Tipos de transformaciones nucleares, desintegración alfa y beta

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Todo lo que hemos discutido hasta ahora en química se ha basado en la estabilidad de los electrones y en dónde es más probable que se encuentren en capas estables. Pero si continuamos estudiando el átomo, resulta que no solo los electrones están en el átomo y actúan. Las interacciones tienen lugar en el núcleo mismo, se caracteriza por la inestabilidad, que busca debilitar. Este será el tema de nuestro video tutorial. De hecho, el estudio de estos mecanismos no está incluido en el plan de estudios de química para estudiantes de primer año, pero este conocimiento definitivamente no será superfluo. Cuando estudiemos interacciones nucleares fuertes, física cuántica y similares, veremos más de cerca por qué los protones, neutrones y quarks que forman los núcleos de los átomos interactúan de esta manera. Ahora imaginemos cómo puede desintegrarse un núcleo ... Empecemos con un haz de protones. Dibujaré algunos. Estos son protones y aquí habrá neutrones. Los pintaré de un color adecuado. El color gris es lo que necesitas. Entonces, aquí están, mis neutrones. ¿Cuántos protones tengo? Tengo 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Entonces, habrá 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 neutrones. Digamos que este es el núcleo de un átomo. Por cierto, este es el primer video sobre el núcleo atómico. En general, dibujar un átomo es realmente muy difícil, porque no tiene límites claramente definidos. Un electrón puede estar en cualquier lugar en cualquier momento. Pero si hablamos de la ubicación del electrón el 90% del tiempo, entonces será el radio o diámetro del átomo. Sabemos desde hace mucho tiempo que el núcleo es una parte infinitamente pequeña del volumen de la esfera donde se encuentra el electrón el 90% del tiempo. Y de esto se sigue que casi todo lo que vemos a nuestro alrededor es espacio vacío. Todo esto es un espacio vacío. Digo esto porque es una mancha infinitamente pequeña, aunque es una fracción muy pequeña del volumen de un átomo, su masa es casi la masa total de un átomo; esto es muy importante. Estos no son átomos, no son electrones. Penetramos el núcleo. Resulta que a veces el kernel es inestable y tiende a lograr una configuración más estable. No entraremos en detalles sobre las razones de la inestabilidad del núcleo. Pero, solo diré que a veces emite lo que se llaman partículas alfa. Este fenómeno se llama desintegración alfa. Escribámoslo. Decaimiento alfa. El núcleo emite una partícula alfa, suena fantástico. Es solo una colección de neutrones y protones. Y una partícula alfa son dos neutrones y dos protones. Quizás sientan que aquí no caben, estos, por ejemplo. Y hay una emisión. Dejan el núcleo. Considere lo que le sucede a un átomo cuando sucede algo como esto. Tomemos un elemento aleatorio, llamémoslo E. Tiene P - protones. Dibujaré las letras del mismo color que los protones. Entonces aquí están los protones. Naturalmente, el elemento E tiene un número de masa atómica igual a la suma de protones y neutrones. Los neutrones son grises. Se produce la desintegración alfa, ¿qué pasará con este elemento? ¿Qué pasará con este elemento? El número de protones se reduce en dos. Por lo tanto, el número de protones será p menos 2. Y el número de neutrones también se reduce en dos. Entonces, aquí tenemos p menos 2, más nuestros neutrones menos 2, es decir, solo menos 4. La masa disminuye en cuatro y el elemento antiguo se convierte en uno nuevo. Recuerda que los elementos están determinados por la cantidad de protones. En la desintegración alfa, se pierden dos neutrones y dos protones, pero son los protones los que convierten este elemento en otro. Si nombramos este elemento 1, que es lo que voy a hacer, ahora tenemos un nuevo elemento, el elemento 2. Mira con atención. Se emite algo que tiene dos protones y dos neutrones. Por tanto, su masa será igual a la masa de dos protones y dos neutrones. ¿Que es esto? Algo con una masa de cuatro separa. ¿Qué contiene dos protones y dos neutrones? Ahora no tengo una tabla periódica de elementos. Olvidé cortarlo y pegarlo antes de grabar este video. Pero encontrará rápidamente en la tabla periódica un elemento que tiene dos protones, y ese elemento es el helio. Su masa atómica es de hecho cuatro. De hecho, durante la desintegración alfa, es el núcleo de helio el que se emite. Este es un núcleo de helio. Dado que este es un núcleo de helio, no tiene electrones para neutralizar la carga de los protones, es un ion. No tiene electrones. Solo tiene dos protones, por lo que tiene una carga de más 2. Firmemos la carga. Una partícula alfa es simplemente un ión de helio, un ión de helio con una carga más 2, emitido espontáneamente desde el núcleo para lograr un estado más estable. Este es un tipo de deterioro. Ahora otros ... Dibuja un núcleo más. Dibujaré los neutrones. Dibujaré los protones. A veces resulta que el neutrón se siente incómodo. Todos los días mira lo que hacen los protones y dice, ¿sabes qué? De alguna manera, cuando me escucho a mí mismo, siento que realmente debería ser un protón. Si fuera un protón, todo el núcleo sería un poco más estable. ¿Y qué hace para convertirse en protón? ¿Recuerda que el neutrón tiene carga neutra? Eso es lo que hace, emite un electrón. Suena loco. Electrones en neutrones y todo eso. Y estoy de acuerdo contigo. Esto es una locura. Y un día exploraremos todo lo que hay dentro del núcleo. Por ahora, digamos que un neutrón puede emitir un electrón. Lo que hace. Entonces aquí hay un electrón. Tomamos su masa como igual a cero. De hecho, no es así, pero ahora estamos hablando de unidades de masa atómica. Si la masa del protón es uno, entonces la masa del electrón es 1836 veces menor. Por lo tanto, tomamos su masa como cero. Aunque no sea cierto. Y su carga es menos 1. Entonces, volvamos al proceso. Un neutrón emite un electrón. Por supuesto, el neutrón no permanece neutral, sino que se convierte en un protón. Esto se llama desintegración beta. Escribamos esta vista. Desintegración beta. Y la partícula beta es en realidad solo un electrón emitido. Volvamos a nuestro elemento. Tiene una cierta cantidad de protones y neutrones. Juntos forman un número enorme. ¿Qué sucede cuando sufre desintegración beta? ¿Cambia el número de protones? Por supuesto, tenemos un protón más del que había, porque un neutrón se convirtió en un protón. El número de protones ha aumentado en 1. ¿Ha cambiado el número de masa? Vamos a ver. El número de neutrones disminuyó en uno y el número de protones aumentó en uno. Por lo tanto, el número de masa no ha cambiado. Sigue siendo P más N, es decir, la masa permanece sin cambios, a diferencia de la situación con la desintegración alfa, pero el elemento en sí cambia. El número de protones cambia. Como resultado de la desintegración beta, obtenemos un nuevo elemento nuevamente. Ahora la