Llojet e transformimeve bërthamore, kalbja alfa dhe beta

YouTube kolegjial

1 / 3

✪ Llojet e kalbjes

✪ Fizikë e RADIOAKTIVITETIT

✪ Alfa dhe Beta prishen

Titra

Gjithçka që kemi diskutuar deri më tani në kimi është bazuar në stabilitetin e elektroneve dhe ku ka më shumë gjasa të jenë në predha të qëndrueshme. Por nëse vazhdojmë të studiojmë atomin, rezulton se jo vetëm elektronet janë në atom dhe veprojnë. Ndërveprimet zhvillohen në vetë bërthamën, karakterizohet nga paqëndrueshmëria, të cilën kërkon ta dobësojë. Kjo do të jetë tema e mësimit tonë video. Në fakt, studimi i këtyre mekanizmave nuk përfshihet në programin e kimisë për studentët e parë, por kjo njohuri nuk do të jetë patjetër e tepërt. Kur studiojmë ndërveprimet e forta bërthamore, fizikën kuantike dhe të ngjashme, do të shqyrtojmë më në detaje pse protonet, neutronet dhe kuarkët që përbëjnë bërthamat e atomeve ndërveprojnë në këtë mënyrë. Tani le të imagjinojmë se si një bërthamë mund të kalbet fare.. Le të fillojmë me një rreze protoni. Unë do të vizatoj disa. Këto janë protone, dhe këtu do të jenë neutronet. Unë do t'i lyej me një ngjyrë të përshtatshme. Ngjyra gri është ajo që ju nevojitet. Pra, ja ku janë, neutronet e mia. Sa protone kam? Unë kam 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Pra do të ketë 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 neutrone. Le të themi se është bërthama e një atomi. Nga rruga, kjo është video e parë në lidhje me bërthamën atomike. Në përgjithësi, vizatimi i një atomi është në të vërtetë shumë i vështirë, sepse ai nuk ka kufij të përcaktuar qartë. Një elektron mund të jetë kudo në çdo kohë të caktuar. Por nëse flasim për vendndodhjen e elektronit 90% të kohës, atëherë do të jetë rrezja ose diametri i atomit. Ne e dimë prej kohësh se bërthama është një pjesë pafundësisht e vogël e vëllimit të sferës ku elektroni ndodhet në 90% të kohës. Dhe nga kjo rrjedh se pothuajse gjithçka që shohim rreth nesh është hapësirë ​​boshe. E gjithë kjo është një hapësirë ​​boshe. E them këtë sepse është një grimcë pafundësisht e vogël, edhe pse është një pjesë shumë e vogël e vëllimit të një atomi, masa e tij është pothuajse e gjithë masa e një atomi - kjo është shumë e rëndësishme. Këto nuk janë atome, nuk janë elektrone. Ne depërtojmë në thelb. Rezulton se ndonjëherë kerneli është i paqëndrueshëm dhe tenton të arrijë një konfigurim më të qëndrueshëm. Nuk do të hyjmë në detaje për arsyet e paqëndrueshmërisë së bërthamës. Por, do të them vetëm se ndonjëherë lëshon ato që quhen grimca alfa. Ky fenomen quhet prishje alfa. Le ta shkruajmë. Kalbja alfa. Bërthama lëshon një grimcë alfa, tingëllon fantastike. Është vetëm një koleksion neutronesh dhe protonesh. Dhe një grimcë alfa është dy neutrone dhe dy protone. Ndoshta mendojnë se nuk i përshtaten këtu, p.sh. Dhe ka një emetim. Ata largohen nga thelbi. Konsideroni se çfarë ndodh me një atom kur ndodh diçka e tillë. Le të marrim një element të rastësishëm, le ta quajmë E. Ai ka P - protone. Do t'i vizatoj shkronjat në të njëjtën ngjyrë si protonet. Pra, këtu janë protonet. Natyrisht, elementi E ka një numër masiv atomik të barabartë me shumën e protoneve dhe neutroneve. Neutronet janë gri. Ndodh zbërthimi alfa, çfarë do të ndodhë me këtë element? Çfarë do të ndodhë me këtë element? Numri i protoneve zvogëlohet me dy. Prandaj, numri i protoneve do të jetë p minus 2. Dhe numri i neutroneve gjithashtu zvogëlohet me dy. Pra, këtu kemi p minus 2, plus neutronet tona minus 