Tipuri de transformări nucleare, dezintegrare alfa și beta

YouTube enciclopedic

1 / 3

✪ Tipuri de degradare

✪ RADIOACTIVITATEA fizica

✪ Alpha și Beta decade

Subtitrări

Tot ceea ce am discutat până acum în chimie s-a bazat pe stabilitatea electronilor și unde este cel mai probabil să se afle în învelișuri stabile. Dar dacă continuăm să studiem atomul, se dovedește că nu numai electronii sunt localizați și acționează în atom. Interacțiunile apar în nucleul însuși, este caracterizat de instabilitate, pe care încearcă să o slăbească. Acesta va fi subiectul tutorialului nostru video. De fapt, studiul acestor mecanisme nu este inclus în programul de chimie pentru boboci, dar aceste cunoștințe cu siguranță nu vor fi de prisos. Când studiem forțele nucleare puternice, fizica cuantică și altele asemenea, vom analiza mai detaliat de ce protonii, neutronii și quarcii care formează nucleele atomilor interacționează în acest fel. Și acum să ne imaginăm cum se poate descompune un nucleu. Să începem cu un fascicul de protoni. Voi desena câteva. Aceștia sunt protoni și aici vor fi neutroni. Le voi desena într-o culoare potrivită. Culoarea gri este ceea ce ai nevoie. Deci iată-i, neutronii mei. Cati protoni am? Am 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Deci, vor fi 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 neutroni. Să presupunem că este nucleul unui atom. Apropo, acesta este primul videoclip despre nucleul atomic. În general, desenarea unui atom este de fapt foarte dificilă, deoarece nu are granițe bine definite. Un electron poate fi oriunde în orice moment. Dar dacă vorbim despre locația electronului în 90% din timp, atunci va fi raza sau diametrul atomului. Știm de mult timp că nucleul este o parte infinitezimală a volumului sferei în care se află electronul în 90% din timp. Și de aici rezultă că aproape tot ceea ce vedem în jurul nostru este spațiu gol. Toate acestea sunt un spațiu gol. Spun asta pentru că aceasta este o pată infinitezimală, deși este o fracțiune foarte mică din volumul unui atom, masa sa este aproape întreaga masă a atomului - acest lucru este foarte important. Nu sunt atomi, nu sunt electroni. Noi pătrundem în miez. Se pare că uneori nucleul este instabil și tinde să obțină o configurație mai stabilă. Nu vom intra în detalii despre motivele instabilității nucleului. Dar, permiteți-mi doar să spun că uneori emite ceea ce se numesc particule alfa. Acest fenomen se numește dezintegrare alfa. Să scriem. Dezintegrarea alfa. Nucleul emite o particulă alfa, sună fantastic. Este doar o colecție de neutroni și protoni. O particulă alfa este doi neutroni și doi protoni. Poate că ei simt că nu se potrivesc aici, acestea, de exemplu. Și există emisie. Ei părăsesc miezul. Luați în considerare ce se întâmplă cu un atom când se întâmplă așa ceva. Să luăm un element aleatoriu, să-l numim E. Are P - protoni. Voi desena literele în aceeași culoare cu protonii. Deci aici sunt protonii. Desigur, elementul E are un număr de masă atomică egal cu suma protonilor și neutronilor. Neutronii sunt gri. Are loc dezintegrarea alfa, ce se va întâmpla cu acest element? Ce se va întâmpla cu acest element? Numărul de protoni este redus cu doi. Prin urmare, numărul de protoni va fi p minus 2. Și numărul de neutroni scade și el cu doi. Deci aici avem p minus 2, plus neutronii noștri minus 2, adică în total minus 4. Masa este redusă cu patru, iar elementul vechi se transformă într-unul nou. Amintiți-vă că elementele sunt determinate de numărul de protoni. În dezintegrarea alfa, pierzi doi neutroni și doi protoni, dar protonii sunt cei care transformă acest element în altul. Dacă numim acest element 1, ceea ce am de gând să fac, acum avem un nou element, elementul 2. Privește cu atenție. Există o emisie de ceva care are doi protoni și doi neutroni. Prin urmare, masa sa va fi egală cu masa a doi protoni și doi neutroni. Ce este asta? Ceva care are o masă de patru separă. Ce conține doi protoni și doi neutroni? Acum nu am un tabel periodic al elementelor. Am uitat să-l decup și să-l lipesc înainte de a filma acest videoclip. Dar veți găsi rapid un element în tabelul periodic care are doi protoni și acel element este heliu. Masa sa atomică este într-adevăr patru. Într-adevăr, în timpul dezintegrarii alfa, nucleul de heliu este cel care este emis. Acesta este miezul heliului. Deoarece acesta este un nucleu de heliu, nu are electroni pentru a neutraliza sarcina protonilor, este un ion. Nu are electroni. Are doar doi protoni, deci are o sarcină plus 2. Să semnăm încărcarea. O particulă alfa este pur și simplu un ion de heliu, un ion de heliu cu o sarcină de plus 2, emis spontan de nucleu pentru a obține o stare mai stabilă. Acesta este un fel de decădere. Acum altele.. Desenăm încă un nucleu. Desenați neutroni. Desenați protoni. Uneori se dovedește că neutronul se simte inconfortabil. Se uită la ceea ce fac protonii în fiecare zi și spune, știi ce? Cumva, când mă ascult, simt că ar trebui să fiu un proton. Dacă aș fi un proton, întregul nucleu ar fi puțin mai stabil. Și ce face să devii un proton? Îți amintești, neutronul are o sarcină neutră? Asta face, emite un electron. Pare o nebunie. Electroni în neutroni și toate astea. Și sunt de acord cu tine. Aceasta este o nebunie. Și într-o zi vom studia tot ce este în interiorul nucleului. Deocamdată, să spunem doar că un neutron poate emite un electron. Ce face el. Deci aici este electronul. Îi considerăm masa egală cu zero .. De fapt, nu este așa, dar acum vorbim despre unități de masă atomică. Dacă masa protonului este unu, atunci masa electronului este de 1836 de ori mai mică. Prin urmare, luăm masa lui zero. Chiar dacă nu este. Și încărcarea sa este minus 1. Deci, înapoi la proces. Neutronul emite un electron. Desigur, neutronul nu rămâne neutru, ci se transformă într-un proton. Aceasta se numește dezintegrare beta. Să scriem această vedere. Dezintegrarea beta. Și o particulă beta este de fapt doar un electron emis. Să revenim la elementul nostru. Are un anumit număr de protoni și neutroni. Împreună formează numărul de masă. Ce se întâmplă când suferă dezintegrare beta? Se schimbă numărul de protoni? Desigur, avem un proton mai mult decât am avut, pentru că un neutron s-a transformat într-un proton. Numărul de protoni a crescut cu 1. S-a schimbat numărul de masă? Vom vedea. Numărul de neutroni a scăzut cu unu, iar numărul de protoni a crescut cu unu. Prin urmare, numărul de masă nu s-a schimbat. Este încă P plus N, adică masa rămâne aceeași, spre deosebire de situația cu dezintegrarea alfa, dar elementul în sine se schimbă. Numărul de protoni se modifică. Ca urmare a decăderii beta, obținem din nou un element nou. Acum situația este alta. Să presupunem că unul dintre