situación es diferente. Digamos que uno de estos protones mira a los neutrones y dice, ¿sabes qué? Veo como viven. Me encanta. Creo que sería más conveniente para mí, y nuestro grupo de partículas dentro del núcleo sería más feliz si yo también fuera un neutrón. Todos estaríamos en un estado más estable. ¿Y qué hace él? Este protón incómodo tiene la capacidad de emitir un positrón en lugar de un protón. Emite un positrón. ¿Y qué es eso? Es una partícula que tiene exactamente la misma masa que un electrón. Es decir, su masa es 1836 veces menor que la masa de un protón. Pero aquí simplemente escribimos cero, porque en unidades de masa atómica, se acerca a cero. Pero el positrón tiene carga positiva. Un poco confuso es que todavía dice E. Cuando veo e, creo que es un electrón. Pero no, esta partícula se designa con la letra e, porque es una partícula del mismo tipo, pero en lugar de carga negativa, tiene carga positiva. Este es un positrón. Firmemos. Algo inusual está comenzando a suceder con este tipo de partículas y materia que estamos considerando. Pero esto es un hecho. Y si un protón emite esta partícula, entonces su carga positiva prácticamente se va con él, y este protón se convierte en un neutrón. A esto se le llama emisión de positrones. La emisión de positrones es bastante fácil de imaginar, el nombre lo dice todo. Elemento E nuevamente, con cierta cantidad de protones y neutrones. ¿Cuál debería ser este nuevo elemento? Pierde un protón. P menos 1. Se convierte en un neutrón. Es decir, el número de P disminuye en uno. El número de N se incrementa en uno. Por tanto, la masa de todo el átomo no cambia. Será P más N. Pero aún deberíamos tener un elemento diferente, ¿verdad? Cuando se produce la desintegración beta, aumenta el número de protones. Nos movimos hacia la derecha en la tabla periódica, o hicimos zoom, ya sabes a lo que me refiero. Cuando se emite un positrón, el número de protones disminuye. Necesita escribir esto en ambas reacciones. Así que esta es una emisión de positrones y queda un positrón. Y en nuestra desintegración beta, queda un electrón. Las reacciones se registran exactamente igual. Sabes que es un electrón porque tiene una carga de menos 1. Sabes que es un positrón porque tiene una carga de más 1. Hay un tipo final de desintegración que debes conocer. Pero no cambia la cantidad de protones o neutrones en el núcleo. Simplemente libera una gran cantidad de energía o, a veces, un protón de alta energía. Este fenómeno se llama desintegración gamma. La desintegración gamma significa que estas partículas cambian su configuración. Se acercan un poco más. Y cuando se acercan, emiten energía en forma de radiación electromagnética con una longitud de onda muy pequeña. Como tal, puede llamarlo partícula gamma o rayo gamma. Esta es una energía súper alta. Los rayos gamma son muy peligrosos. Te pueden matar. Todo esto era teoría. Ahora resolvamos un par de problemas y averigüemos con qué tipo de deterioro estamos lidiando. Aquí tengo berilio-7, donde siete es la masa atómica. Y lo convierto en litio-7. Entonces, ¿qué está pasando aquí? La masa del núcleo de berilio permanece sin cambios, pero el número de protones disminuye de cuatro a tres. Ha disminuido el número de protones de berilio. La masa total no ha cambiado. Seguramente esto no es desintegración alfa. La desintegración alfa, como saben, es la liberación de helio del núcleo. Entonces, ¿qué se destaca? Se libera una carga positiva o positrón. Esto se muestra aquí con una ecuación. Este es un positrón. Por lo tanto, este tipo de desintegración del berilio-7 a litio-7 es una emisión de positrones. Todo claro. Ahora echemos un vistazo al siguiente ejemplo. El uranio-238 se desintegra en torio-234. Y vemos que la masa atómica disminuye en 4, y vemos que el número atómico disminuye, el número de protones disminuye en 2. Probablemente, se ha liberado algo que tiene una masa atómica de cuatro, y un número atómico de dos, que es helio. Así que esta es la desintegración alfa. Aquí está la partícula alfa. Este es un ejemplo de desintegración alfa. Pero aquí no todo es tan sencillo. Porque si de 92 protones quedan 90 protones, todavía quedan 92 electrones. ¿Habrá un cargo de menos 2 ahora? Además, el helio que se libera no tiene electrones. Es solo un núcleo de helio. Entonces, ¿habrá un cargo de más 2? Haciendo tal pregunta, estaría absolutamente en lo cierto. Pero, de hecho, es en el momento de la desintegración cuando el torio ya no tiene una razón para contener estos dos electrones, por lo que estos dos electrones desaparecen y el torio vuelve a ser neutro. Y el helio reacciona muy rápidamente de la misma manera. Realmente necesita dos electrones para ser estable, por lo que agarra dos electrones muy rápidamente y se vuelve estable. Puede escribirlo de cualquier forma. Tomemos otro ejemplo. Tengo yodo aquí. Bueno. Veamos qué pasa. La masa no cambia. Los protones deben convertirse en neutrones o neutrones, convertirse en protones. Vemos, aquí tengo 53 protones, y aquí 54. Aparentemente, un neutrón se convirtió en un protón. El neutrón parece haberse convertido en un protón. Un neutrón se convierte en protón al emitir un electrón. Y lo vemos durante esta reacción. Se liberó el electrón. Entonces esto es desintegración beta. Esta es una partícula beta. Firmado. Se aplica la misma lógica. Espera, hay 54 protones en lugar de 53. Ahora que se ha agregado un protón más, ¿tendré una carga positiva? Sí, lo hará. Pero muy pronto, tal vez no solo estos electrones, hay tantos electrones girando alrededor, agarraré electrones de algún lugar para estabilizarme y recuperaré la estabilidad. Pero estaría absolutamente en lo cierto si hiciera la pregunta, ¿se convertirá una partícula en un ion durante una pequeña fracción del tiempo? Tomemos otro ejemplo. Radón-222 con un número atómico de 86, que se convierte en polonio -218, con un número atómico de 84. Una pequeña digresión interesante. Polonio lleva el nombre de Polonia porque Marie Curie, quien la descubrió, era de allí, en ese momento, a fines del siglo XIX; Polonia aún no existía como un país separado. Su territorio se dividió entre Prusia, Rusia y Austria. Y los polacos realmente querían que la gente supiera que son un solo pueblo. Descubrieron que cuando el radón se desintegra, se forma este elemento. Y le pusieron el nombre de su tierra natal, Polonia. Es el privilegio de descubrir nuevos elementos. Pero volvamos a la tarea. ¿Entonces qué pasó? La masa atómica ha disminuido en cuatro. El número atómico ha disminuido en dos. Repito una vez más, aparentemente, se ha liberado una partícula de helio. El núcleo de helio tiene una masa atómica de cuatro y un número atómico de dos. Todo claro. Así que esta es la desintegración alfa. Puedes escribir que este es un núcleo de helio. No tiene electrones. Incluso podemos decir de inmediato que tendrá una carga negativa, pero luego la pierde. Subtítulos de la comunidad de Amara.org