2, domethënë vetëm minus 4. Masa zvogëlohet me katër, dhe elementi i vjetër kthehet në një të ri. Mos harroni se elementet përcaktohen nga numri i protoneve. Në zbërthimin alfa, ju humbni dy neutrone dhe dy protone, por janë protonet që e shndërrojnë këtë element në një tjetër. Nëse e emërtojmë këtë element 1, që është ajo që do të bëj, atëherë tani kemi një element të ri, elementin 2. Shikoni me kujdes. Diçka lëshohet që ka dy protone dhe dy neutrone. Prandaj, masa e tij do të jetë e barabartë me masën e dy protoneve dhe dy neutroneve. Çfarë është kjo? Diçka me një masë prej katër ndahet. Çfarë përmban dy protone dhe dy neutrone? Tani nuk kam një tabelë periodike të elementeve. Kam harruar ta pres dhe ta ngjit para se të xhiroj këtë video. Por shpejt do të gjeni në tabelën periodike një element që ka dy protone dhe ai element është helium. Masa e tij atomike është me të vërtetë katër. Në të vërtetë, gjatë kalbjes alfa, është bërthama e heliumit që emetohet. Kjo është një bërthamë heliumi. Meqenëse kjo është një bërthamë heliumi, ajo nuk ka elektrone për të neutralizuar ngarkesën e protoneve, është një jon. Nuk ka elektrone. Ka vetëm dy protone, pra ka një ngarkesë plus 2. Le të nënshkruajmë ngarkesën. Një grimcë alfa është thjesht një jon helium, një jon helium me një ngarkesë plus 2, i emetuar spontanisht nga bërthama për të arritur një gjendje më të qëndrueshme. Ky është një lloj prishjeje. Tani të tjerët .. Vizatoni një bërthamë më shumë. Unë do të vizatoj neutronet. Unë do të vizatoj protonet. Ndonjëherë rezulton se neutroni ndihet i pakëndshëm. Çdo ditë ai shikon se çfarë po bëjnë protonet dhe ai thotë, e dini çfarë? Në një farë mënyre, kur dëgjoj veten, ndihem sikur duhet të jem vërtet një proton. Nëse do të isha një proton, e gjithë bërthama do të ishte pak më e qëndrueshme. Dhe çfarë bën për t'u bërë një proton? Mos harroni se neutroni ka një ngarkesë neutrale? Kjo është ajo që bën, lëshon një elektron. Tingëllon e çmendur. Elektrone në neutrone dhe gjithçka tjetër. Dhe jam dakord me ju. Kjo është çmenduri. Dhe një ditë ne do të eksplorojmë gjithçka brenda thelbit. Tani për tani, le të themi vetëm se një neutron mund të lëshojë një elektron. Të cilën ai e bën. Pra, këtu është një elektron. Ne e marrim masën e tij si të barabartë me zero.. Në fakt, nuk është kështu, por tani po flasim për njësi të masës atomike. Nëse masa e protonit është një, atëherë masa e elektronit është 1836 herë më pak. Prandaj, ne e marrim masën e tij si zero. Edhe pse nuk është e vërtetë. Dhe ngarkesa e tij është minus 1. Pra, le të kthehemi te procesi. Një neutron lëshon një elektron. Natyrisht, neutroni nuk mbetet neutral, por kthehet në një proton. Kjo quhet prishje beta. Le të shkruajmë këtë pamje. Prishja beta. Dhe grimca beta është në të vërtetë vetëm një elektron i emetuar. Le të kthehemi te elementi ynë. Ai ka një sasi të caktuar të protoneve dhe neutroneve. Së bashku ata përbëjnë një numër masiv. Çfarë ndodh kur i nënshtrohet kalbjes beta? A ndryshon numri i protoneve? Natyrisht, ne kemi një proton më shumë se sa ishte, sepse një neutron u shndërrua në një proton. Numri i protoneve është rritur me 1. A ka ndryshuar numri masiv? Le të shohim. Numri i neutroneve u zvogëlua me një, dhe numri i protoneve u rrit me një. Prandaj, numri masiv nuk ka ndryshuar. Është akoma P plus N, domethënë masa mbetet e pandryshuar, ndryshe nga situata me kalbjen alfa, por vetë elementi ndryshon. Numri i protoneve ndryshon. Si rezultat i prishjes