acești protoni se uită la neutroni și spune, știi ce? Văd cum trăiesc. Imi place. Cred că aș fi mai confortabil și grupul nostru de particule din nucleu ar fi mai fericit dacă aș fi și eu un neutron. Am fi cu toții într-o stare mai stabilă. Și ce face? Acest proton incomod are capacitatea de a emite mai degrabă un pozitron decât un proton. Emite un pozitron. Și ce e? Aceasta este o particulă care are exact aceeași masă ca un electron. Adică, masa sa este de 1836 de ori mai mică decât masa unui proton. Dar aici scriem doar zero, pentru că în unități de masă atomică se apropie de zero. Dar pozitronul are o sarcină pozitivă. Este puțin confuz că tot aici scrie e. Când văd e, cred că este un electron. Dar nu, această particulă este notă cu litera e, deoarece este același tip de particule, dar în loc de o sarcină negativă, are o sarcină pozitivă. Acesta este un pozitron. Să semnăm. Ceva neobișnuit începe să se întâmple cu aceste tipuri de particule și materie pe care le luăm în considerare. Dar acesta este un fapt. Și dacă un proton emite această particulă, atunci sarcina sa pozitivă practic pleacă cu el și acest proton se transformă într-un neutron. Aceasta se numește emisie de pozitroni. Emisia unui pozitron este destul de ușor de imaginat. Titlul spune totul. Elementul E din nou, cu o anumită cantitate de protoni și neutroni. Care ar trebui să fie acest nou element? Pierde un proton. P minus 1. Se transformă într-un neutron. Adică numărul P se reduce cu unu. Numărul N crește cu unu. Prin urmare, masa întregului atom nu se modifică. Va fi P plus N. Dar tot ar trebui să ajungem cu un alt element, nu? Când are loc dezintegrarea beta, numărul de protoni crește. Ne-am mutat la dreapta în tabelul periodic, sau am crescut, știi ce vreau să spun. Când este emis un pozitron, numărul de protoni scade. Este necesar să scrieți acest lucru în ambele reacții. Deci, aceasta este emisia unui pozitron și a mai rămas un pozitron. Și în dezintegrarea noastră beta, rămâne un electron. Reacțiile sunt scrise exact în același mod. Știi că este un electron pentru că are o sarcină de minus 1. Știi că este un pozitron pentru că are o sarcină de plus 1. Există un ultim tip de dezintegrare despre care trebuie să știi. Dar nu schimbă numărul de protoni sau neutroni din nucleu. Pur și simplu eliberează o cantitate uriașă de energie sau, uneori, un proton de înaltă energie. Acest fenomen se numește degradare gamma. Dezintegrarea gamma înseamnă că aceste particule își schimbă configurația. Se apropie puțin. Și apropiindu-se, ei emit energie sub formă de radiație electromagnetică cu o lungime de undă foarte mică. În esență, o puteți numi o particulă gamma sau o rază gamma. Aceasta este o energie super mare. Razele gamma sunt foarte periculoase. Ei te pot ucide. Totul era teorie. Acum să rezolvăm câteva probleme și să aflăm cu ce tip de degradare avem de-a face. Aici am beriliu-7, unde șapte este masa atomică. Și îl transform în litiu-7. Deci ce se întâmplă aici? Masa nucleului de beriliu rămâne neschimbată, dar numărul de protoni scade de la patru la trei. Numărul de protoni de beriliu a scăzut. Greutatea totală nu s-a schimbat. Cu siguranță aceasta nu este dezintegrare alfa. Dezintegrarea alfa, după cum știți, este eliberarea de heliu din nucleu. Deci ce iese în evidență? O sarcină pozitivă, sau pozitron, este eliberată. Acest lucru este prezentat aici cu o ecuație. Acesta este un pozitron. Prin urmare, acest tip de descompunere a beriliului-7 la litiu-7 este emisia unui pozitron. Toate clare. Acum să ne uităm la următorul exemplu. Uraniul-238 se descompune la toriu-234. Și vedem că masa atomică scade cu 4, și vedem că numărul atomic scade, numărul de protoni scade cu 2. Probabil că ceva care are o masă atomică de patru și un număr atomic de doi, adică heliu, are fost eliberat. Deci aceasta este dezintegrarea alfa. Aici este particula alfa. Acesta este un exemplu de dezintegrare alfa. Dar nu este chiar atât de simplu. Pentru că dacă din 92 de protoni au mai rămas 90 de protoni, tot au mai rămas 92 de electroni. Va fi o taxă de minus 2 acum? Și mai mult, heliul care se eliberează, nu are electroni. Este doar un miez de heliu. Deci taxa va fi plus 2? Dacă pui această întrebare, vei avea perfectă dreptate. Dar, de fapt, tocmai în momentul decăderii toriul nu mai are un motiv să țină acești doi electroni, așa că acești doi electroni dispar, iar toriul devine din nou neutru. Și heliul reacționează foarte repede în același mod. Are nevoie într-adevăr de doi electroni pentru a fi stabil, așa că preia doi electroni foarte repede și devine stabil. Îl poți scrie în orice fel. Să luăm în considerare încă un exemplu. Aici am iod. Bine. Să vedem ce se întâmplă. Masa nu se schimbă. Protonii trebuie să se transforme în neutroni sau neutroni - se transformă în protoni. Vedem, aici am 53 de protoni și aici am 54. Se pare că un neutron s-a transformat într-un proton. Se pare că neutronul s-a transformat într-un proton. Un neutron se transformă într-un proton prin emiterea unui electron. Și o observăm în timpul acestei reacții. Electronul este eliberat. Deci este dezintegrare beta. Aceasta este o particulă beta. Semnat. Se aplică aceeași logică. Stai, în loc de 53 sunt 54 de protoni. Acum că s-a adăugat încă un proton, voi avea o sarcină pozitivă? Da se va. Dar foarte curând – poate nu doar acești electroni, sunt atât de mulți electroni care se rotesc – voi lua electroni de undeva pentru a deveni stabil și a deveni stabil din nou. Dar vei avea perfectă dreptate dacă pui întrebarea dacă particula va deveni un ion pentru o mică parte din timp? Să luăm în considerare încă un exemplu. Radon-222 cu un număr atomic de 86, care se transformă în poloniu-218, cu un număr atomic de 84. O mică digresiune interesantă. Poloniul poartă numele Poloniei pentru că Marie Curie, care l-a descoperit, era de acolo la acea vreme, pe la sfârșitul anilor 1800 - Polonia nu exista încă ca țară separată. Teritoriul său a fost împărțit între Prusia, Rusia și Austria. Și polonezii au vrut cu adevărat ca oamenii să știe că sunt un singur popor. Ei au descoperit că atunci când radonul se descompune, se formează acest element. Și l-au numit în onoarea patriei lor, Polonia. Acesta este privilegiul de a descoperi elemente noi. Dar să revenim la sarcină. Deci ce s-a întâmplat? Masa atomică a scăzut cu patru. Numărul atomic a scăzut cu doi. Repet încă o dată, se pare că s-a eliberat o particulă de heliu. Nucleul de heliu are o masă atomică de patru și un număr atomic de doi. Toate clare. Deci aceasta este dezintegrarea alfa. Puteți scrie că acesta este un nucleu de heliu. Nu are electroni. Putem spune chiar imediat că va avea o sarcină negativă, dar apoi o pierde. Subtitrări de către comunitatea Amara.org