Teoría

Desintegración alfa de el principal Los estados se observan sólo en núcleos bastante pesados, por ejemplo, en radio-226 o uranio-238. Los núcleos alfa radiactivos en la tabla de nucleidos aparecen a partir del número atómico 52 (telurio) y el número de masa alrededor de 106-110, y con un número atómico superior a 82 y un número de masa superior a 200, casi todos los nucleidos son alfa radiactivos, aunque pueden tienen desintegración alfa y no el modo de desintegración dominante. Entre natural isótopos de radiactividad alfa observados en varios nucleidos de elementos de tierras raras (neodimio-144, samario-147, samario-148, europio-151, gadolinio-152), así como en varios nucleidos de metales pesados ​​(hafnio-174, tungsteno-180 , osmio-186, platino-190, bismuto-209, torio-232, uranio-235, uranio-238) y en los productos de desintegración de vida corta del uranio y el torio.

Desintegración alfa de muy emocionado También se observan estados nucleares en varios nucleidos ligeros, por ejemplo, en el litio-7.

Una partícula alfa experimenta una transición de túnel a través de una barrera potencial, causada por fuerzas nucleares, por lo que la desintegración alfa es un proceso esencialmente cuántico. Dado que la probabilidad del efecto túnel depende exponencialmente de la altura de la barrera, la vida media de los núcleos alfa activos crece exponencialmente con la disminución de la energía de las partículas alfa (este hecho es el contenido de la ley de Geiger-Nettall). Con una energía de partícula alfa inferior a 2 MeV, la vida útil de los núcleos alfa activos excede significativamente la vida útil del Universo. Por lo tanto, aunque la mayoría de los isótopos naturales son más pesados ​​que el cerio, en principio, son capaces de descomponerse a través de este canal, solo en algunos de ellos se ha registrado tal descomposición. Peligro para los organismos vivos

Al ser bastante pesadas y con carga positiva, las partículas alfa de la desintegración radiactiva tienen un rango de materia muy corto y, cuando se mueven en un medio, pierden energía rápidamente a poca distancia de la fuente. Esto lleva al hecho de que toda la energía de la radiación se libera en un pequeño volumen de la sustancia, lo que aumenta las posibilidades de dañar las células cuando la fuente de radiación ingresa al cuerpo. pero externo La radiación de fuentes radiactivas es inofensiva, ya que las partículas alfa pueden ser retenidas eficazmente por varios centímetros de aire o decenas de micrómetros de materia densa, por ejemplo, una hoja de papel e incluso el estrato córneo de la epidermis, sin llegar a las células vivas. Incluso tocar una fuente alfa pura no es peligroso, aunque debe recordarse que muchas fuentes alfa también emiten tipos de radiación mucho más penetrantes (partículas beta, gamma cuantos, a veces neutrones). Sin embargo, la ingestión de una fuente alfa en el cuerpo da como resultado una exposición significativa a la radiación. El factor de calidad de la radiación alfa es 20 (más que todos los demás tipos de radiación ionizante, con la excepción de los núcleos pesados ​​y los fragmentos de fisión). Esto significa que en el tejido vivo, una partícula alfa crea aproximadamente 20 veces más daño que un cuanto gamma o una partícula beta de igual energía.

Todo lo anterior se aplica a las fuentes radiactivas de partículas alfa, cuyas energías no superan los 15 MeV. Las partículas alfa obtenidas en un acelerador pueden tener energías significativamente más altas y crear una dosis significativa incluso cuando el cuerpo está expuesto a radiación externa.

Con este tipo de desintegración, un núcleo con número atómico Z y número de masa A se desintegra emitiendo una partícula alfa, lo que conduce a la formación de un núcleo con número atómico Z-2 y número de masa A-4:

Actualmente, se conocen más de 200 nucleidos emisores alfa, entre los cuales casi no hay núcleos ligeros y medianos. De los núcleos ligeros, la excepción es el 8 Be, además, se conocen unos 20 nucleidos emisores alfa de elementos de tierras raras. La inmensa mayoría de los isótopos emisores de α pertenecen a elementos radiactivos, es decir, a elementos con Z> 83, entre los que los nucleidos artificiales constituyen una parte significativa. Entre los nucleidos naturales, hay alrededor de 30 núcleos alfa activos que pertenecen a tres familias radiactivas (series de uranio, actinio y torio), que se discutieron anteriormente. Las vidas medias de los nucleidos alfa-radiactivos conocidos oscilan entre 0,298 μs para 212 Po y> 10 15 años para 144 Nd, 174 Hf. La energía de las partículas alfa emitidas por los núcleos pesados ​​de los estados fundamentales es de 4-9 MeV, y por los núcleos de los elementos de tierras raras, de 2-4,5 MeV.

Que la probabilidad de desintegración alfa aumenta al aumentar Z, se debe a que este tipo de transformación nuclear se asocia a la repulsión de Coulomb, que, a medida que aumenta el tamaño de los núcleos, aumenta en proporción a Z 2, mientras que las fuerzas de atracción nuclear crecen linealmente con el aumento del número de masa A.

Como se mostró anteriormente, el núcleo será inestable con respecto a la desintegración a si se satisface la desigualdad:

dónde y - masas en reposo de los núcleos inicial y final, respectivamente;

Es la masa de la partícula a.

La energía de desintegración α de los núcleos ( miα) se compone de la energía cinética de la partícula alfa emitida por el núcleo padre Tα, y la energía cinética que adquiere el núcleo hijo como resultado de la emisión de una partícula alfa (energía de retroceso) T dep:

Usando las leyes de conservación de la energía y el impulso, puede obtener la relación:

dónde M dep = Es la masa del núcleo de retroceso;

METROα es la masa de la partícula alfa.

Resolviendo las ecuaciones (4.3) y (4.4) juntas, obtenemos:

. (4.5)

Y en consecuencia,

. (4.6)

De las ecuaciones (4.5 y 4.6) se puede ver que la mayor parte de la energía de desintegración alfa (alrededor del 98%) es llevada por partículas alfa. La energía cinética del núcleo de retroceso es ≈100 keV (a una energía de desintegración alfa de ≈5 MeV). Cabe señalar que incluso valores tan aparentemente pequeños de la energía cinética de los átomos de retroceso son muy significativos y conducen a una alta reactividad de átomos con núcleos similares. A modo de comparación, observamos que la energía del movimiento térmico de las moléculas a temperatura ambiente es de aproximadamente 0,04 eV, y la energía de un enlace químico suele ser inferior a 2 eV. Por lo tanto, el núcleo de retroceso no solo rompe el enlace químico en la molécula, sino que también pierde parcialmente la capa de electrones (los electrones simplemente no se mantienen al día con el núcleo de retroceso) con la formación de iones.

