Радиоактивные превращения ядер

В настоящее время известны следующие типы естественных радиоактивных превращений, которые приведены в таблице 3.3

Альфа-распадом называется процесс спонтанного изменения ядра, в результате которого возникает свободная -частица (ядро нуклида ). Символическая запись -распада имеет вид:

(3.8.1)

Альфа-распад характерен для тяжелых нуклидов, у ядер которых с ростом массового числа A наблюдается уменьшение удельной энергии связи. В этой области уменьшение числа нуклонов в ядре ведет к увеличению удельной энергии связи. Но при уменьшении A на

Таблица 3.3.

Типы превращений	Z	ΔA	Взаимодействие	Открытие
-распад	– 2	– 4	S + E	Резерфорд, 1899
- распад	+ 1	0	W	Резерфорд, 1899
- распад	– 1	0	W	И. Кюри и Ф. Кюри, 1934
K – захват	– 1	0	W	Альварес, 1937
γ – излучение	0	0	E	Виллард, 1900
Спонтанное деление ядер			S + E	Петржак, Флеров 1940
Протонный распад	– 1	– 1	S + E	Черни и К⁰, 1970
2-х протонный распад	– 2	– 2	S + E	Черни и К⁰, 1985

единицу увеличение энергии связи оказывается существенно меньше энергии связи нуклона в ядре и испускание протона или нейтрона невозможно. Однако, испускание α - частицы (ядра ) оказывается энергетически выгодным. Поэтому α - распад наблюдается у ядер, тяжелее свинца (Z = 82). Небольшое количество α - активных ядер имеется среди лантаноидов. Объясняется это тем, что количество нейтронов в этих ядрах несколько превышает 82 – магическое число при заполнении нейтронной оболочки.

Примером α - распада может служить распад изотопа урана ²³⁸U, протекающий с образованием тория

(3.8.2)

Энергетическая возможность α - распада обеспечивается, если масса исходного ядра больше суммы масс ядер продуктов распада, то есть:

(3.8.3)

Альфа-распад характерен для двух групп частиц:

1) тяжелых нуклидов с массовым числом A больше 209 и зарядом ядра Z = 83 и более;

2) лантаноидов (редкоземельных элементов), у которых заряд ядра Z меняется от 58 до 71, а массовое число меняется в пределах от 140 до 175.

Измерения показали, что кинетическая энергия α - частиц при распаде ядер различных нуклидов меняется в очень узких пределах. Для тяжелых нуклидов кинетическая энергия α - частиц меняется 4 – 9 МэВ. Для лантаноидов пределы изменения кинетической энергии α - частиц составляют 2 – 4,5 МэВ.

Энергия , выделяющаяся при α - распаде, переходит в кинетическую энергию α - частицы и кинетическую энергию Т_Я дочернего ядра. При этом большую часть энергии уносит α - частица

Альфа -частица возникает в ядре только в момент радиоактивного распада. Покидая ядро, α - частице приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого больше, чем полная энергия α -частицы. По классическим представлениям, α - частица не может покинуть ядро, но, как нам известно, согласно квантовой механике, имеется вероятность того, что α - частица просочится сквозь барьер. Это явление носит название туннельного эффекта

Бета - распад. Существуют три разновидности β - распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом - позитрон, в третьем случае ядро поглощает один из электронов с внутренней оболочки атома.

Первый вид распада протекает по схеме

(3.8.4)

Наряду с электроном испускается также антинейтрино. Этот распад может сопровождаться и испусканием -лучей, если дочернее ядро возникнет в возбуждённом состоянии. Так как испускаются две частицы, то электроны могут обладать различной энергией от нуля до некоторой максимальной. Максимальная энергия будет равна энергии выделяющейся в реакции.

Первоначально считалось, что в результате β - распада испускается только одна частица, но тогда β - частица должна иметь фиксированную энергию. Чтобы объяснить это противоречие Паули высказал в 1932 г. предположение, что при β - распаде вместе с электроном испускается ещё одна частица, которая и уносит часть энергии. Эту частицу назвали нейтрино (антинейтрино). Нейтрино не имеет заряда и обладает нулевой массой покоя. Спин нейтрино и антинейтрино равен 1/2, ориентация их спинов противоположна. Экспериментальные доказательства существования нейтрино были получены в 1956 г.