Teorie

Dezintegrarea alfa din principal stările se observă numai în nuclee suficient de grele, de exemplu, în radiu-226 sau uraniu-238. Nucleii alfa-radioactivi din tabelul nuclizilor apar începând de la numărul atomic 52 (telur) și numărul de masă aproximativ 106-110, iar cu numărul atomic mai mare de 82 și numărul de masă mai mare de 200, aproape toți nuclizii sunt alfa-radioactivi, deși au poate avea dezintegrare alfa și modul de dezintegrare nedominant. Printre natural izotopi, radioactivitatea alfa este observată în mai mulți nuclizi ai elementelor pământurilor rare (neodim-144, samariu-147, samariu-148, europiu-151, gadoliniu-152), precum și în mai mulți nuclizi ai metalelor grele (hafniu-174, wolfram). -180, osmiu- 186, platină-190, bismut-209, toriu-232, uraniu-235, uraniu-238) și produse de descompunere de scurtă durată ai uraniului și toriu.

Dezintegrarea alfa din foarte entuziasmat stările nucleare sunt, de asemenea, observate într-un număr de nuclizi ușoare, de exemplu, în litiu-7.

O particulă alfa trece printr-o tranziție de tunel printr-o barieră potențială din cauza forțelor nucleare, așa că dezintegrarea alfa este în esență un proces cuantic. Deoarece probabilitatea efectului de tunel depinde exponențial de înălțimea barierei, timpul de înjumătățire al nucleelor ​​alfa-active crește exponențial odată cu scăderea energiei particulelor alfa (acest fapt este conținutul legii Geiger-Nattall). Când energia particulelor alfa este mai mică de 2 MeV, durata de viață a nucleelor ​​alfa-active depășește semnificativ durata de viață a Universului. Prin urmare, deși majoritatea izotopilor naturali mai grei decât ceriul sunt, în principiu, capabili să se descompună prin acest canal, doar câțiva dintre ei au înregistrat de fapt o astfel de degradare. Pericol pentru organismele vii

Fiind destul de grele și încărcate pozitiv, particulele alfa din dezintegrare radioactivă au o rază de acțiune foarte mică în materie și, atunci când se deplasează printr-un mediu, pierd rapid energie la o distanță mică de sursă. Acest lucru duce la faptul că toată energia radiației este eliberată într-un volum mic de materie, ceea ce crește șansele de deteriorare a celulelor atunci când sursa de radiații intră în organism. dar extern radiațiile de la sursele radioactive sunt inofensive, deoarece particulele alfa pot fi prinse efectiv de câțiva centimetri de aer sau de zeci de micrometri de materie densă - de exemplu, o foaie de hârtie și chiar un strat cornos mort al epidermei, fără a ajunge la celulele vii. Nici măcar atingerea unei surse de radiații alfa pure nu este periculoasă, deși trebuie amintit că multe surse de radiații alfa emit și tipuri de radiații mult mai penetrante (particule beta, cuante gamma, uneori neutroni). Cu toate acestea, dacă o sursă alfa pătrunde în organism, aceasta duce la o expunere semnificativă la radiații. Factorul de calitate al radiației alfa este de 20 (mai mult decât toate celelalte tipuri de radiații ionizante, cu excepția nucleelor ​​grele și a fragmentelor de fisiune). Aceasta înseamnă că, în țesutul viu, o particulă alfa creează de 20 de ori mai multe daune decât o rază gamma sau o particulă beta de energie egală.

Toate cele de mai sus se aplică surselor radioactive de particule alfa, ale căror energii nu depășesc 15 MeV. Particulele alfa produse la accelerator pot avea energii semnificativ mai mari și pot crea o doză semnificativă chiar și cu iradierea externă a corpului.

Cu acest tip de dezintegrare, un nucleu cu număr atomic Z și număr de masă A se descompune prin emiterea unei particule alfa, ceea ce duce la formarea unui nucleu cu număr atomic Z-2 și număr de masă A-4:

În prezent, sunt cunoscuți peste 200 de nuclizi care emit alfa, printre care aproape nu există nuclei ușori și medii. Dintre nucleele ușoare, 8 Be este o excepție; în plus, sunt cunoscuți aproximativ 20 de nuclizi care emit alfa ai elementelor pământurilor rare. Marea majoritate a izotopilor care emit a sunt elemente radioactive, adică. la elemente cu Z> 83, dintre care nuclizii artificiali formează o parte semnificativă. Printre nuclizii naturali, există aproximativ 30 de nuclei alfa-activi aparținând a trei familii radioactive (seria de uraniu, actiniu și toriu), care sunt discutate mai sus. Timpurile de înjumătățire ale nuclizilor alfa radioactivi cunoscuți variază de la 0,298 µs pentru 212 Po până la >10 15 ani pentru 144 Nd, 174 Hf. Energia particulelor alfa emise de nucleele grele din stările fundamentale este de 4-9 MeV, iar de nucleele elementelor din pământuri rare 2-4,5 MeV.

Că probabilitatea dezintegrarii alfa crește odată cu creșterea Z, se datorează faptului că acest tip de transformare a nucleelor ​​este asociat cu repulsia coulombiană, care, pe măsură ce dimensiunea nucleelor ​​crește, crește proporțional. Z 2, în timp ce forțele nucleare de atracție cresc liniar cu creșterea numărului de masă A.

După cum sa arătat mai devreme, nucleul va fi instabil în ceea ce privește dezintegrarea a dacă este valabilă următoarea inegalitate:

unde si sunt masele de repaus ale nucleelor ​​inițiale și, respectiv, finale;

este masa particulei a.

Energia dezintegrarii α a nucleelor ​​( Eα) este suma energiei cinetice a particulei alfa emisă de nucleul părinte Tα și energia cinetică pe care nucleul fiică o dobândește ca urmare a emisiei unei particule alfa (energie de recul) T otd:

Folosind legile conservării energiei și impulsului, putem obține relația:

Unde M otd = este masa nucleului de recul;

Mα este masa particulei alfa.