Al considerar varios tipos de desintegración radiactiva, incluida la desintegración alfa, se utilizan diagramas de energía. El diagrama de energía más simple se muestra en la Fig. 4.1.

Arroz. 4.1. El esquema más simple para la desintegración alfa.

El estado energético del sistema antes y después de la desintegración se representa mediante líneas horizontales. Una partícula alfa está representada por una flecha (negrita o doble) que desciende de derecha a izquierda. La flecha indica la energía de las partículas alfa emitidas.

Debe tenerse en cuenta que se muestra en la Fig. 4.1 el esquema es el caso más simple cuando las partículas alfa emitidas por el núcleo tienen una energía definida. Normalmente, el espectro alfa tiene una estructura fina, es decir los núcleos del mismo nucleido emiten partículas alfa con energías bastante cercanas, pero que aún difieren en magnitud. Se encontró que si la transición alfa se lleva a cabo en un estado excitado del núcleo hijo, entonces la energía de las partículas alfa será, respectivamente, menor que la energía inherente en la transición entre los estados fundamentales de los núcleos original e hijo de radionucleidos. Y si hay varios estados excitados de este tipo, habrá varias transiciones alfa posibles. En este caso, se forman núcleos hijos con diferentes energías que, tras la transición al suelo o al estado más estable, emiten gamma quanta.

Conociendo la energía de todas las partículas alfa y los cuantos gamma, es posible construir un diagrama de energía de desintegración.

Ejemplo. Construya un esquema de decaimiento usando los siguientes datos:

· La energía de las partículas α es: 4.46; 4,48; 4,61; y 4,68 MeV,

· Energía de γ-cuantos - 0,07; 0,13; 0,20; y 0,22 MeV.

La energía de desintegración total es de 4,68 MeV.

Solución... Dibujamos cuatro flechas del nivel de energía del núcleo inicial, cada una de las cuales denota la emisión de partículas α de una determinada energía. Calculando las diferencias entre las energías de grupos individuales de partículas α y comparando estas diferencias con las energías de γ-cuantos, encontramos qué transiciones corresponden a la emisión de γ-cuantos de cada energía.

4.48 - 4.46 = 0.02 MeV no hay γ-quanta correspondientes

4,61 - 4,46 = 0,15 MeV

4,61 - 4,48 = 0,13 MeV Las energías corresponden a energías

4.68 - 4.46 = 0.22 MeV γ-quanta emitidos durante la desintegración

4,68 - 4,48 = 0,20 MeV 230 Th

4,68 - 4,61 = 0,07 MeV

Arroz. 4.2 - Esquema de decaimiento de 230 Th.

Al mismo tiempo, el segundo caso también es posible, cuando la transición alfa ocurre del estado excitado del núcleo padre al estado fundamental del niño. Es habitual clasificar estos casos como la aparición de partículas alfa de largo alcance, cuyas posibilidades de emisión surgen en núcleos excitados formados como resultado de la desintegración β compleja. Entonces, a modo de ejemplo, la Figura 4.3 muestra el esquema de emisión de partículas α de largo alcance por el núcleo de polonio-212, que se forma como resultado de la desintegración β del núcleo de bismuto-212. Puede verse que, dependiendo de la naturaleza de la transición β, el núcleo de polonio-212 puede formarse en los estados fundamental y excitado. Las partículas alfa emitidas por los estados excitados del núcleo de polonio-212 son de largo alcance. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que para los núcleos alfa activos formados de esta manera, una transición desde un estado excitado por la emisión de un cuanto γ es más probable que una partícula alfa de largo alcance. Por lo tanto, las partículas alfa de largo alcance son muy raras.

Además, los científicos han establecido un patrón muy importante: cuando pequeña un aumento en la energía de las partículas a, las vidas medias cambian por varios pedidos... Así que a las 232 Th T a = 4,08 MeV, T 1/2 = 1,41 × 10 10 años, y para 230 mil - T a = 4,76 MeV, T 1/2 = 1,7 ∙ 10 4 años.

Arroz. 4.3. Esquema de desintegración secuencial: 212 Bi - 212 Po - 208 Pb

Puede verse que una disminución de la energía de las partículas alfa de aproximadamente 0,7 MeV va acompañada de un aumento de la vida media de 6 órdenes de magnitud. A T α < 2 МэВ период полураспада становится настолько большим, что экспериментально обнаружить альфа-активность практически невозможно. Разброс в значениях периодов полураспада, характерных для альфа-распада, весьма велик:

10 16 años ≥ T 1/2 ≥ 10 -7 segundos,

y al mismo tiempo, existe un rango muy estrecho de valores para las energías de las partículas alfa emitidas por los núcleos radiactivos:

2 MeV ≤ Tα ≤ 9 MeV.

La relación entre la vida media y la energía de una partícula alfa fue establecida experimentalmente por Geiger y Nettol en 1911-1912. Demostraron que la dependencia lg T 1/2 de lg Tα está bien aproximado por una línea recta:

. (4.7)

Esta ley es válida para núcleos pares. Mientras que para los núcleos impares, se observa una desviación muy significativa de la ley.

G. Gamow y E. Condon en 1928 explicaron la fuerte dependencia de la probabilidad de desintegración alfa, y por lo tanto la vida media, de la energía utilizando la teoría de un modelo de una partícula del núcleo. En este modelo, se supone que la partícula alfa existe constantemente en el núcleo, es decir, el núcleo madre consta de un núcleo hijo y una partícula alfa. Se supone que la partícula alfa se mueve en una región esférica de radio R (R Es el radio del núcleo) y se mantiene en el núcleo mediante fuerzas nucleares de Coulomb de corto alcance. A distancias r mayores que el radio del núcleo hijo R, actúan las fuerzas de repulsión de Coulomb.

Higo. 4.4 muestra la dependencia de la energía potencial entre la partícula alfa y el núcleo de retroceso de la distancia entre sus centros.

La abscisa es la distancia entre el núcleo hijo y la partícula alfa, y la ordenada es la energía del sistema. El potencial de Coulomb se recorta a distancia R, que es aproximadamente igual al radio del núcleo hijo. La altura de la barrera de Coulomb B, que debe superar una partícula alfa para salir del núcleo, está determinada por la relación:

dónde Z y z Son las cargas del núcleo hijo y la partícula alfa, respectivamente.

Arroz. 4.4. El cambio en la energía potencial del sistema con la distancia entre el núcleo hijo y la partícula alfa.

La barrera potencial excede significativamente la energía de las partículas alfa emitidas por los núcleos radiactivos y, de acuerdo con las leyes de la mecánica clásica, una partícula alfa no puede salir del núcleo. Pero para las partículas elementales, cuyo comportamiento está descrito por las leyes de la mecánica cuántica, es posible que estas partículas atraviesen una barrera de potencial, lo que se denomina transición de túnel.

