Виды радиоактивных превращений

Альфа-распад. Ядро гелия ⁴₂Не называют альфа-частицей ( - частица). Альфа-распад состоит в том, что тяжелое ядро самопроизвольно испускает -частицу, в результате массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а зарядовое на две. Распад протекает по схеме:

(3.10)

где Х – символ материнского, а Y – дочернего ядер.

Бета-распад. Электроны и позитроны, образующиеся при радиоактивных превращениях, называют бета-частицами. Существуют три разновидности бета-распада. В первом случае ядро, испытывающее радиоактивное превращение испускает электрон:  ^- - или электронный распад; в другом – позитрон: ⁺ - или позитронный распад; в третьем случае ядро поглощает один из электронов электронной оболочки атома, испуская нейтрино: е – или электронный захват.

Явление электронного распада состоит в том, что ядро самопроизвольно испускает электрон и легчайшую электрически нейтральную частицу антинейтрино . При этом зарядовое число ядра увеличивается на единицу, а массовое – остается постоянным. Схема распада имеет вид:

. (3.11)

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе бета-распада, бета-электрону приписывают зарядовое число Z = -1 и массовое число А = 0.

Позитронный распад протекает по схеме

. (3.12)

При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино . В результате образуется дочернее ядро с зарядовым числом меньшим на единицу. Схема радиоактивного превращения ядра при электронном захвате имеет вид:

. (3.13)

Пример 7. Таллий – 208 испытывает электронный бета-распад с периодом полураспада 3,07 мин. Ядро какого изотопа образуется в результате распада? Рассчитать массу дочерних ядер через 20 с, если в начальный момент времени активность таллия – 208 равнялась 5000 Бк.

Необходимо привести общую схему электронного бета-распада:

.

Из схемы следует, что образуется ядро с зарядовым числом большим на единицу. Порядковый номер таллия в таблице Менделеева 81, следовательно, образуется ядро свинца, порядковый номер которого 82:

.

Массу образующегося элемента можно найти, если известно число нуклидов N_Pb:

,

где M_Pb – молярная масса свинца: M_Pb = 208 · 10^-3 кг/моль

Для нахождения числа дочерних ядер необходимо использовать формулу:

N_Pb = N₀ (1 – е ^{- t}),

Чтобы определить количество материнских ядер в начальный момент времени необходимо воспользоваться формулой (3.7), связывающей активность радионуклида с числом ядер:

А = N

Таким образом

,

где А₀ – активность источника в начальный момент времени.

В условии дана не постоянная распада, а период полураспада. Используя формулу (3.5):

получают и , следовательно,

и

Пример 8. Найти энергию ядерной реакции

.

Из приведенной схемы следует, что ядро взаимодействует с альфа-частицей (). В результате образуются и ядро водорода (), то есть протон.

Для того, чтобы найти энергию реакции, необходимо найти разность масс исходных и конечных продуктов реакции (m). А далее воспользоваться формулой Эйнштейна, связывающей энергию и массу системы: Е = mс².

Следовательно, энергия ядерной реакции: Е = mс².

Согласно таблице 2 Приложения, массы нуклидов, участвующих в реакции, следующие: ³⁰Аl – 26,98295 а.е.м.; ⁴Не – 4,00278 а.е.м.; ³⁰Si – 29,97555 а.е.м.; ¹Н – 1,00728 а.е.м.

m = (26,98295 + 4,00278 – 29,97555 – 1,00728) а.е.м = 2,910^-3 а.е.м.

Из проведенного расчета следует, что масса системы уменьшилась, следовательно, система перешла в состояние с меньшей энергией и ядерная реакция идет с выделением энергии:

Е = 2,9 · 10^-3·1,66 · 10^-27 кг · 9 ·10¹⁶ м²/с² = 4,333 · 10^-13Дж = 2,71 МэВ.