Rezolvând împreună ecuațiile (4.3) și (4.4), obținem:

. (4.5)

Și în mod corespunzător,

. (4.6)

Ecuațiile (4.5 și 4.6) arată că cea mai mare parte a energiei de descompunere alfa (aproximativ 98%) este transportată de particulele alfa. Energia cinetică a nucleului de recul este ≈100 keV (la o energie de dezintegrare alfa de ≈5 MeV). Trebuie remarcat faptul că chiar și astfel de valori aparent mici ale energiei cinetice a atomilor de recul sunt foarte semnificative și conduc la o reactivitate ridicată a atomilor cu nuclee similare. Pentru comparație, observăm că energia mișcării termice a moleculelor la temperatura camerei este de aproximativ 0,04 eV, iar energia legăturii chimice este de obicei mai mică de 2 eV. Prin urmare, nucleul de recul nu numai că rupe legătura chimică din moleculă, dar și pierde parțial învelișul de electroni (electronii pur și simplu nu țin pasul cu nucleul de recul) cu formarea de ioni.

Atunci când se iau în considerare diferite tipuri de dezintegrare radioactivă, inclusiv dezintegrarea alfa, se folosesc diagrame de energie. Cea mai simplă diagramă energetică este prezentată în fig. 4.1.

Orez. 4.1. Cea mai simplă schemă de dezintegrare alfa.

Starea energetică a sistemului înainte și după dezintegrare este reprezentată de linii orizontale. O particulă alfa este reprezentată de o săgeată (aldine sau dublă) care coboară de la dreapta la stânga. Săgeata indică energia particulelor alfa emise.

Trebuie avut în vedere că cel prezentat în fig. Schema 4.1 este cel mai simplu caz când particulele alfa emise de nucleu au o energie specifică. De obicei, spectrul alfa are o structură fină, adică Nucleii aceluiași nucled emit particule alfa cu energii suficient de apropiate, dar încă diferite ca mărime. S-a constatat că, dacă tranziția alfa este efectuată în starea excitată a nucleului fiu, atunci energia particulelor alfa va fi, în consecință, mai mică decât energia inerentă tranziției dintre stările fundamentale ale nucleului inițial și al nucleului fiu. a radionuclizilor. Și dacă există mai multe astfel de stări excitate, atunci vor exista mai multe tranziții alfa posibile. În acest caz, se formează nuclee fiice cu energii diferite, care, la trecerea la starea fundamentală sau mai stabilă, emit cuante gamma.

Cunoscând energia tuturor particulelor alfa și a quantelor gamma, este posibil să se construiască o diagramă de dezintegrare a energiei.

Exemplu. Construiți o schemă de dezintegrare în funcție de următoarele date:

Energia particulelor α este: 4,46; 4,48; 4,61; și 4,68 MeV,

energia γ-quanta - 0,07; 0,13; 0,20; și 0,22 MeV.

Energia totală de dezintegrare este de 4,68 MeV.

Soluţie. Desenăm patru săgeți de la nivelul de energie al nucleului inițial, fiecare dintre acestea indicând emisia de particule α cu o anumită energie. Calculând diferențele dintre energiile grupurilor individuale de particule α și comparând aceste diferențe cu energiile γ-quantelor, aflăm care tranziții corespund emisiei de γ-quanta a fiecărei energie

4,48 - 4,46 = 0,02 MeV nu există γ-quanta corespunzătoare

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

4,61 - 4,48 = 0,13 MeV energii corespund energiilor

4,68 - 4,46 = 0,22 MeV de γ-quanta emise în timpul dezintegrarii

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

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

Orez. 4.2 - Schema decăderii lui 230 mii.

În același timp, este posibil și al doilea caz, atunci când tranziția alfa este efectuată de la starea excitată a nucleului părinte la starea fundamentală a copilului. Aceste cazuri sunt de obicei calificate ca apariția unor particule alfa cu rază lungă de acțiune, ale căror posibilități de emisie apar din nucleele excitate formate ca urmare a dezintegrarii complexe β. Deci, ca exemplu, Figura 4.3 prezintă o diagramă a emisiei particulelor α cu distanță lungă de către nucleul de poloniu-212, care se formează ca urmare a dezintegrarii β a nucleului de bismut-212. Se poate observa că, în funcție de natura tranziției β, nucleul poloniu-212 se poate forma în stările fundamentale și excitate. Particulele alfa emise din stările excitate ale nucleului de poloniu-212 sunt la distanță lungă. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere că pentru nucleele alfa-active care au apărut în acest fel, o tranziție de la o stare excitată este mai probabilă prin emiterea unui cuantic γ, mai degrabă decât a unei particule alfa cu rază lungă. Prin urmare, particulele alfa cu rază lungă sunt foarte rare.

În plus, oamenii de știință au stabilit un model foarte important: când mic o creștere a energiei particulelor a, timpii de înjumătățire se modifică cu mai multe comenzi. Deci la 232 Th T a = 4,08 MeV, T 1/2 \u003d 1,41 × 10 10 ani și pentru 230 mii - T a = 4,76 MeV, T 1/2 = 1,7∙10 4 ani.

Orez. 4.3. Schema de dezintegrare secvențială: 212 Bi - 212 Po - 208 Pb

Se poate observa că o scădere a energiei particulelor alfa cu aproximativ 0,7 MeV este însoțită de o creștere a timpului de înjumătățire cu 6 ordine de mărime. La 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 ani ≥ T 1/2 ≥ 10 -7 sec,

și, în același timp, există o gamă foarte îngustă de energii ale particulelor alfa emise de nucleele radioactive:

2 MeV ≤ T a ≤ 9 MeV.

Relația dintre timpul de înjumătățire și energia unei particule alfa a fost stabilită experimental de Geiger și Nuttall în 1911-1912. Au arătat că dependența lg T 1/2 din lg Tα este bine aproximat printr-o linie dreaptă:

. (4.7)

Această lege este valabilă pentru nucleele pare-pare. În timp ce pentru nucleele impar-impare există o abatere foarte semnificativă de la lege.

Dependența puternică a probabilității dezintegrarii alfa și, prin urmare, a timpului de înjumătățire, de energie a fost explicată de G. Gamow și E. Condon în 1928 folosind teoria unui model cu o singură particule a nucleului. Acest model presupune că particula alfa există permanent în nucleu, adică. nucleul părinte este format dintr-un nucleu copil și o particulă alfa. Se presupune că particula alfa se mișcă într-o regiune sferică de rază R (R este raza nucleului) și este ținută în nucleu de forțele nucleare Coulomb cu rază scurtă. La distante r mai mari decat raza nucleului fiu R, forțele de repulsie Coulomb acționează.

Pe fig. 4.4 arată dependența energiei potențiale dintre particula alfa și nucleul de recul de distanța dintre centrele acestora.

Abscisa arată distanța dintre nucleul fiu și particula alfa, iar ordonata arată energia sistemului. Potențialul Coulomb este întrerupt la distanță R, care este aproximativ egală cu raza nucleului copilului. Înălțimea barierei Coulomb B, pe care o particulă alfa trebuie să o depășească pentru a părăsi nucleul, este determinată de relația:

Unde ZȘi z sunt sarcinile nucleului fiu și, respectiv, a particulei alfa.

Orez. 4.4. Modificarea energiei potențiale a sistemului cu distanța dintre nucleul copil și particula alfa.