beta, ne përsëri marrim një element të ri. Tani situata është ndryshe. Le të themi se një nga këta protone shikon neutronet dhe thotë, e dini çfarë? Unë shoh se si ata jetojnë. Me pelqen. Unë mendoj se do të ishte më i përshtatshëm për mua dhe grupi ynë i grimcave brenda bërthamës do të ishte më i lumtur nëse edhe unë do të isha një neutron. Të gjithë do të ishim në një gjendje më të qëndrueshme. Dhe çfarë bën ai? Ky proton i pakëndshëm ka aftësinë të lëshojë një pozitron dhe jo një proton. Ai lëshon një pozitron. Dhe çfarë është ajo? Është një grimcë që ka saktësisht të njëjtën masë si një elektron. Kjo do të thotë, masa e tij është 1836 herë më pak se masa e një protoni. Por këtu ne thjesht shkruajmë zero, sepse në njësi të masës atomike, ajo i afrohet zeros. Por pozitroni ka një ngarkesë pozitive. Pak konfuze është se ende thotë e. Kur shoh e, mendoj se është një elektron. Por jo, kjo grimcë shënohet me shkronjën e, sepse është grimcë e të njëjtit lloj, por në vend të ngarkesës negative, ajo ka një ngarkesë pozitive. Ky është një pozitron. Le të nënshkruajmë. Diçka e pazakontë ka filluar të ndodhë me këto lloj grimcash dhe materie që po shqyrtojmë. Por ky është një fakt. Dhe nëse një proton e lëshon këtë grimcë, atëherë ngarkesa e tij pozitive praktikisht largohet me të dhe ky proton shndërrohet në një neutron. Ky quhet emetim pozitron. Emisioni i pozitronit është shumë i lehtë për t'u imagjinuar. Emri i thotë të gjitha. Elementi E përsëri, me një sasi të caktuar të protoneve dhe neutroneve. Cili duhet të jetë ky element i ri? Ai humbet një proton. P minus 1. Ai kthehet në një neutron. Kjo do të thotë, numri i P zvogëlohet me një. Numri i N është rritur me një. Prandaj, masa e një atomi të tërë nuk ndryshon. Do të jetë P plus N. Por ne duhet të kemi një element tjetër, apo jo? Kur ndodh zbërthimi beta, numri i protoneve rritet. Ne lëvizëm djathtas në tabelën periodike, ose zmadhuam, e dini çfarë dua të them. Kur emetohet një pozitron, numri i protoneve zvogëlohet. Ju duhet ta shkruani këtë në të dyja këto reagime. Pra, ky është një emetim pozitron, dhe një pozitron mbetet. Dhe në zbërthimin tonë beta, mbetet një elektron. Reagimet regjistrohen saktësisht të njëjta. Ju e dini që është një elektron sepse ka një ngarkesë minus 1. Ju e dini që është një pozitron sepse ka një ngarkesë plus 1. Ekziston një lloj i fundit zbërthimi për të cilin duhet të dini. Por nuk ndryshon numrin e protoneve apo neutroneve në bërthamë. Ai thjesht lëshon një sasi të madhe energjie, ose ndonjëherë një proton me energji të lartë. Ky fenomen quhet prishje gama. Zbërthimi i gama do të thotë që këto grimca ndryshojnë konfigurimin e tyre. Ata afrohen pak më shumë. Dhe kur afrohen, lëshojnë energji në formën e rrezatimit elektromagnetik me një gjatësi vale shumë të vogël. Si e tillë, ju mund ta quani atë një grimcë gama ose një rreze gama. Kjo është energji super e lartë. Rrezet gama janë shumë të rrezikshme. Ata mund të të vrasin. Kjo ishte e gjitha teori. Tani le të zgjidhim disa probleme dhe të zbulojmë se me çfarë lloj prishjeje kemi të bëjmë. Këtu kam berilium-7, ku shtatë është masa atomike. Dhe unë e kthej atë në litium-7. Pra, çfarë po ndodh këtu? Masa e bërthamës së beriliumit mbetet e pandryshuar, por numri i protoneve zvogëlohet nga katër në tre. Numri i protoneve të beriliumit është zvogëluar. Masa totale nuk ka ndryshuar. Me siguri kjo nuk është kalbje alfa. Prishja alfa, siç e dini, është lirimi i heliumit nga bërthama. Pra, çfarë