De acuerdo con la teoría de la desintegración alfa, cuyos principios fueron establecidos por G. Gamow y E. Condon, el estado de una partícula se describe mediante la función de onda ψ, que, según las condiciones de normalización, en cualquier punto del espacio es distinto de cero y, por lo tanto, existe una probabilidad finita de detectar una partícula alfa tanto dentro como fuera de la barrera. Es decir, es posible el proceso de la llamada transición en túnel de una partícula alfa a través de una barrera potencial.

Se demostró que la permeabilidad de la barrera es función del número atómico, la masa atómica, el radio del núcleo y las características de la barrera potencial.

Se encontró que las transiciones alfa de núcleos pares desde el nivel principal de nucleidos parentales al nivel principal de nucleidos hijos se caracterizan por los valores más pequeños de vidas medias. Para núcleos pares-impares, pares-impares e impares, la tendencia general permanece, pero sus vidas medias son 2-1000 veces más largas que para núcleos pares-pares con Z y Tα Es útil recordar: la energía de las partículas alfa emitidas por radionucleidos, con el mismo número de masa, aumenta al aumentar la carga nuclear.

Las vidas medias de los núcleos radioactivos α conocidos varían ampliamente. Por tanto, el isótopo de tungsteno 182 W tiene una vida media T 1/2> 8,3 · 10 18 años, y el isótopo de protactinio 219 Pa tiene T 1/2 = 5,3 · 10 -8 s.

Arroz. 2.1. Dependencia de la vida media de un elemento radiactivo de la energía cinética de una partícula α de un elemento radiactivo natural. La línea discontinua es la ley de Geiger-Nattall.

Para isótopos pares-pares, la dependencia de la vida media de la energía de desintegración α Q α descrito por empírico Ley de Geiger-Nettall

donde Z es la carga del núcleo final, la vida media T 1/2 se expresa en segundos y la energía de la partícula α E α está en MeV. En la Fig. 2.1 muestra los valores experimentales de las vidas medias de los isótopos pares-pares α-radiactivos (Z varía de 74 a 106) y su descripción utilizando la relación (2.3).
Para núcleos pares impares, pares impares e impares, la tendencia general de dependencia
log T 1/2 de Q α se conserva, pero las vidas medias son de 2 a 100 veces más largas que para los núcleos pares con el mismo Z y Q α.
Para que ocurra la desintegración α, la masa del núcleo inicial M (A, Z) debe ser mayor que la suma de las masas del núcleo final M (A-4, Z-2) y la partícula α M α:

donde Q α = c 2 es la energía de desintegración α.
Dado que M α<< M(A-4, Z-2), la parte principal de la energía de desintegración α es llevada por α ‑ partícula y sólo ≈ 2% - el núcleo final (A-4, Z-2).
Los espectros de energía de las partículas α de muchos elementos radiactivos constan de varias líneas (estructura fina de los espectros α). La razón de la aparición de la estructura fina del espectro α es la desintegración del núcleo inicial (A, Z) en el estado excitado del núcleo (A-4, Z-2). Al medir los espectros de las partículas α, se puede obtener información sobre la naturaleza de los estados excitados.
granos (A-4, Z-2).
Para determinar el rango de valores de los núcleos A y Z para los que la desintegración α es energéticamente posible, se utilizan datos experimentales sobre las energías de unión de los núcleos. La dependencia de la energía de desintegración α Q α del número de masa A se muestra en la Fig. 2.2.
Higo. 2.2 se puede ver que la desintegración α se vuelve energéticamente posible a partir de А ≈ 140. En las regiones A = 140-150 y A ≈ 210, el valor de Q α tiene máximos distintos, que son causados ​​por la estructura de capa del núcleo . El máximo en A = 140-150 está asociado con el llenado de la capa de neutrones con el número mágico N = A - Z = 82, y el máximo en A ≈ 210 está asociado con el llenado de la capa de protones en Z = 82. Es debido a la estructura de capa del núcleo atómico que la primera región (de tierras raras) de núcleos α-activos comienza con N = 82, y los núcleos α-radiactivos pesados ​​se vuelven especialmente numerosos, comenzando con Z = 82.

Arroz. 2.2. Dependencia de la energía de desintegración α del número de masa A.

La amplia gama de vidas medias, así como los grandes valores de estos períodos para muchos núcleos α-radiactivos, se explican por el hecho de que la partícula α no puede abandonar el núcleo "instantáneamente", a pesar de que está energéticamente favorable. Para salir del núcleo, la partícula α debe superar la barrera potencial: la región en el límite del núcleo formada debido a la energía potencial de repulsión electrostática de la partícula a y el núcleo final y las fuerzas de atracción entre los nucleones. Desde el punto de vista de la física clásica, la partícula α no puede superar la barrera de potencial, ya que no tiene la energía cinética necesaria para ello. Sin embargo, la mecánica cuántica permite tal posibilidad: α ‑ la partícula tiene una cierta probabilidad de atravesar la barrera potencial y salir del núcleo. Este fenómeno de la mecánica cuántica se denomina "efecto túnel" o "túnel". Cuanto mayor sea la altura y el ancho de la barrera, menor será la probabilidad de formación de túneles y, en consecuencia, la vida media más larga. Amplia gama de vidas medias
Los emisores α se explican por diferentes combinaciones de energías cinéticas de partículas α y alturas de barreras potenciales. Si la barrera no existiera, entonces la partícula α dejaría el núcleo por la característica nuclear.
tiempo ≈ 10-21-10-23 s.
El modelo más simple de desintegración α fue propuesto en 1928 por G. Gamow e independientemente por G. Gurney y E. Condon. En este modelo, se asumió que la partícula α existe constantemente en el núcleo. Mientras la partícula α está en el núcleo, las fuerzas de atracción nuclear actúan sobre ella. El radio de su acción es comparable al radio del núcleo R. La profundidad del potencial nuclear es V 0. Fuera de la superficie nuclear para r> R, el potencial es el potencial repulsivo de Coulomb

V (r) = 2Ze 2 / r.

Arroz. 2.3. Energía de las partículas α E α dependiendo del número de neutrones N
en el kernel original. Las líneas conectan isótopos del mismo elemento químico.

En la figura 2.4 se muestra un diagrama simplificado de la acción combinada del potencial de atracción nuclear y el potencial repulsivo de Coulomb. Para ir más allá del núcleo, una partícula α con energía E α debe atravesar una barrera de potencial encerrada en la región de R a R c. La probabilidad de desintegración α está determinada principalmente por la probabilidad D del paso de una partícula α a través de una barrera potencial.

En el marco de este modelo, fue posible explicar la fuerte dependencia de la probabilidad α ‑ decaimiento de la energía de una partícula alfa.

Arroz. 2.4. Energía potencial de una partícula alfa. Barrera potencial.