Второй вид β -распада протекает по схеме

(3.8.5)

Третий вид β - распада заключается в том, что ядро поглощает один из электронов с внутренней оболочки атома:

(3.8.6)

Mестo в электронной оболочке, освобождённое захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоёв. В результате такого перехода возникает рентгеновское излучение.

Процесс β - распада протекает посредством слабого взаимодействия, а поэтому является внутринуклонным процессом, в результате которого либо нейтрон превращается в протон, либо наоборот.

Для электронного распада:

(3.8.7)

Для β ⁺- распада:

(3.8.8)

При третьем виде β -распада (K– захват)

(3.8.9)

Гамма излучение ( излучение) - испускание кванта электромагнитного излучения при спонтанном переходе ядра с более высокого энергетического уровня на любой нижележащий. Очевидно, что в этом случае A и Z ядра не изменяются. В отличие от рентгеновских и квантов видимого света, испускаемых при переходах атомных электронов, фотоны, испускаемые ядрами, называются квантами, хотя для обозначения квантов любого происхождения сохраняется обобщающее название фотон. Излучение кванта является основным процессом освобождения ядра от избыточной энергии, при условии, что эта энергия не превосходит энергию связи нуклона в ядре.

Переходы, при которых испускаются кванты, называются радиационными. Радиационный переход может быть однократным (переход γ₂₀ на рис. 3.4), когда ядро сразу переходит в основное энергетическое состояние, или каскадным, когда происходит испускание нескольких квантов в результате ряда последовательных радиационных переходов (переходы γ₂₁ и γ₁₀ на рис. 3.4)

Энергия кванта определяется разностью энергий уровней, между которыми происходит переход:

(3.8.10)

В соответствии с законами сохранения энергии и импульса:

(3.8.11)

где Т _яд и Р _яд – кинетическая энергия и импульс ядра отдачи соответственно, Р _γ – импульс γ-кванта. Из уравнений (3.6.2) получаем

(3.8.12)

Таким образом, Т _яд = (10^–6 ÷ 10^–5) Е, то есть γ- квант уносит подавляющую часть энергии возбуждения ядра. Из проведенного рассуждения очевидно также, что энергетический спектр γ- квантов дискретен, так как энергетическая ширина Г уровня обычно много меньше расстояния между уровнями.

Гамма-квант – это не только частица, но и волна. Длина волны кванта связана с его энергией соотношением

(3.8.13)

то есть при = 1 МэВ, 10^–10 см. Поэтому волновые свойства такого излучения при взаимодействии с атомами, а тем более с макроскопическими телами, проявляются слабо. На первый план выдвигаются корпускулярные свойства. Однако при взаимодействии с ядрами, наоборот, проявляется в основном волновая природа излучения.

Образование γ- квантов происходит под действием электромагнитных сил и обусловлено взаимодействием отдельных нуклонов ядра с электромагнитным полем, создаваемым движением всех нуклонов ядра. Поэтому γ- излучение, в отличие от β - распада, явление внутриядерное, а не внутринуклонное. Испускание или поглощение квантов свободным нуклоном запрещено совместным действием законов сохранения энергии и импульса.

Ядерные реакции

Ядерной реакцией называют процесс образования новых ядер и частиц при сближении исходных ядер и частиц до расстояний ~ 10^-15 м, когда вступают в действие ядерные силы. Образование новых ядер и частиц может происходить и под действием γ- квантов, т.е. под действием электромагнитных, а не ядерных сил. Этот процесс следует также отнести к ядерным реакциям, поскольку взаимодействие происходит в области ядра и приводит к его преобразованию. Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то процесс называется рассеянием. При рассеянии происходит только перераспределение энергии и импульса между взаимодействующими объектами.

В общем случае ядерную реакцию можно записать в следующем виде:

(3.9.1)

Налетающая частица a взаимодействует с ядром , в результате чего образуется ядро и продукты распада b_i. Здесь частица а – бомбардирующая частица, ядро – ядро-мишень, – образовавшееся ядро. Обычно в качестве частицы a используют: нейтроны (n), протоны (p), дейтроны (d), α - частицы (α), γ- кванты (γ), но могут быть использованы и тяжелые частицы, например ядра аргона .