bie në sy? Një ngarkesë pozitive, ose pozitron, lirohet. Kjo tregohet këtu me një ekuacion. Ky është një pozitron. Prandaj, ky lloj zbërthimi i berilium-7 në litium-7 është një emetim pozitron. Gjithçka e qartë. Tani le të hedhim një vështrim në shembullin tjetër. Uraniumi-238 zbërthehet në torium-234. Dhe ne shohim që masa atomike zvogëlohet me 4, dhe shohim që numri atomik zvogëlohet, numri i protoneve zvogëlohet me 2. Ndoshta, është lëshuar diçka që ka një masë atomike katër dhe një numër atomik dy, d.m.th. , helium. Pra, ky është kalbja alfa. Këtu është grimca alfa. Ky është një shembull i kalbjes alfa. Por gjithçka nuk është aq e thjeshtë këtu. Sepse nëse nga 92 protone kanë mbetur 90 protone, mbeten edhe 92 elektrone. A do të ketë një tarifë minus 2 tani? Për më tepër, heliumi që lëshohet nuk ka elektrone. Është thjesht një bërthamë heliumi. Pra, a do të ketë një tarifë plus 2? Duke bërë një pyetje të tillë, do të kishit absolutisht të drejtë. Por në fakt, është në momentin e kalbjes që toriumi nuk ka më arsye për të mbajtur këto dy elektrone, kështu që këto dy elektrone zhduken dhe toriumi përsëri bëhet neutral. Dhe heliumi reagon shumë shpejt në të njëjtën mënyrë. Ai me të vërtetë ka nevojë për dy elektrone që të jetë i qëndrueshëm, kështu që rrëmben dy elektrone shumë shpejt dhe bëhet i qëndrueshëm. Ju mund ta shkruani atë në çdo mënyrë. Le të marrim një shembull tjetër. Unë kam jod këtu. Mirë. Le të shohim se çfarë ndodh. Masa nuk ndryshon. Protonet duhet të kthehen në neutrone ose neutrone - të kthehen në protone. Ne shohim, këtu kam 53 protone, dhe këtu - 54. Me sa duket, një neutron u shndërrua në një proton. Neutroni duket se është kthyer në një proton. Një neutron kthehet në një proton duke emetuar një elektron. Dhe ne e shohim gjatë këtij reagimi. Elektroni u lirua. Pra, ky është prishja beta. Kjo është një grimcë beta. Nënshkruar. E njëjta logjikë vlen. Prisni, ka 54 protone në vend të 53. Tani që është shtuar edhe një proton, a do të kem një ngarkesë pozitive? Po, do të ndodhë. Por shumë shpejt - ndoshta jo vetëm këto elektrone, ka kaq shumë elektrone që rrotullohen përreth - unë do të rrëmbej elektrone nga diku për t'u bërë të qëndrueshme dhe për të rifituar stabilitetin. Por do të kishit absolutisht të drejtë nëse bëni pyetjen, a do të bëhet një grimcë jon për një pjesë të vogël të kohës? Le të marrim një shembull tjetër. Radoni-222 me numër atomik 86, i cili kthehet në polonium -218, me numër atomik 84. Një digresion i vogël interesant. Polonius është emëruar pas Polonisë sepse Marie Curie, e cila e zbuloi atë, ishte nga atje, në atë kohë, rreth fundit të viteve 1800 - Polonia nuk ekzistonte ende si një vend më vete. Territori i saj u nda midis Prusisë, Rusisë dhe Austrisë. Dhe polakët me të vërtetë donin që njerëzit ta dinin se ata janë një popull. Ata zbuluan se kur radoni prishet, ky element formohet. Dhe ata e quajtën atë sipas atdheut të tyre, Polonisë. Është privilegji për të zbuluar elementë të rinj. Por përsëri në detyrë. Pra, çfarë ndodhi? Masa atomike është ulur me katër. Numri atomik është zvogëluar me dy. E përsëris edhe një herë, me sa duket, një grimcë heliumi është lëshuar. Bërthama e heliumit ka një masë atomike prej katër dhe një numër atomik dy. Gjithçka e qartë. Pra, ky është kalbja alfa. Mund të shkruani se kjo është një bërthamë heliumi. Nuk ka elektrone. Madje mund të themi menjëherë se do të ketë një ngarkesë negative, por më pas e humbet atë. Titra nga komuniteti Amara.org