Para calcular la constante de desintegración λ, es necesario multiplicar el coeficiente de transmisión de una partícula α a través de una barrera potencial, en primer lugar, por la probabilidad w α de que la partícula α se haya formado en el núcleo y, en segundo lugar, por la probabilidad de que esté en el borde del núcleo. Si una partícula α en un núcleo de radio R tiene una velocidad v, entonces se acercará al límite en promedio ≈ v / 2R veces por segundo. Como resultado, para la constante de desintegración λ, obtenemos la relación

(2.6)

La velocidad de una partícula α en el núcleo se puede estimar en función de su energía cinética E α + V 0 dentro del pozo de potencial nuclear, lo que da v ≈ (0.1-0.2) s. De esto ya se deduce que en presencia de una partícula α en el núcleo, la probabilidad de que pase a través de la barrera D<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
La rugosidad de la estimación del factor preexponencial no es muy significativa, porque la constante de desintegración depende de ella incomparablemente más débil que del exponente.
De la fórmula (2.6) se deduce que la vida media depende en gran medida del radio del núcleo R, ya que el radio R se incluye no solo en el factor preexponencial, sino también en el exponente, como límite de integración. Por lo tanto, los radios de los núcleos atómicos se pueden determinar a partir de los datos sobre la desintegración α. Los radios obtenidos de esta manera resultan ser un 20-30% mayores que los encontrados en experimentos sobre dispersión de electrones. Esta diferencia se debe al hecho de que en experimentos con electrones rápidos, se mide el radio de distribución de la carga eléctrica en el núcleo, y en la desintegración α, se mide la distancia entre el núcleo y la partícula α, en la cual el núcleo las fuerzas dejan de actuar.
La presencia de la constante de Planck en el exponente (2.6) explica la fuerte dependencia de la vida media de la energía. Incluso un pequeño cambio en la energía conduce a un cambio significativo en el exponente y, por lo tanto, a un cambio muy dramático en la vida media. Por lo tanto, las energías de las partículas α emitidas están muy limitadas. Para los núcleos pesados, las partículas α con energías superiores a 9 MeV vuelan casi instantáneamente, mientras que aquellas con energías inferiores a 4 MeV viven en el núcleo durante tanto tiempo que ni siquiera se puede detectar la desintegración α. Para los núcleos radioactivos α de tierras raras, ambas energías disminuyen debido a una disminución en el radio del núcleo y la altura de la barrera de potencial.
En la Fig. La figura 2.5 muestra la dependencia de la energía de desintegración α de los isótopos de Hf (Z = 72) del número de masa A en el rango de números de masa A = 156-185. La tabla 2.1 enumera las energías de desintegración α, las vidas medias y los principales canales de desintegración para los isótopos de 156-185 Hf. Puede verse cómo a medida que aumenta el número de masa A, la energía de desintegración α disminuye, lo que conduce a una disminución en la probabilidad de desintegración α y a un aumento en la probabilidad de desintegración β (Tabla 2.1). El isótopo 174 Hf, al ser un isótopo estable (en la mezcla natural de isótopos, es del 0,16%), sin embargo se desintegra con una vida media T 1/2 = 2 · 10 15 años con la emisión de una partícula α.

Arroz. 2.5. Dependencia de la energía de desintegración α Q α de los isótopos de Hf (Z = 72)
del número de masa A.

Cuadro 2.1

Dependencia de la energía de desintegración α Q α, vida media T 1/2,
diferentes modos de desintegración de los isótopos H f (Z = 72) en el número de masa A

Z	norte	A	Q α	T 1/2	Modos de decaimiento (%)
72	84	156	6.0350	23 ms	α (100)
72	85	157	5.8850	110 ms	α (86), e (14)
72	86	158	5.4050	2,85 s	α (44,3), e (55,7)
72	87	159	5.2250	5,6 segundos	α (35), e (65)
72	88	160	4.9020	13,6 segundos	α (0,7), e (99,3)
72	89	161	4.6980	18,2 s	α (<0.13), е (>99.87)
72	90	162	4.4160	39,4 segundos	α (<8·10 -3), е (99.99)
72	91	163	4.1280	40,0 s	α (<1·10 -4), е (100)
72	92	164	3.9240	111 s	e (100)
72	93	165	3.7790	76 s	e (100)
72	94	166	3.5460	6.77 minutos	e (100)
72	95	167	3.4090	2,05 minutos	e (100)
72	96	168	3.2380	25,95 minutos	e (100)
72	97	169	3.1450	3,24 minutos	e (100)
72	98	170	2.9130	16.01 h	e (100)
72	99	171	2.7390	12,1 horas	e (100)
72	100	172	2.7470	1,87 horas	e (100)
72	101	173	2.5350	23,4 h	e (100)
72	102	174	2.4960	2 10 15 l	e (100)
72	103	175	2.4041	70 días	e (100)
72	104	176	2.2580	puñalada.
72	105	177	2.2423	puñalada.
72	106	178	2.0797	puñalada.
72	107	179	1.8040	puñalada.
72	108	180	1.2806	puñalada.
72	109	181	1.1530	42,39 días	β - (100)
72	110	182	1.2140	8,9 · 10 6 l	β - (100)
72	111	183	0.6850	1.07 horas	β - (100)
72	112	184	0.4750	4,12 h	β - (100)
72	113	185	0.0150	3,5 minutos	β - (100)

Los isótopos Hf con A = 176–180 son isótopos estables. Estos isótopos también tienen una energía de desintegración α positiva. Sin embargo, la energía de desintegración α de ~ 1.3–2.2 MeV es demasiado baja y no se ha detectado la desintegración α de estos isótopos, a pesar de la probabilidad de desintegración α distinta de cero. Con un aumento adicional en el número de masa A> 180, la desintegración β se convierte en el canal de desintegración dominante.
En las desintegraciones radiactivas, el núcleo final puede aparecer no solo en el estado fundamental, sino también en uno de los estados excitados. Sin embargo, la fuerte dependencia de la probabilidad de desintegración α de la energía de la partícula α lleva al hecho de que la desintegración en niveles excitados del núcleo final suele proceder con una intensidad muy baja, porque cuando se excita el núcleo final, la energía del núcleo final Disminuye la partícula α. Por lo tanto, es posible observar experimentalmente solo desintegraciones en niveles rotacionales con energías de excitación relativamente bajas. La descomposición en niveles excitados del núcleo final conduce a la aparición de una estructura fina del espectro de energía de las partículas α emitidas.
El factor principal que determina las propiedades de la desintegración α es el paso de las partículas α a través de una barrera potencial. Otros factores son relativamente débiles, pero en algunos casos permiten obtener información adicional sobre la estructura del núcleo y el mecanismo de desintegración α del núcleo. Uno de estos factores es la aparición de una barrera centrífuga mecánica cuántica. Si una partícula α se escapa de un núcleo (A, Z), que tiene spin J i, y se forma un núcleo final
(A-4, Z-2) en el estado con espín J f, entonces la partícula α debe llevarse el momento total J, determinado por la relación

Dado que la partícula α tiene giro cero, su momento angular total J coincide con el momento angular orbital l

El resultado es una barrera centrífuga mecánica cuántica.