Valoarea barierei de potențial depășește semnificativ energia particulelor alfa emise de nucleele radioactive și, conform legilor mecanicii clasice, o particulă alfa nu poate părăsi nucleul. Dar pentru particulele elementare, al căror comportament este descris de legile mecanicii cuantice, este posibil ca aceste particule să treacă printr-o barieră de potențial, care se numește tranziție de tunel.

În conformitate cu teoria dezintegrarii alfa, ale cărei începuturi au fost puse de G. Gamow și E. Condon, starea unei particule este descrisă de funcția de undă ψ, care, conform condițiilor de normalizare, este diferită de zero la orice punct din spațiu și, prin urmare, există o probabilitate finită de a detecta o particulă alfa atât în ​​interiorul barierei, cât și în afara acesteia. Adică, procesul așa-numitului tunel al unei particule alfa printr-o barieră potențială este posibil.

S-a demonstrat că permeabilitatea barierei este o funcție de numărul atomic, masa atomică, raza nucleară și caracteristicile potențiale ale barierei.

S-a stabilit că tranzițiile alfa ale nucleelor ​​pare-pare de la nivelul principal al nuclizilor părinte la nivelul principal al nuclizilor fiice sunt caracterizate de cele mai mici valori ale timpilor de înjumătățire. Pentru nucleele impar-pare, par-impar și impar-impar, tendința generală continuă, dar timpul de înjumătățire al acestora este de 2-1000 de ori mai lung decât pentru nucleele pare-pare cu Z și dat dat. Tα. Util de reținut: energia particulelor alfa emise de radionuclizi, cu același număr de masă, crește odată cu creșterea sarcinii nucleare.

Timpurile de înjumătățire ale nucleelor ​​α-radioactive cunoscute variază foarte mult. Astfel, izotopul de wolfram de 182 W are un timp de înjumătățire T 1/2 > 8,3·10 18 ani, iar izotopul de protactiniu de 219 Pa are T 1/2 = 5,3·10 -8 s.

Orez. 2.1. Dependența timpului de înjumătățire al unui element radioactiv de energia cinetică a unei particule α a unui element radioactiv natural. Linia întreruptă este legea Geiger-Nattall.

Pentru izotopii pari-pari, dependența timpului de înjumătățire de energia de descompunere α Q α descris de empiric Legea Geiger-Nettol

unde Z este sarcina nucleului final, timpul de înjumătățire T 1/2 este exprimat în secunde, iar energia particulei α E α este în MeV. Pe fig. 2.1 prezintă valorile experimentale ale timpilor de înjumătățire pentru izotopii α-radioactivi pari-pari (Z variază de la 74 la 106) și descrierea lor folosind relația (2.3).
Pentru nucleele impar-pare, par-impar și impar-impar, tendința generală de dependență
lg T 1/2 din Q α este reținută, dar timpii de înjumătățire sunt de 2-100 de ori mai lungi decât pentru nucleele pare-pare cu același Z și Q α .
Pentru ca dezintegrarea α să aibă loc, este necesar ca masa nucleului inițial M(A,Z) să fie mai mare decât suma maselor nucleului final M(A-4, Z-2) și α. -particula M α:

unde Q α = c 2 este energia dezintegrarii α.
Deoarece M α<< M(A-4, Z-2), cea mai mare parte a energiei de dezintegrare α este transportată de α ‑ particulă și doar ≈ 2% - nucleul final (A-4, Z-2).
Spectrele de energie ale particulelor α ale multor elemente radioactive constau din mai multe linii (structura fină a spectrelor α). Motivul apariției structurii fine a spectrului α este dezintegrarea nucleului inițial (A, Z) într-o stare excitată a nucleului (A-4, Z-2). Măsurând spectrele particulelor α, se pot obține informații despre natura stărilor excitate.
nuclee (A-4, Z-2).
Pentru a determina intervalul de valori ale nucleelor ​​A și Z pentru care dezintegrarea α este posibilă din punct de vedere energetic, sunt utilizate date experimentale privind energiile de legare ale nucleelor. Dependența energiei α-degradării Q α de numărul de masă A este prezentată în fig. 2.2.
Din fig. Figura 2.2 arată că dezintegrarea α devine posibilă energetic începând de la A ≈ 140. În regiunile A = 140–150 și A ≈ 210, Q α are maxime distincte, care se datorează structurii învelișului nucleului. Maximul la A = 140–150 este asociat cu umplerea învelișului de neutroni cu numărul magic N =A – Z = 82, iar maximul la A ≈ 210 este asociat cu umplerea învelișului de protoni la Z = 82. Datorită structurii învelișului nucleului atomic prima regiune (pământuri rare) a nucleelor ​​α-active începe cu N = 82, iar nucleele α-radioactive grele devin deosebit de numeroși, începând cu Z = 82.

Orez. 2.2. Dependența energiei de descompunere α de numărul de masă A.

Gama largă de timpi de înjumătățire, precum și valorile mari ale acestor perioade pentru multe nuclee α-radioactive, se explică prin faptul că particula α nu poate părăsi „instantaneu” nucleul, în ciuda faptului că acesta este favorabil energetic. Pentru a părăsi nucleul, particula α trebuie să depășească bariera de potențial - regiunea de la limita nucleului, formată din cauza energiei potențiale a respingerii electrostatice a particulei α și a nucleului final și a forțelor de atracție. între nucleoni. Din punctul de vedere al fizicii clasice, o particulă α nu poate depăși bariera de potențial, deoarece nu are energia cinetică necesară pentru aceasta. Cu toate acestea, mecanica cuantică admite o astfel de posibilitate − α ‑ particula are o anumită probabilitate să treacă prin bariera de potențial și să părăsească nucleul. Acest fenomen mecanic cuantic se numește „efect de tunel” sau „tunnel”. Cu cât înălțimea și lățimea barierei sunt mai mari, cu atât probabilitatea tunelului este mai mică, iar timpul de înjumătățire este în mod corespunzător mai lung. Gamă mare de timpi de înjumătățire
Emițătorii α se explică printr-o combinație diferită de energii cinetice ale particulelor α și înălțimi ale barierelor potențiale. Dacă bariera nu ar exista, atunci particula α ar părăsi nucleul pentru nuclearul caracteristic
timp ≈ 10 -21 - 10 -23 s.
Cel mai simplu model de dezintegrare α a fost propus în 1928 de G. Gamow și independent de G. Gurney și E. Condon. În acest model, s-a presupus că particula alfa există permanent în nucleu. În timp ce particula α se află în nucleu, asupra ei acționează forțele nucleare de atracție. Raza acţiunii lor este comparabilă cu raza nucleului R. Adâncimea potenţialului nuclear este V 0 . În afara suprafeței nucleare pentru r > R, potențialul este potențialul de respingere Coulomb

V(r) = 2Ze2/r.

Orez. 2.3. Energia particulelor α E α în funcție de numărul de neutroni N
în nucleul original. Liniile conectează izotopii aceluiași element chimic.