Teoria

Kalbja alfa nga kryesor gjendjet vërehen vetëm në bërthama mjaft të rënda, për shembull, në radium-226 ose uranium-238. Bërthamat alfa-radioaktive në tabelën e nuklideve shfaqen duke filluar nga numri atomik 52 (telurium) dhe numri i masës rreth 106-110, dhe me numër atomik më shumë se 82 dhe numër masiv më shumë se 200, praktikisht të gjitha nukleidet janë alfa-radioaktive, megjithëse mund të kanë zbërthim alfa dhe jo modalitetin e zbërthimit dominues. Ndër natyrore izotopet e radioaktivitetit alfa të vërejtura në disa nuklide të elementeve të tokës së rrallë (neodymium-144, samarium-147, samarium-148, europium-151, gadolinium-152), si dhe në disa nuklide të metaleve të rënda (hafnium-174, tungsten-180 , osmium 186, platin-190, bismut-209, torium-232, uranium-235, uranium-238) dhe në produktet e kalbjes jetëshkurtër të uraniumit dhe toriumit.

Kalbja alfa nga shumë i emocionuar gjendjet bërthamore vërehen gjithashtu në një numër nuklidesh të lehta, për shembull, në litium-7.

Një grimcë alfa i nënshtrohet një tranzicioni tunel përmes një pengese të mundshme, të shkaktuar nga forcat bërthamore, kështu që prishja alfa është një proces në thelb kuantik. Meqenëse probabiliteti i efektit të tunelit varet në mënyrë eksponenciale nga lartësia e barrierës, gjysma e jetës së bërthamave alfa-aktive rritet në mënyrë eksponenciale me zvogëlimin e energjisë së grimcave alfa (ky fakt është përmbajtja e ligjit Geiger-Nettall). Në një energji të grimcave alfa më pak se 2 MeV, jetëgjatësia e bërthamave alfa-aktive tejkalon ndjeshëm jetëgjatësinë e Universit. Prandaj, megjithëse shumica e izotopeve natyrore më të rënda se ceriumi janë në parim të aftë të kalbet përmes këtij kanali, vetëm disa prej tyre kanë regjistruar në të vërtetë një zbërthim të tillë. Rrezik për organizmat e gjallë

