов и 9 β± -распадов) → 82 Pb207 ,

где 82 Pb208 , 83 Bi209 , 82 Pb203 , 82 Pb207 – конечные продукты распада.

2.2. Закон радиоактивного распада

Интенсивность самопроизвольного радиоактивного распада со временем уменьшается. Это связано с тем, что с течением времени уменьшается первоначальное число радиоактивных ядер. Данное утверждение основывается на двух предположениях:

1)постоянная распада не зависит от внешних условий;

2)число ядер dN , распадающихся за время dt , пропорционально числу нераспавшихся ядер N в момент времени t, т.е.

dN = −λNdt .

Самопроизвольный распад ядер подчиняется закону радиоактивного распада:

N = N0e−λt ,

где Nо – число нераспавшихся ядер в момент времени t = 0; λ – постоянная распада , [λ]= c−1 , тогда число распавшихся ядер соста-

вит

N0 − N = N0 (1−e−λt ).

29

ядер, распадающихся за единицу времени.

Время, за которое распадается половина из общего числа ядер, называют периодом полураспада T12 . Он связан с постоян-

ной распада: T12 = lnλ2 = 0,693λ .

Время, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в е раз, называется временем релаксации. Оно связано с постоян-

ной распада следующим соотношением: τ = λ1 .

Если происходит цепочка радиоактивных распадов и за время dt из общего числа материнских ядер (Nm) распадается dNm ядер, то

есть dNm = Nmλmdt , и за то же время распадается dNg (дочерних ядер), то есть dNg = Ng λg dt , то при радиоактивном равновесии

выполняется следующее условие: dNm = dNg , или λm Nm = λg Ng .

Соотношение Nm = λg =... называется вековым уравнением.

Ng λm

Так как

Масса радиоактивных ядер определяется по формуле

где А – атомная масса; μ – молярная масса; NА – число Авогадро. Величина, равная числу распада ядер за единицу времени,

называется активностью: a = dNdt = λN , [a]= Ки(Кюри) или Бк

(Беккерель). 1Бк = 1распад/с.

1Ки = 3,7·1010Бк.

Зависимость активности от времени имеет вид

30