2015-06-28
666
До числа радіоактивних процесів, тобто самовільного перетворення одних атомних ядер в інші з випромінюваннм елементарних частинок, відносяться наступні: 1). a-розпад; 2). b-розпад (в тому числі електронний захват); 3). g-випромінювання ядер; 4). спонтанне ділення важких ядер; 5). протонна радіоактивність. Для радіоактивності природньої, що спостерігається в природніх умовах, і штучної, що отримується при ядерних реакціях, відмічається один і той самий закон радіоактивного перетворення, згідно якого: число ядер, що не розпалися, зменшується з часом по експоненті
, (5.11)
де N – число нерозпавшихся ядер в момент часу t, N0 – кількість ядер в початковий момент, a - характерна для радіоактивної речовини константа, постійна розпаду.
Кількість ядер, що розпалися за час t буде:
. (5.12)
Час, за який розпадається половина першепочаткового числа ядер, називається періодом напіврозпаду Т:
звідки 
. (5.13)
Для відомих в наш час ядер:
3·10-7 сек < Т < 5·1015років.
Середній час життя t радіоактивного ядра визначається величиною, що обернена до постійної розпаду a:
|
|
|
. (5.14)
Природня радіоактивність була відкрита в 1896 р. французьким вченим А. Бекерелем (1852 – 1908). Наступні дослідження показали, що існує три вида радіоактивного випромінювання:
1). a-проміні – відхиляються в магнітному полі, як потік додатно заряджених частинок;
2). b-проміні – відхиляються магнітним полем в зворотній a-проміням бік;
3). g- проміні – не відчувають магнітного поля (електромагнітне випромінювання з l ~ 10-2 Å.)
Розглянемо ці види випромінювання.
Альфа-розпад - a-проміні являють собою потік ядер гелія 
. Розпад протікає за схемою:
, (5.15)
Х – відповідає ядру, що розпадається, Y – відповідає ядру (дочірнєму), що утворюється. Як приклад, розпад ізотопа урана з утворенням торія
.
Кінетична енергія a-частинки ~ декільком МеВ. Пролітая крізь речовину a-частинка іонізує його атоми, віддаючи свою енергію, наприклад, в повітрі вона пролітаючи декілька сантиметрів, утворює 105 пар іонів. Кінетична енергія a-частинки дорівнює різниці енергій спокою материнського ядра і суми енергій спокою (дочірнього + енергія a-частинки). Враховуючи, що при радіоактивному розпаді може утворюватися дочірнє ядро не тільки в нормальному, але і в різних збуджених станах, можна отримати декілька груп a-частинок близької, але різної енергії. При переході утворенного збудженого дочірнього ядра в нормальний стан випромінюється g-фотон. Не виключається можливість випромінювання збудженим дочірнім інших частинок – протона, нейтрона, електрона або a- частинки, крім того можлива передача енергії безпосередньо (без випромінювання g-кванта) одному з електронів K; L або M-оболонки атома, який покидає атом – процес внутрішньої конверсії, який супроводжується випромінюванням характеристичних рентгенівських промінів. a-частинка не існує в самому ядрі – вона утворюється в момент розпада ядра і для того щоб покинути ядро повинна подолати потенціальний бар’єр, висота якого більше енергії a-частинки (~ 6 МеВ). Зовнішня сторона бар’єра зумовлена кулонівським відштовхуванням a-частинки і дочірнього ядра. Внутрішня сторона бар’єра зумовлена ядерними силами. Згідно квантової механіки частинка, завдяки тунельному ефекту, має ймовірність просочитися крізь бар’єр.
|
|
|
b-розпад. Існує три різновиди b-розпаду:
1). b--розпад або електронний;
2). b+-розпад або позітронний;
3). електронне захоплювання.
Перший вид розпаду протікає за схемою:
(5.16)
В цьому рівнянні дочірнє ядро має атомний номер на одиницю більше, ніж у материнського ядра, масові числа рівні, разом з електроном випромінюється антинейтрино 
. Бета-розпад може супроводжуватися випромінюванням g-промінів, подібно a-розпаду. Наявність в схемі розпаду (5.16) антинейтрино викликано законом збереження момента імпульса (без зліва маємо спін одиничного нуклона ½, а зправа 0 або 1, тобто потрібна ще одна частинка зі спіном ½ або 3/2). Експериментальне доведення існування нейтрино (антинейтрино) було отримано в 1956 р.
Позитронний розпад: протікає по схемі:
(5.17)
Тут дочірнє ядро має номер на одиницю менше, ніж материнське, процес супроводжується випромінюванням позитрона 
і нейтрино n, можливо виникнення g-промінів.
Процес b+-розпаду протікає так, якби один з протонів вихідного ядра перетворюється в нейтрон, випромінюючи при цьому позітрон і нейтрино.
. (5.18)
Додаткову, необхідну для процеса (5.18) енергію протон бере від інших нуклонів, що входять до складу ядра.
Електронне захоплювання. Полягає в поглинанні ядром одного з К-електронів (рідше L або M-електронів) свого атома, в результаті чого один з протонів перетворюється в нейтрон, випромінюючи при цьому нейтріно,
ядро, що утворилося, може виявитися в збудженому стані і переходячи в більш низький енергетичний стан випромінює g-фотони.
Схема процеса:
. (5.19)
Вказаний електронний захват супроводжується рентгенівським випромінюванням, яке було виявлено в 1937 р. у вигляді К-захоплювання. Як приклад електронного захоплювання – перетворення калія в аргон:
.
Одиницею активності радіоактивної речовини є число розпадів за одну секунду: розп./сек. (1розп./сек. = 1Беккерель).
Чедвік припустив, що в результаті бомбардування (берілія) виникає нова частинка – нейтрон:
.
Ця реакція носить назву a-n (a-нейтронна). Нейтрони невисоких енергій можуть самі проникати в ядро елементів, відчуваючи непружний співудар. При цьому виникає реакція (n-a).
Мірою захвата нейтронів є ефективний переріз захоплювання s. Пучок з N-ою кількістю нейтронів, проходячи шар речовини змінюється на величину
,
де dx – елемент довжини, n0 – число атомів у одиниці об’єму, розмірність 
. За одиницю ефективного перерізу прийнятий 1барн. 1 барн. = 10-24 см2. Вільний нейтрон радіоактивний і розпадається по схемі
.