Duke qenë mjaft të rënda dhe të ngarkuara pozitivisht, grimcat alfa nga zbërthimi radioaktiv kanë një gamë shumë të shkurtër në materie dhe, kur lëvizin në një mjedis, ato humbasin shpejt energjinë në një distancë të shkurtër nga burimi. Kjo çon në faktin se e gjithë energjia e rrezatimit lëshohet në një vëllim të vogël të substancës, gjë që rrit shanset e dëmtimit të qelizave kur burimi i rrezatimit hyn në trup. por e jashtme rrezatimi nga burimet radioaktive është i padëmshëm, pasi grimcat alfa mund të mbahen në mënyrë efektive nga disa centimetra ajri ose dhjetëra mikrometra të një substance të dendur - për shembull, një fletë letre dhe madje edhe shtresa e korneumit të epidermës, pa arritur në qelizat e gjalla. Edhe prekja e një burimi të pastër alfa nuk është e rrezikshme, megjithëse duhet mbajtur mend se shumë burime alfa lëshojnë gjithashtu lloje shumë më depërtuese të rrezatimit (grimcat beta, kuantat gama, ndonjëherë neutrone). Megjithatë, gëlltitja e një burimi alfa në trup rezulton në ekspozim të konsiderueshëm ndaj rrezatimit. Faktori i cilësisë së rrezatimit alfa është 20 (më shumë se të gjitha llojet e tjera të rrezatimit jonizues, me përjashtim të bërthamave të rënda dhe fragmenteve të ndarjes). Kjo do të thotë se në indet e gjalla, një grimcë alfa krijon rreth 20 herë më shumë dëme sesa një kuantike gama ose një grimcë beta me energji të barabartë.

E gjithë sa më sipër vlen për burimet radioaktive të grimcave alfa, energjitë e të cilave nuk i kalojnë 15 MeV. Grimcat alfa të marra në një përshpejtues mund të kenë energji dukshëm më të larta dhe të krijojnë një dozë të konsiderueshme edhe me rrezatim të jashtëm të trupit.

Me këtë lloj zbërthimi, një bërthamë me numër atomik Z dhe numër masiv A zbehet duke emetuar një grimcë alfa, e cila çon në formimin e një bërthame me numër atomik Z-2 dhe numër masiv A-4:

Aktualisht, njihen më shumë se 200 nukleide alfa-emetuese, ndër të cilat pothuajse nuk ka bërthama të lehta dhe të mesme. Nga bërthamat e lehta, përjashtim është 8 Be, përveç kësaj, njihen rreth 20 nuklide alfa-emetuese të elementeve të tokës së rrallë. Pjesa dërrmuese e izotopeve që emetojnë a i përket elementeve radioaktive, d.m.th. tek elementët me Z> 83, ndër të cilët një pjesë të konsiderueshme zënë nuklidet artificiale. Midis nukleideve natyrore, ka rreth 30 bërthama alfa-aktive që u përkasin tre familjeve radioaktive (uranium, aktinium dhe seri toriumi), të cilat u diskutuan më sipër. Gjysma e jetës së nukliideve të njohura alfa-radioaktive varion nga 0,298 μs për 212 Po deri në> 10 15 vjet për 144 Nd, 174 Hf. Energjia e grimcave alfa të emetuara nga bërthamat e rënda nga gjendjet bazë është 4-9 MeV, dhe nga bërthamat e elementeve të tokës së rrallë, 2-4,5 MeV.

Se gjasat e kalbjes alfa rritet me rritjen Z,është për faktin se ky lloj transformimi bërthamor shoqërohet me zmbrapsjen e Kulombit, i cili, me rritjen e madhësisë së bërthamave, rritet në raport me Z 2, ndërsa forcat bërthamore të tërheqjes rriten në mënyrë lineare me një rritje të numrit të masës A.