El cambio en la forma de la barrera potencial debido a la energía centrífuga es insignificante, principalmente debido al hecho de que la energía centrífuga disminuye con la distancia mucho más rápido que la energía de Coulomb (como 1 / r 2, no como 1 / r). Sin embargo, dado que este cambio se divide por la constante de Planck y cae en el exponente, entonces, para l grande, conduce a un cambio en la vida útil del núcleo.
La tabla 2.2 muestra la permeabilidad calculada de la barrera centrífuga B l para las partículas α emitidas con un momento angular orbital l en relación con la permeabilidad de la barrera centrífuga B 0 para las partículas α emitidas con un momento angular orbital l = 0 para un núcleo con Z = 90, la energía de una partícula α es E α = 4.5 MeV. Se puede ver que con un aumento en el momento angular orbital l llevado por la partícula α, la permeabilidad de la barrera centrífuga mecánica cuántica cae bruscamente.

Cuadro 2.2

La permeabilidad relativa de la barrera centrífuga paraα -partículas,
partiendo con momento angular orbital l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)

Un factor más significativo que puede redistribuir drásticamente las probabilidades de varias ramas de desintegración α puede ser la necesidad de un reordenamiento significativo de la estructura interna del núcleo tras la emisión de una partícula α. Si el núcleo inicial es esférico y el estado fundamental del núcleo final está fuertemente deformado, entonces para evolucionar al estado fundamental del núcleo final, el núcleo inicial debe reorganizarse en el proceso de emisión de una partícula α, cambiando enormemente su forma. Tal cambio en la forma del núcleo generalmente involucra una gran cantidad de nucleones y un sistema tan bajo de nucleones como α ‑ una partícula que abandona el núcleo puede no ser capaz de proporcionarlo. Esto significa que la probabilidad de formación del núcleo final en el estado fundamental será insignificante. Sin embargo, si entre los estados excitados del núcleo final hay un estado cercano a esférico, entonces el núcleo inicial puede pasar a él sin un reordenamiento significativo como resultado de α ‑ Decaimiento La probabilidad de poblar tal nivel puede llegar a ser grande, excediendo significativamente la probabilidad de poblar estados más bajos, incluido el estado fundamental.
Los diagramas de desintegración α de los isótopos 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra muestran fuertes dependencias de la probabilidad de desintegración α en estados excitados de la energía de la partícula α y del momento angular orbital l llevado por la α -partícula.
La desintegración α también puede ocurrir a partir de estados excitados de núcleos atómicos. Como ejemplo, las Tablas 2.3, 2.4 muestran los modos de desintegración del suelo y los estados isoméricos de los isótopos 151 Ho y 149 Tb.

Cuadro 2.3

α-desintegraciones del suelo y estados isoméricos 151 Ho

Cuadro 2.4

Desintegraciones α del suelo y estados isoméricos de 149 Tb

En la Fig. La figura 2.6 muestra los diagramas de energía de la desintegración del suelo y los estados isoméricos de los isótopos 149 Tb y 151 Ho.

Arroz. 2.6 Diagramas de energía de desintegración del suelo y estados isoméricos de los isótopos 149 Tb y 151 Ho.

La desintegración α del estado isomérico del isótopo 151 Ho (J P = (1/2) +, isómero E = 40 keV) es más probable (80%) que la captura e en este estado isomérico. Al mismo tiempo, el estado fundamental de 151 Ho decae principalmente como resultado de la captura electrónica (78%).
En el isótopo 149 Tb, la desintegración del estado isomérico (J P = (11/2) -, isómero E = 35,8 keV) ocurre en el caso abrumador como resultado de la e-captura. Las características observadas de la desintegración del suelo y los estados isoméricos se explican por la magnitud de las energías de desintegración α y captura electrónica y los momentos angulares orbitales transportados por la partícula α o el neutrino.

Los núcleos de la mayoría de los átomos son formaciones bastante estables. Sin embargo, los núcleos de átomos de sustancias radiactivas en proceso de desintegración radiactiva se transforman espontáneamente en núcleos de átomos de otras sustancias. Entonces, en 1903, Rutherford descubrió que el radio colocado en un recipiente después de un tiempo se convertía en radón. Además, apareció helio en el recipiente: (88 ^ 226) Ra → (86 ^ 222) Rn + (2 ^ 4) He. Para comprender el significado de la expresión escrita, estudie el tema de la masa y el número de carga del núcleo de un átomo.

Se pudo establecer que los principales tipos de desintegración radiactiva: desintegración alfa y beta ocurren de acuerdo con la siguiente regla de desplazamiento:

Decaimiento alfa

Con decaimiento alfa se emite una partícula alfa (el núcleo de un átomo de helio). De una sustancia con el número de protones Z y neutrones N en el núcleo atómico, se convierte en una sustancia con el número de protones Z-2 y el número de neutrones N-2 y, en consecuencia, la masa atómica A-4: ( Z ^ A) X → (Z-2 ^ (A-4)) Y + (2 ^ 4) He. Es decir, el elemento formado se desplaza dos celdas hacia atrás en el sistema periódico.

Un ejemplo de desintegración α:(92 ^ 238) U → (90 ^ 234) Th + (2 ^ 4) He.

La desintegración alfa es proceso intranuclear... En la composición del núcleo pesado, debido al patrón complejo de la combinación de fuerzas nucleares y electrostáticas, se forma una partícula α independiente, que es expulsada por las fuerzas de Coulomb mucho más activamente que el resto de los nucleones. Bajo ciertas condiciones, puede vencer las fuerzas de interacción nuclear y salir volando del núcleo.

Desintegración beta

Desintegración beta se emite un electrón (partícula β). Como resultado de la desintegración de un neutrón en un protón, electrón y antineutrino, la composición del núcleo aumenta en un protón y el electrón y el antineutrino se emiten al exterior: (Z ^ A) X → (Z + 1 ^ A) Y + (- 1 ^ 0) mi + (0 ^ 0) v. En consecuencia, el elemento formado se desplaza hacia adelante una celda en la tabla periódica.

Un ejemplo de desintegración β:(19 ^ 40) K → (20 ^ 40) Ca + (- 1 ^ 0) e + (0 ^ 0) v.

La desintegración beta es proceso intra-nucleon... Un neutrón sufre una transformación. También hay beta plus decaimiento o desintegración beta de positrones. En la desintegración de positrones, el núcleo emite un positrón y un neutrino, y el elemento se desplaza una celda hacia atrás en la tabla periódica. La desintegración del positrón beta suele ir acompañada de captura de electrones.

Decaimiento gamma

Además de la desintegración alfa y beta, también existe la desintegración gamma. La desintegración gamma es la emisión de cuantos gamma por los núcleos en un estado excitado, en el que tienen una gran energía en comparación con el estado no excitado. Los núcleos pueden entrar en un estado excitado durante las reacciones nucleares o durante la desintegración radiactiva de otros núcleos. La mayoría de los estados excitados de los núcleos tienen una vida útil muy corta, menos de un nanosegundo.