O diagramă simplificată a acțiunii comune a potențialului nuclear atractiv și a potențialului Coulomb repulsiv este prezentată în Figura 2.4. Pentru a trece dincolo de nucleu, o particulă α cu energie E α trebuie să treacă printr-o barieră de potențial închisă în regiunea de la R la Rc. Probabilitatea dezintegrarii α este determinată în principal de probabilitatea D de trecere a unei particule α prin bariera de potențial

În cadrul acestui model, a fost posibil să se explice dependența puternică a probabilității α ‑ dezintegrarea din energia particulei α.

Orez. 2.4. Energia potențială a unei particule α. bariera potentiala.

Pentru a calcula constanta de dezintegrare λ, este necesar să se înmulțească coeficientul de trecere al unei particule α printr-o barieră de potențial, în primul rând, cu probabilitatea w α ca particula α să se formeze în nucleu și, în al doilea rând, prin probabilitatea ca acesta să fie la marginea miezului. Dacă o particulă α dintr-un nucleu cu raza R are o viteză v, atunci se va apropia de graniță în medie ≈ v/2R ori pe secundă. Ca rezultat, pentru constanta de dezintegrare λ, obținem relația

(2.6)

Viteza unei particule α din nucleu poate fi estimată pe baza energiei sale cinetice E α + V 0 din interiorul puțului de potențial nuclear, ceea ce dă v ≈ (0,1-0,2) s. De aici rezultă deja că, în prezența unei particule α în nucleu, probabilitatea trecerii acesteia prin bariera D<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
Rugozitatea estimării factorului pre-exponenţial nu este foarte semnificativă, deoarece constanta de dezintegrare depinde de aceasta incomparabil mai slabă decât de exponent.
Din formula (2.6) rezultă că timpul de înjumătățire depinde puternic de raza nucleară R, deoarece raza R este inclusă nu numai în factorul pre-exponențial, ci și în exponent, ca limită de integrare. Prin urmare, este posibil să se determine razele nucleelor ​​atomice din datele despre dezintegrarea α. Razele obținute în acest fel se dovedesc a fi cu 20–30% mai mari decât cele găsite în experimentele de împrăștiere a electronilor. Această diferență se datorează faptului că în experimentele cu electroni rapizi se măsoară raza de distribuție a sarcinii electrice în nucleu, iar în dezintegrarea α se măsoară distanța dintre nucleu și particula α, la care forțele nucleare. încetează să acționeze.
Prezența constantei lui Planck în exponentul (2.6) explică dependența puternică a timpului de înjumătățire de energie. Chiar și o mică modificare a energiei duce la o schimbare semnificativă a exponentului și, prin urmare, la o schimbare foarte bruscă a timpului de înjumătățire. Prin urmare, energiile particulelor α emise sunt foarte limitate. Pentru nucleele grele, particulele α cu energii de peste 9 MeV zboară aproape instantaneu, iar cu energii sub 4 MeV trăiesc în nucleu atât de mult încât dezintegrarea α nici măcar nu poate fi înregistrată. Pentru nucleele α-radioactive din pământuri rare, ambele energii scad din cauza scăderii razei nucleului și a înălțimii barierei de potențial.
Pe fig. Figura 2.5 arată dependența energiei de descompunere α a izotopilor Hf (Z = 72) de numărul de masă A în intervalul numerelor de masă A = 156–185. Tabelul 2.1 enumeră energiile de dezintegrare α, timpii de înjumătățire și canalele principale de dezintegrare pentru izotopii 156–185 Hf. Se poate observa cum, pe măsură ce numărul de masă A crește, energia dezintegrarii α scade, ceea ce duce la o scădere a probabilității de dezintegrare α și la o creștere a probabilității dezintegrarii β (Tabelul 2.1). Izotopul 174 Hf, fiind un izotop stabil (într-un amestec natural de izotopi, este de 0,16%), se descompune totuși cu un timp de înjumătățire T 1/2 = 2 10 15 ani cu emisia unei particule α.

Orez. 2.5. Dependența energiei de descompunere α Q α a izotopilor Hf (Z = 72)
din numărul de masă A.

Tabelul 2.1

Dependența energiei de dezintegrare a α Q α , timpul de înjumătățire T 1/2 ,
diferite moduri de dezintegrare a izotopilor H f (Z = 72) asupra numărului de masă A

Z	N	A	Qα	T 1/2	Moduri de dezintegrare (%)
72	84	156	6.0350	23 ms	a(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 s	α (35), e (65)
72	88	160	4.9020	13,6 s	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 s	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 min	e (100)
72	95	167	3.4090	2,05 min	e (100)
72	96	168	3.2380	25,95 min	e (100)
72	97	169	3.1450	3,24 min	e (100)
72	98	170	2.9130	16.01 ore	e (100)
72	99	171	2.7390	12,1 ore	e (100)
72	100	172	2.7470	1,87 ore	e (100)
72	101	173	2.5350	23,4 ore	e (100)
72	102	174	2.4960	2 10 15 l	e (100)
72	103	175	2.4041	70 de zile	e (100)
72	104	176	2.2580	ciot.
72	105	177	2.2423	ciot.
72	106	178	2.0797	ciot.
72	107	179	1.8040	ciot.
72	108	180	1.2806	ciot.
72	109	181	1.1530	42,39 zile	β - (100)
72	110	182	1.2140	8,9 10 6 l	β - (100)
72	111	183	0.6850	1.07 ore	β - (100)
72	112	184	0.4750	4.12 ore	β - (100)
72	113	185	0.0150	3,5 min	β - (100)

Izotopii Hf cu A = 176–180 sunt izotopi stabili. Acești izotopi au, de asemenea, o energie de descompunere α pozitivă. Cu toate acestea, energia de dezintegrare α de ~ 1,3–2,2 MeV este prea scăzută și dezintegrarea α a acestor izotopi nu a fost detectată, în ciuda probabilității diferite de zero a dezintegrarii α. Cu o creștere suplimentară a numărului de masă A > 180, dezintegrarea β devine canalul de dezintegrare dominant.
În dezintegrarile radioactive, nucleul final poate fi nu numai în starea fundamentală, ci și într-una dintre stările excitate. Cu toate acestea, dependența puternică a probabilității de dezintegrare a α de energia particulei α duce la faptul că descompunerea în niveluri excitate ale nucleului final apar de obicei la o intensitate foarte scăzută, deoarece energia particulei α scade atunci când nucleul final este excitat. Prin urmare, pot fi observate experimental doar decăderile la niveluri de rotație cu energii de excitație relativ scăzute. Degradările în nivelurile excitate ale nucleului final duc la apariția unei structuri fine în spectrul energetic al particulelor α emise.
Principalul factor care determină proprietățile dezintegrarii α este trecerea particulelor α printr-o barieră de potențial. Alți factori sunt relativ slabi, dar în unele cazuri fac posibilă obținerea de informații suplimentare despre structura nucleului și mecanismul dezintegrarii α a nucleului. Unul dintre acești factori este apariția unei bariere centrifuge mecanice cuantice. Dacă o particulă α zboară dintr-un nucleu (A,Z) cu ​​spin J i , și în acest caz se formează un nucleu final
(A-4, Z-2) într-o stare cu spin J f , atunci particula α trebuie să îndepărteze momentul total J, definit de relația

Deoarece particula α are spin zero, impulsul său total J coincide cu momentul unghiular orbital al impulsului l purtat de particula α

Rezultatul este o barieră centrifugă cuantică mecanică.

