Література

1. И.В.Савельев, Курс общей физики, т.3. – М.: Наука, 1982.

2. И.В.Ракобольская, Ядерная физика. – М.: МГУ, 1982.

3. Г.А.Зисман, О.М.Тодес, Курс общей физики, т.3. – М.: Наука, 1972.

4. П.Е.Колпаков, Основы ядерной физики. – М.: Просвещение, 1969.

5. О.Ф.Кабардин, Практикум по ядерной физике. – М., 1965.

Лабораторна робота №11 Бета-розпад ізотопів атмосферного повітря

Мета роботи: зняття кривої природної радіоактивності.

Прилади та обладнання: лічильник Гейгера-Мюллера з виносним детектором, свинцева комірка, прилад для підрахунку електричних імпульсів СИЛ-1, фільтрувальний папір пилосос із сітчастою насадкою на вхідній трубі, секундомір.

Теоретичні відомості

Природна радіоактивність атмосферного повітря зумовлена, в основному, наявністю в повітрі такого газу, як радон, а також продуктів його розпаду, які, в своїй більшості, володіють -радіоактивністю. Причому акти перетворення одних ядер в інші не поодинокі, тобто відбувається цілий ланцюг перетворень доти, доки не утворяться стабільні ядра. Такі ланцюгові перетворення складають радіоактивні ряди. Всі природні радіоактивні ізотопи об’єднуються в чотири радіоактивні ряди чи сімейства: урану , торію , актинію та нептунію . У відношенні до продуктів розпаду кожне ядро, що передує їм, називається материнським, а ядро продуктів розпаду − дочірнім [1]. В утворенні рядів беруть участь всі типи радіоактивності − .

Оскільки метою даної роботи є вивчення -розпаду, розглянемо його різновиди.

1.  -розпад, або електронний розпад. При ньому ядро зазнає перетворення в інше дочірнє з випусканням електрона . Проте електрон належить до так званих дивних частинок, які народжуються парами. При -розпаді в парі з електроном народжується і випускається ядром частинка антинейтрино (знак “~”, що називається “тильда”, означає античастинку). Тому такий тип розпаду відбувається за схемою:

. (1)

На перший погляд спостерігається дивна картина: електрон не входить до складу ядра (воно складається лише з протонів та

нейтронів ), проте випромінюється ним при -розпаді. В чому ж річ?

Дійсно, ні , ні не входять до складу ядра, а народжуються в момент випромінювання. В цей же момент один з нейтронів перетворюється в протон з випусканням електрона та антинейтрино:

. (2)

Прикладом хімічного елемента, який володіє властивістю -розпаду, є один з ізотопів кобальту . Перетворення типу (1) для нього має вигляд:

. (3)

2.  -розпад, або позитронний розпад. Електрон має античастинку − позитрон , тобто і електрон, і позитрон мають однакову масу й однакову величину електричного заряду, проте знаки їх зарядів протилежні. Існує й така частинка як нейтрино (її античастинка − антинейтрино ), що має масу, в 10⁴ разів меншу від маси електрона, і не має електричного заряду (нейтральна). Назва нейтрино в перекладі з італійської означає “маленький нейтрон” або “нейтрончик”.

При -розпаді материнське ядро випускає позитрон і нейтрино й перетворюється в дочірнє ядро за схемою:

. (4)

Позитрон та нейтрино також не входять до складу ядра, а народжуються при перетворенні протона ядра в нейтрон:

. (5)

Проте, якщо перетворення (2) відбувається спонтанно (самовільно), то процес (5) здійснюється зі збудженим протоном, тобто при наданні йому енергії, оскільки маса протона менша від маси нейтрона .

Прикладом позитронного розпаду може бути перетворення з ізотопом азоту:

. (6)

3. Електронний захват. Цей вид радіоактивності також відноситься до -радіоактивності і полягає в тому, що ядро атома поглинає (захоплює) один з електронів електронної оболонки атома,

і, як правило, з К-шару (К-захват). Оскільки електрони до складу ядра не входять, то при електронному захваті один з протонів ядра, поглинувши електрон, перетворюється в нейтрон з випусканням нейтрино:

. (7)

Отже, загальна схема такого ядерного перетворення має вигляд:

; (8)

в конкретному випадку для ізотопу калію :

. (9)

(Докладно про К-захват див. [лаб.3])

Можливий і L- або М-захват, проте вони менш ймовірні в порівнянні з К-захватом. Так ймовірність L-захвату в сотні разів менша від ймовірності К-захвату.

Як видно з реакцій (1) − (9), при -розпаді виконуються такі закони збереження мікросвіту:

1. Закон збереження зарядового числа; сумарні зарядові числа продуктів розпаду радіоактивного ядра дорівнюють зарядовому числу материнського ядра;

2. Закон збереження масового числа; числа нуклонів до і після перетворення (реакції) рівні.

Закони -розпаду часто формулюються у вигляді одного із правил зміщення:

при -розпаді та електронному захваті з материнського ядра утворюється дочірнє з тим же масовим числом А, що й у материнського, і з зарядовим числом Z-1, на одиницю меншим, тобто дочірнє ядро отримується з материнського шляхом зміщення материнського в періодичній системі елементів на одне місце до початку таблиці Д.І.Менделєєва;

при -розпаді зарядове число збільшується на одиницю, тобто відбувається зміщення до кінця таблиці.

Як вже відмічалось, радіоактивність повітря визначається наявністю в ньому , кількість якого обумовлена вмістом радію в ґрунтах даної місцевості, оскільки останній являється материнським ядром у відношенні до радону. Концентрація радію в різних ґрунтах коливається від до на кубічний метр ґрунту. Радій перетворюється у радон шляхом альфа-розпаду (рис. 1).

Р адон − радіоактивний інерт­ний газ, що дифундує із ґрунту в повітря. Тому його концентрація визначається також умовами його виходу з ґрунту. Розпад радону (рис. 1) відбувається також шляхом випускання альфа-частинок з періодом напіврозпаду  дні. Концентрація радону в повітрі дуже мала (від до атомів на м³) і коливається в залежності від місця та часу спостереження.

Продуктами розпаду радону є послідовно (рис. 1) полоній , свинець , вісмут та полоній . Подальші продукти розпаду можна не розглядати, оскільки внаслідок їх великих періодів напіврозпаду концентрація їх в атмосфері нерівноважна, вони осідають або вимиваються з атмос­фери. Великі періоди напіврозпаду є також причиною того, що в короткочасних дослідах, як це є в даній роботі, їх визначити неможливо.

З авданням даної роботи є зняття залежності числа розпадів ядер ізотопів повітря за одиницю часу (а це і є активність препарату А, як це викладено в попередній лабораторній роботі) від часу , тобто зняття кривої -розпаду (рис. 2), обчислення за її допо­могою періоду напіврозпаду Т та визначення за ним типу ізотопу.

Незважаючи на малу кон­центрацію радіоактивних ізото­пів у повітрі, їх можна порівняно легко виявити таким чином.

Оскільки ці ізотопи − метали, то їх атоми не можуть знаходитись в атмосфері у вільному стані довгий час. Вони осідають на поверхні твердих частинок диму, пилу тощо. Пропускаючи значний об’єм повітря через фільтр, що ловить тверді частинки з повітря, можна сконцентрувати природну радіоактивність великого об’єму повітря в невеликому об’ємі фільтра. Вимірювання активності А фільтра не становить значних труднощів.