Радиоактивный распад ядер

Согласно современным представлениям, радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. Радиоактивность, наблюдаемая у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций на ускорителях заряженных частиц или в ядерных реакторах, называется искусственной. К числу радиоактивных процессов относятся 1) -распад, 2)-распад, 3) - излучение ядер, 4) спонтанное деление тяжелых ядер.

Отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, поэтому можно считать, что число ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально как числу имеющихся ядер атомов радиоактивного элемента N, так и промежутку времени dt:

dN= -   N dt , (2)

где  - постоянная распада. Знак минус показывает, что число радиоактивных ядер уменьшается со временем. Интегрируя это выражение, получаем

N = N₀  e^-t , (3)

где N₀ - число ядер в начальный момент времени, N- количество не распавшихся ядер в момент времени t.

Для каждого радиоактивного элемента постоянная распада имеет определенное значение и является основной его характеристикой. Обратная величина  = 1/ называется временем жизни изотопа и равна времени, за которое число радиоактивных ядер уменьшится в е раз . Другой временной характеристикой радиоактивного элемента является его период полураспада, равный времени, за которое число радиоактивных ядер и активность радиоактивного изотопа уменьшится в 2 раза. Нетрудно показать, что период полураспада Т=ln2/=ln2 .

Опыт показывает, что интенсивность излучения при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону

I = I₀ e^-x , (5)

где I₀- интенсивность излучения на входе в поглощающий слой; x – толщина слоя; - постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества и называемая коэффициентом поглощения.

Убывание интенсивности излучения при прохождении через вещество обусловлено разнообразными процессами взаимодействия с атомами среды. Это взаимодействие позволяет регистрировать и даже наблюдать элементарные частицы по тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете, нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

-лучи представляют собой поток ядер ₂⁴Не. Примером может служить распад изотопа урана ₉₂²³⁸U ₉₀²³⁴Tr + ₂⁴Не. Из схемы распада видно, что атомный номер дочернего ядра на две единицы, а массовое число на четыре единицы меньше, чем у исходного ядра. Альфа-распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром -лучей. Скорости, с которыми -частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики, их кинетическая энергия имеет порядок несколько МэВ. Пролетая через вещество, -частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества, и в конце концов останавливается. Так, в воздухе при нормальном давлении пробег -частиц составляет несколько сантиметров, а в твердом веществе имеет величину порядка 10^-3 см = 10 мкм.

Описание -распада основано на туннельном эффекте. Т.к. покидая ядро, -частица преодолевает потенциальный барьер, высота которого больше энергии -частицы.

Существует три разновидности -распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом - позитрон, в третьем случае, называемом электронным захватом, ядро поглощает один из электронов К-оболочки ( реже L- или М- оболочки). Электронный захват сопровождается рентгеновским излучением, которое испускается при заполнении освобожденного захваченным электроном места в электронной оболочке электронами из вышележащих оболочек. При -распаде имеют место слабые взаимодействия частиц .

При исследовании -распада было обнаружено нарушение закона сохранения энергии, что и привело к предположению о существовании новой частицы , для которой заряд и масса равны нулю.

Спонтанное деление ядер было обнаружено в 1940 г. советскими физиками под руководством Г.Н.Флерова как реакция деления ядра урана на два примерно равных осколка. Впоследствии это явление наблюдалось для других тяжелых ядер.

Для осуществления вынужденного деления ядер необходима ядерная реакция- процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра.

В 1938 г. немецкие физики О.Ган и Ф.Штрассман обнаружили, что при обличении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы. Один из возможных путей деления

₉₂ ²³⁵U + n  ₅₅ ¹⁴⁰Cs + ₃₇ ⁹⁴Rb +2n

с последующими превращениями осколков деления. Испускание при делении ядер U и Pt нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции. В куске чистого урана или плутония каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием примерно 2.5 новых нейтронов. Однако, если масса такого куска меньше некоторого критического значения, то большинство испущенных нейтронов вылетает наружу, не вызывая деления, т.е. цепная реакция не возникает. При массе, большей критической, происходит быстрое размножение нейтронов, и реакция принимает характер взрыва, что имеет место при взрыве атомной бомбы. Для управления цепной ядерной реакцией в ядерных реакторах используются специальные поглотители ( графитовые стрежни, содержащие кадмий и бор).

Ядерный синтез, т.е. слияние легких ядер, сопровождается выделением огромной энергии. Для синтеза необходимо преодолеть кулоновское отталкивание ядер, поэтому требуются очень высокие температуры ( порядка 10⁹ К) , и подобные реакции называются термоядерными.

С некоторой вероятностью реакции могут иметь место при 10⁷ К, в том числе и в результате туннельного эффекта. Особенно благоприятны условия для синтеза дейтерия и трития

₁²d + ₁³H  ₂⁴He + n

сопровождаемого выделением примерно 17.6 МэВ, что используется в водородной бомбе. На Солнце и других звездах могут иметь место и другие термоядерные реакции ( протонно-протонный и углеродно-азотный циклы).

Осуществление управляемого термоядерного синтеза связано с огромными техническими трудностями, т.к. необходимо нагретое до 10⁹ К вещество, представляющее собой полностью ионизированную плазму, удерживать в ограниченном объеме пространства, изолировав от стенок камеры. Для удержания плазмы используется магнитное поле. В 2006 г. в Европе подписано соглашение о совместном строительстве первой установки по осуществлению управляемого термоядерного синтеза.