Modificarea formei barierei de potential datorita energiei centrifuge este nesemnificativa, in principal datorita faptului ca energia centrifuga scade cu distanta mult mai repede decat cea coulombiana (ca 1/r 2 , si nu ca 1/r). Cu toate acestea, deoarece această modificare este împărțită la constanta lui Planck și cade în exponent, atunci pentru l mare, aceasta duce la o schimbare a duratei de viață a nucleului.
Tabelul 2.2 prezintă permeabilitatea calculată a barierei centrifuge B l pentru particulele α emise cu un impuls orbital l în raport cu permeabilitatea barierei centrifuge B 0 pentru particulele α emise cu un impuls orbital l = 0 pentru un nucleu cu Z = 90, energia particulei α E α = 4,5 MeV. Se poate observa că odată cu creșterea impulsului orbital l purtat de particula α, permeabilitatea barierei centrifuge mecanic-cuantice scade brusc.

Tabelul 2.2

Permeabilitatea relativă a barierei centrifuge ptα - particule,
plecând cu impulsul orbital l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)

Un factor mai semnificativ capabil să redistribuie brusc probabilitățile diferitelor ramuri ale dezintegrarii α poate fi necesitatea unei rearanjamente semnificative a structurii interne a nucleului în timpul emisiei unei particule α. Dacă nucleul inițial este sferic, iar starea fundamentală a nucleului final este puternic deformată, atunci pentru a evolua în starea fundamentală a nucleului final, nucleul inițial, în procesul de emitere a unei particule α, trebuie să se rearanjeze. , schimbându-și foarte mult forma. O astfel de schimbare a formei nucleului implică de obicei un număr mare de nucleoni și un sistem de câțiva nucleoni precum α ‑ este posibil ca o particulă care părăsește nucleul să nu o poată furniza. Aceasta înseamnă că probabilitatea formării nucleului final în starea fundamentală va fi neglijabilă. Dacă printre stările excitate ale nucleului final există o stare apropiată de sferică, atunci nucleul inițial poate trece în el fără o rearanjare semnificativă ca urmare a α ‑ dezintegrare Probabilitatea populării unui astfel de nivel se poate dovedi a fi mare, depășind semnificativ probabilitatea populării statelor inferioare, inclusiv starea fundamentală.
Din diagramele de dezintegrare α ale izotopilor 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra, se pot observa dependențe puternice ale probabilității dezintegrarii α în stări excitate de energia particulei α și de impulsul orbital l purtat de particula α.
Dezintegrarea α poate apărea și din stările excitate ale nucleelor ​​atomice. Ca exemplu, Tabelele 2.3 și 2.4 arată modurile de dezintegrare ale stărilor de bază și izomerice ale izotopilor 151 Ho și 149 Tb.

Tabelul 2.3

α-dezintegrari ale solului și stări izomerice de 151 Ho

Tabelul 2.4

α-degradări ale solului și stări izomerice de 149 Tb

Pe fig. 2.6 prezintă diagramele energetice ale dezintegrarii solului și stărilor izomerice ale izotopilor 149 Tb și 151 Ho.

Orez. 2.6 Diagrame de dezintegrare a energiei pentru stările fundamentale și izomerice ale izotopilor 149 Tb și 151 Ho.

Dezintegrarea α din starea izomerică a izotopului 151 Ho (J P = (1/2) + , izomerul E = 40 keV) este mai probabilă (80%) decât captarea e în această stare izomeră. În același timp, starea fundamentală a 151 Ho se descompune în principal ca urmare a capturii electronice (78%).
În izotopul de 149 Tb, dezintegrarea stării izomerice (J P = (11/2) - , izomerul E = 35,8 keV) are loc predominant ca urmare a e-capturii. Caracteristicile observate ale dezintegrarii solului și stărilor izomerice sunt explicate prin energia dezintegrarii α și a captării e și prin impulsul orbital purtat de particula α sau neutrin.

Nucleele majorității atomilor sunt formațiuni destul de stabile. Cu toate acestea, nucleele atomilor de substanțe radioactive în procesul de dezintegrare radioactivă se transformă spontan în nucleele atomilor altor substanțe. Așa că în 1903, Rutherford a descoperit că radiul plasat într-un vas se transforma în radon după un timp. Și a apărut heliu suplimentar în vas: (88^226)Ra→(86^222)Rn+(2^4)He. Pentru a înțelege semnificația expresiei scrise, studiați subiectul masei și numărului de sarcină al nucleului atomic.

S-a putut stabili că principalele tipuri de dezintegrare radioactivă: dezintegrarea alfa și beta apar conform următoarei reguli de schimbare:

Dezintegrarea alfa

În dezintegrare alfa este emisă o particulă α (nucleul unui atom de heliu). Dintr-o substanță cu numărul de protoni Z și neutroni N în nucleul atomic, se transformă într-o substanță cu numărul de protoni Z-2 și numărul de neutroni N-2 și, în consecință, masa atomică A-4: ( Z ^ A) X → (Z-2 ^ (A-4))Y +(2^4)He. Adică, elementul rezultat este mutat cu două celule înapoi în sistemul periodic.

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

Dezintegrarea alfa este proces intranuclear. În compoziția unui nucleu greu, datorită combinației complexe de forțe nucleare și electrostatice, se formează o particulă α independentă, care este împinsă de forțele Coulomb mult mai activ decât restul nucleonilor. În anumite condiții, poate depăși forțele interacțiunii nucleare și poate zbura din nucleu.

dezintegrare beta

În dezintegrare beta este emis un electron (particulă β). Ca urmare a dezintegrarii unui neutron într-un proton, un electron și un antineutrin, compoziția nucleului crește cu un proton, iar electronul și antineutrino sunt radiați spre exterior: (Z^A)X→(Z+1^ A)Y+(-1^0)e+(0 ^0)v. În consecință, elementul rezultat este deplasat înainte în tabelul periodic cu o celulă.

Exemplu de dezintegrare β:(19^40)K→(20^40)Ca+(-1^0)e+(0^0)v.

Dezintegrarea beta este proces intranucleon. Transformarea suferă un neutron. Există deasemenea beta plus dezintegrare sau dezintegrarea beta a pozitronilor. În dezintegrarea pozitronilor, nucleul emite un pozitron și un neutrin, iar elementul mută o celulă înapoi în tabelul periodic. Dezintegrarea beta a pozitronilor este de obicei însoțită de captarea electronilor.

Dezintegrarea gamma

Pe lângă degradarea alfa și beta, există și degradarea gamma. Dezintegrarea gamma este emisia de cuante gamma de către nuclee într-o stare excitată, în care au o energie mare în comparație cu starea neexcitată. Nucleii pot intra într-o stare excitată în timpul reacțiilor nucleare sau în timpul descompunerilor radioactive ale altor nuclee. Majoritatea stărilor excitate ale nucleelor ​​au o durată de viață foarte scurtă - mai puțin de o nanosecundă.