También hay desintegraciones con la emisión de un neutrón, protón, radioactividad de racimo y algunos otros tipos muy raros de desintegraciones. Pero prevaleciendo

2.3 Patronesα - yβ -decaer

ActividadAnucleidoen una fuente radiactiva, el número de desintegraciones que ocurren con los núcleos de la muestra en 1 s se denomina:

Unidad de actividad — Becquerel (Bq): 1Bq - actividad de un nucleido, en el que se produce una desintegración en 1 s.Unidad de actividad no sistémicanucleido en una fuente radiactiva -curie (Ku): 1 Ku = 3,7 1010 Bq.

Decaimiento alfa... La desintegración alfa es la transformación espontánea de un núcleo atómico con el número de protones Z y neutrones N en otro núcleo (hijo) que contiene el número de protones Z - 2 y neutrones N - 2. En este caso, se emite una partícula alfa - la núcleo de un átomo de helio... Un ejemplo de tal proceso es la desintegración α del radio:

Las partículas alfa emitidas por los núcleos de los átomos de radio fueron utilizadas por Rutherford en experimentos sobre la dispersión por núcleos de elementos pesados. La velocidad de las partículas α emitidas durante la desintegración α de los núcleos de radio, medida a partir de la curvatura de la trayectoria en un campo magnético, es de aproximadamente 1,5 107 m / s, y la energía cinética correspondiente es de aproximadamente 7.5 10–13 J (aproximadamente 4,8 MeV). Esta cantidad se puede determinar fácilmente a partir de los valores conocidos de las masas de los núcleos padre e hijo y el núcleo de helio. Aunque la velocidad de la partícula α que escapa es enorme, todavía representa solo el 5% de la velocidad de la luz, por lo tanto, en el cálculo, se puede usar una expresión no relativista para la energía cinética.

Los estudios han demostrado que una sustancia radiactiva puede emitir partículas alfa con varias energías discretas. Esto se debe al hecho de que los núcleos pueden estar, como los átomos, en diferentes estados excitados. Un núcleo hijo puede aparecer en uno de estos estados excitados durante la desintegración α. Durante la transición posterior de este núcleo al estado fundamental, se emite un cuanto γ. En la figura 2.4 se muestra un diagrama de la desintegración α del radio con la emisión de partículas α con dos valores de energías cinéticas.

Figura 2.4 - Diagrama de energía de la desintegración α de los núcleos de radio. Se indica el estado excitado del núcleo del radón.La transición del estado excitado del núcleo del radón al estado fundamental se acompaña de la emisión de un cuanto γ con una energía de 0,186 MeV.

Por tanto, la desintegración α de los núcleos va acompañada en muchos casos de radiación γ.

En la teoría de la desintegración α, se supone que los grupos que constan de dos protones y dos neutrones, es decir, una partícula α, pueden formarse dentro de los núcleos. El núcleo madre es un pozo potencial para partículas α, que está limitado por una barrera potencial. La energía de la partícula alfa en el núcleo es insuficiente para superar esta barrera (Figura 2.5). El escape de una partícula alfa del núcleo solo es posible debido a un fenómeno mecánico cuántico llamado efecto túnel. Según la mecánica cuántica, existe una probabilidad distinta de cero de que una partícula pase por debajo de una barrera potencial. El fenómeno de los túneles tiene un carácter probabilístico.

Desintegración beta... Durante la desintegración beta, un electrón escapa del núcleo. Los electrones no pueden existir dentro de los núcleos (véase el § 1.2), surgen durante la desintegración β como resultado de la transformación de un neutrón en un protón. Este proceso puede ocurrir no solo dentro del núcleo, sino también con neutrones libres. La vida media de un neutrón libre es de unos 15 minutos. Cuando un neutrón decaese convierte en un protóny electron

Las mediciones han demostrado que en este proceso se observa una aparente violación de la ley de conservación de la energía, ya que la energía total de un protón y un electrón que surge de la desintegración de un neutrón es menor que la energía de un neutrón. En 1931, W. Pauli sugirió que durante la desintegración de un neutrón, se libera otra partícula con valores cero de masa y carga, que se lleva parte de la energía. La nueva partícula fue nombradaneutrino(pequeño neutrón). Debido a la falta de carga y masa en los neutrinos, esta partícula interactúa muy débilmente con los átomos de materia, por lo que es extremadamente difícil detectarla en un experimento. La capacidad ionizante de los neutrinos es tan pequeña que un acto de ionización en el aire se encuentra a unos 500 km de distancia. Esta partícula fue descubierta recién en 1953. Actualmente, se sabe que existen varios tipos de neutrinos. En el proceso de desintegración de un neutrón, aparece una partícula, que se llama electrón.antineutrino... Está indicado por el símboloPor lo tanto, la reacción de desintegración de neutrones se escribe en la forma

Un proceso similar tiene lugar dentro de los núcleos durante la desintegración β. Un electrón formado como resultado de la desintegración de uno de los neutrones nucleares se expulsa inmediatamente del "hogar paterno" (núcleo) a una velocidad tremenda, que puede diferir de la velocidad de la luz sólo en una fracción de un porcentaje. Dado que la distribución de la energía liberada durante la desintegración β entre un electrón, un neutrino y un núcleo hijo es aleatoria, los electrones β pueden tener diferentes velocidades en una amplia gama de valores.

Durante la desintegración β, el número de carga Z aumenta en uno, mientras que el número de masa A permanece sin cambios. El núcleo hijo resulta ser el núcleo de uno de los isótopos del elemento, cuyo número de serie en la tabla periódica es uno más alto que el número de serie del núcleo original. Un ejemplo típico de desintegración β es la transformación de la isotona de torioque surgen de la desintegración α del uranioen paladio

Junto con la desintegración β electrónica, el llamado positrón β+ -decaimiento en el que se emite un positrón desde el núcleoy neutrinos... Un positrón es una partícula gemela de un electrón, que se diferencia de él solo en el signo de su carga. La existencia del positrón fue predicha por el destacado físico P. Dirac en 1928. Unos años más tarde, el positrón fue descubierto en la composición de los rayos cósmicos. Los positrones surgen como resultado de la reacción de conversión de un protón en un neutrón de acuerdo con el siguiente esquema:

Decaimiento gamma... A diferencia de la radioactividad α y β, la radioactividad γ de los núcleos no está asociada con un cambio en la estructura interna del núcleo y no está acompañada por un cambio en la carga o números de masa. Tanto en la desintegración α como en la β, el núcleo hijo puede estar en un cierto estado excitado y tener un exceso de energía. La transición del núcleo del estado excitado al estado fundamental se acompaña de la emisión de uno o varios γ-cuantos, cuya energía puede alcanzar varios MeV.