Вопросы

1.Сформулируйте закон радиоактивного распада в диффереренциальной форме.

2.Сформулируйте закон радиоактивного распада в интегральной форме.

3. Как определить число распавшихся и оставшихся ядер по истечении времени t?

4.Дайте определение абсолютной радиоактивности радионуклида и единицы радиоактивности.

5. Дайте определение периода полураспада радиоактивного вещества.

6. Дайте определение радиоактивного равновесия.

7. Что собой представляют радиоактивные семейства?

Глава 4. Типы ядерных превращений

После открытия явления радиоактивного распада, Э. Резерфорд, сосредоточил внимание на изучении этого явления. В 1899 г. Э. Резерфорд установил, что излучение урана состоит из двух компонент, обозначенных впоследствии первыми буквами греческого алфавита и , спустя год П. Вийар открыл гамма-излучение (г).

Рис.4.1.Отклонение альфа-, бета- и гамма-лучей в электрическом и магнитном полях

В 1903 г Резерфордом и Содди была предложена теория радиоактивного распада атомов, согласно которой в результате радиоактивного распада происходит превращение одного химического элемента в другой. В процессе эмиссии радиоактивного излучения вещество претерпевает ряд изменений. При этом довольно быстро было обнаружено, что разные ядра распадаются по-разному с испусканием различных частиц в зависимости от комбинации частиц в ядре или его состояния.

В 1913 г. Содди и Фаянс независимо друг от друга сформулировали правило смещения при различных видах радиоактивного распада.

Радиоактивные превращения обладают двумя особенностями, делающие их более простыми по сравнению с химическими превращениями.

Первая особенность заключается в том, что для всех типов радиоактивных превращений справедлив один кинетический закон.

Вторая особенность состоит в том, что количество типов радиоактивных превращений очень ограничено.

В настоящее время известно семь основных типов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, гамма-распад, спонтанное деление, испускание запаздывающего нейтрона и запаздывающего протона.

Испускание каждой частицы или -кванта переводит ядро с энергетически более высокого уровня на новый более низкий уровень. Разность между исходным и конечным энергетическим уровнем (за вычетом энергии, связанной с массой покоя вылетающей частицы) характеризуют полную энергию распада.

Радиоактивный распад в общем виде можно записать уравнением:

А  В + Х + Е, где:

А - материнский нуклид,

В - дочерний нуклид,

Х - испускаемая частица или квант,

Е - кинетическая энергия испускаемых частиц или гамма- квантов.

Рассмотрим основные типы ядерных превращений.

4.1 Альфа - распад

Альфа распадом, называются ядерные превращения, при котором из ядра вылетает -частица, являющаяся ядром атома гелия Не и движущаяся со скоростью 1,410³-2,610³ км/с. Пробег в воздухе 2,5 - 9 см.

Превращения с испусканием -частиц характерны в основном для ядер атомов тяжелых элементов, исключение составляют ядра Ве, практически мгновенно распадающиеся на две -частицы, а также искусственно получаемого изотопа ¹⁵²Sm.

Согласно правилу смещения Фаянса и Соддии -распад всегда приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на две клетки левее от исходного элемента в периодической системе и имеющего на четыре единицы меньшее массовое число.

Образуется Возникшее при альфа – распаде ядра находятся в возбужденном состоянии и постепенно переходят в основное состояние, испуская г – кванты.

А  В + б + г + Е ( 4.1)

Ро  Рb + Не.

Часть энергии при -распаде может быть выделена в виде фотона:

U  Th + Не + .

Как правило, испускаемый г – квант в реакции не записывается. Энергетический баланс этой реакции можно записать в следующем виде

Е_общ = Е_б + Е_г + Е_отд

Схематично -распад можно записать

или (А,Z)  (А - 4, Z - 2) + .

Если обозначить массу исходного (материнского) ядра М, массу дочернего М и массу -частицы m_, то энергетическое условие самопроизвольного -распада может быть записано как:

МС²  МС² + m_С², (4. 2)

Таким образом, -распад происходит тогда, когда масса исходного ядра превышает массу конечного, более чем на массу одной -частицы или разница в дефектах масс материнского и дочернего ядер больше дефекта массы альфа- частицы:

Д _m( A,Z)- Д _m (A-4, Z-2)> Д _m ( б) (4.3)

Нетрудно подсчитать, что эти условия одновременно выполнимы для элементов периодической системы, начиная с А>120.

По современным представлениям альфа- частиц в ядре постоянно не существует, Они образуются при встрече двух протонов и двух нейтронов, т.е. при избытке протонов и нейтронов. В то же время, чтобы альфа- частица могла покинуть ядро, ей необходимо преодолеть ядерные силы, потенциальный барьер, величина которого 25 – 30 Мэв. На самом деле энергия альфа-частиц покидающих ядро лежит в пределах 4-9 Мэв. Это несоответствие объясняется квантовой механикой, согласно которой, альфа - частицам присущи волновые свойства.

Важное свойство  - распада заключается в том, что периоды полураспада исходного ядра меняются в громадных пределах, а энергия всех измеряемых частиц лежит в сравнительно узком интервале приблизительно от 4 до 9 Мэв.

Установлено также, что чем меньше период полураспада, тем больше энергия -частиц.

Гейгер и Неттол вывели эмпирическое уравнение, описывающее с хорошей точностью большинство случаев -распада:

lgT_1/2 = A - BE_ ( 4. 4)