Există, de asemenea, dezintegrari cu emisia unui neutron, a unui proton, radioactivitate a clusterului și alte tipuri de descompunere, foarte rare. Dar predominând

2.3 Modeleα - Șiβ -descompunere

ActivitateAnuclidîntr-o sursă radioactivă, numărul de dezintegrari care apar cu nucleele probei în 1 s se numește:

Unitatea de activitate — becquerel (Bq): 1Bq este activitatea nuclidului la care are loc un eveniment de dezintegrare în 1 s.Unitatea de activitate în afara sistemuluinuclidul într-o sursă radioactivăcurie (Ku): 1 Ku=3,7 1010 Bq.

Dezintegrarea alfa. Dezintegrarea alfa este transformarea spontană a unui nucleu atomic cu numărul de protoni Z și neutroni N într-un alt nucleu (fiică) care conține numărul de protoni Z - 2 și neutroni N - 2. În acest caz, este emisă o particulă α - nucleul unui atom de heliu. Un exemplu de astfel de proces este dezintegrarea α a radiului:

Particulele alfa emise de nucleele atomilor de radiu au fost folosite de Rutherford în experimente privind împrăștierea de către nucleele elementelor grele. Viteza particulelor α emise în timpul dezintegrarii α a nucleelor ​​de radiu, măsurată prin curbura traiectoriei într-un câmp magnetic, este aproximativ egală cu 1,5 107 m/s, iar energia cinetică corespunzătoare este de aproximativ 7,5 10–13 J (aproximativ 4,8 MeV). Această valoare poate fi determinată cu ușurință din valorile cunoscute ale maselor nucleelor ​​părinte și fiice și ale nucleului de heliu. Deși viteza particulei α ejectate este enormă, este totuși doar 5% din viteza luminii, așa că calculul poate folosi o expresie non-relatistică pentru energia cinetică.

Studiile au arătat că o substanță radioactivă poate emite particule α cu mai multe valori discrete de energie. Acest lucru se explică prin faptul că nucleele pot fi, ca și atomii, în diferite stări excitate. Un nucleu fiică poate fi într-una dintre aceste stări excitate în timpul dezintegrarii α. În timpul tranziției ulterioare a acestui nucleu la starea fundamentală, este emis un γ-cuantic. Schema dezintegrarii α a radiului cu emisia de particule α cu două valori ale energiilor cinetice este prezentată în Figura 2.4.

Figura 2.4 - Diagrama energetică a dezintegrarii α a nucleelor ​​de radiu. Este indicată starea excitată a nucleului radonuluiTrecerea de la starea excitată a nucleului radonului la starea fundamentală este însoțită de emisia unui cuantum γ cu o energie de 0,186 MeV

Astfel, dezintegrarea α a nucleelor ​​este în multe cazuri însoțită de radiații y.

În teoria dezintegrarii α, se presupune că în interiorul nucleelor ​​se pot forma grupuri formate din doi protoni și doi neutroni, adică o particulă α. Nucleul părinte este un put de potențial pentru particulele α, care este limitat de o barieră potențială. Energia particulei α din nucleu este insuficientă pentru a depăși această barieră (Figura 2.5). Scăparea unei particule α din nucleu este posibilă numai datorită unui fenomen mecanic cuantic numit efect de tunel. Conform mecanicii cuantice, există o probabilitate diferită de zero ca o particulă să treacă sub o barieră de potențial. Fenomenul tunelului are un caracter probabilistic.

dezintegrare beta. În dezintegrarea beta, un electron este emis din nucleu. Electronii nu pot exista în interiorul nucleelor ​​(vezi § 1.2), ei apar în timpul dezintegrarii β ca urmare a transformării unui neutron într-un proton. Acest proces poate avea loc nu numai în interiorul nucleului, ci și cu neutroni liberi. Durata medie de viață a unui neutron liber este de aproximativ 15 minute. Când un neutron se descompunese transformă într-un protonși electron

Măsurătorile au arătat că în acest proces există o încălcare aparentă a legii conservării energiei, deoarece energia totală a protonului și electronului care rezultă din dezintegrarea neutronului este mai mică decât energia neutronului. În 1931, W. Pauli a sugerat că în timpul dezintegrarii unui neutron, o altă particulă este eliberată cu masă și sarcină zero, care ia o parte din energie. Noua particulă este numităneutrini(neutron mic). Din cauza absenței unei sarcini și a unei mase într-un neutrin, această particulă interacționează foarte slab cu atomii materiei, așa că este extrem de dificil să o detectezi într-un experiment. Capacitatea de ionizare a neutrinilor este atât de mică încât un act de ionizare în aer cade pe aproximativ 500 km de cale. Această particulă a fost descoperită abia în 1953. În prezent, se știe că există mai multe varietăți de neutrini. În procesul de dezintegrare a neutronilor, se formează o particulă, care se numește electron.antineutrino. Este marcat cu simbolulPrin urmare, reacția de dezintegrare a neutronilor este scrisă ca

Un proces similar are loc și în interiorul nucleelor ​​în timpul dezintegrarii β. Un electron format ca urmare a dezintegrarii unuia dintre neutronii nucleari este imediat ejectat din „casa-mamă” (nucleu) cu o viteză extraordinară, care poate diferi de viteza luminii doar cu o fracțiune de procent. Deoarece distribuția energiei eliberate în timpul dezintegrarii β între un electron, un neutrin și un nucleu fiu este aleatorie, electronii β pot avea viteze diferite într-o gamă largă de valori.

În timpul dezintegrarii β, numărul de sarcină Z crește cu unu, în timp ce numărul de masă A rămâne neschimbat. Nucleul fiică se dovedește a fi nucleul unuia dintre izotopii elementului, al cărui număr de serie în tabelul periodic este cu unul mai mare decât numărul de serie al nucleului original. Un exemplu tipic de degradare β este transformarea unei izotone de toriucare rezultă din dezintegrarea α a uraniuluila paladiu

Alături de dezintegrarea electronică β, așa-numitul pozitron β+ dezintegrare în care un pozitron este emis din nucleuși neutrini. Un pozitron este o particulă geamănă a unui electron care diferă de acesta doar prin semnul sarcinii. Existența pozitronului a fost prezisă de remarcabilul fizician P. Dirac în 1928. Câțiva ani mai târziu, pozitronul a fost descoperit în raze cosmice. Pozitronii apar ca rezultat al reacției de transformare a unui proton într-un neutron conform următoarei scheme:

Dezintegrarea gamma. Spre deosebire de α- și β-radioactivitate, γ-radioactivitatea nucleelor ​​nu este asociată cu o modificare a structurii interne a nucleului și nu este însoțită de o modificare a sarcinii sau a numerelor de masă. Atât în ​​dezintegrarea α cât și în cea β, nucleul fiică poate fi într-o stare excitată și poate avea un exces de energie. Trecerea nucleului de la starea excitată la starea fundamentală este însoțită de emisia uneia sau mai multor γ-quante, a căror energie poate ajunge la câțiva MeV.