Siç u tregua më herët, bërthama do të jetë e paqëndrueshme në lidhje me zbërthimin a nëse plotësohet pabarazia:

ku dhe - masat e pushimit të bërthamave fillestare dhe përfundimtare, përkatësisht;

Është masa e grimcës a.

Energjia e kalbjes α të bërthamave ( Eα) përbëhet nga energjia kinetike e grimcës alfa të emetuar nga bërthama mëmë Tα, dhe energjia kinetike që merr bërthama bijë si rezultat i emetimit të një grimce alfa (energjia e kthimit) T dep:

Duke përdorur ligjet e ruajtjes së energjisë dhe momentit, mund të merret relacioni:

ku M dep = Është masa e bërthamës së zmbrapsjes;

Mα është masa e grimcës alfa.

Duke zgjidhur së bashku ekuacionet (4.3) dhe (4.4), marrim:

. (4.5)

Dhe përkatësisht,

. (4.6)

Nga ekuacionet (4.5 dhe 4.6) mund të shihet se pjesa më e madhe e energjisë së kalbjes alfa (rreth 98%) bartet nga grimcat alfa. Energjia kinetike e bërthamës së kthimit është ≈100 keV (në një energji të kalbjes alfa prej ≈5 MeV). Duhet të theksohet se edhe vlera të tilla në dukje të vogla të energjisë kinetike të atomeve të kthimit janë shumë domethënëse dhe çojnë në një reaktivitet të lartë të atomeve me bërthama të ngjashme. Për krahasim, vini re se energjia e lëvizjes termike të molekulave në temperaturën e dhomës është rreth 0.04 eV, dhe energjia e lidhjes kimike është zakonisht më pak se 2 eV. Prandaj, bërthama e kthimit jo vetëm që thyen lidhjen kimike në molekulë, por gjithashtu humb pjesërisht shtresën elektronike (elektronet thjesht nuk ecin me bërthamën e kthimit) me formimin e joneve.

Kur merren parasysh lloje të ndryshme të zbërthimit radioaktiv, duke përfshirë kalbjen alfa, përdoren diagramet e energjisë. Diagrami më i thjeshtë i energjisë është paraqitur në Fig. 4.1.

Oriz. 4.1. Skema më e thjeshtë për kalbjen alfa.

Gjendja energjetike e sistemit para dhe pas shpërbërjes përshkruhet me vija horizontale. Grimca alfa përfaqësohet nga një shigjetë (e theksuar ose e dyfishtë) që zbret nga e djathta në të majtë. Shigjeta tregon energjinë e grimcave alfa të emetuara.

Duhet të kihet parasysh se tregohet në Fig. 4.1 skema është rasti më i thjeshtë kur grimcat alfa të emetuara nga bërthama kanë një energji të caktuar. Në mënyrë tipike, spektri alfa ka një strukturë të imët, d.m.th. bërthamat e të njëjtit nuklid lëshojnë grimca alfa me energji mjaft të afërta, por ende të ndryshme në madhësi. U zbulua se nëse kalimi alfa kryhet në një gjendje të ngacmuar të bërthamës së bijës, atëherë energjia e grimcave alfa do të jetë, përkatësisht, më e vogël se energjia e natyrshme në kalimin midis gjendjeve bazë të bërthamave origjinale dhe bijës. radionuklidet. Dhe nëse ka disa gjendje të tilla të ngacmuara, atëherë do të ketë disa tranzicione të mundshme alfa. Në këtë rast formohen bërthama bija me energji të ndryshme, të cilat, me kalimin në tokë ose në gjendje më të qëndrueshme, lëshojnë kuanta gama.

Duke ditur energjinë e të gjitha grimcave alfa dhe gama kuanteve, është e mundur të ndërtohet një diagram energjetik i kalbjes.

Shembull. Ndërtoni një skemë prishjeje duke përdorur të dhënat e mëposhtme:

· Energjia e grimcave α është: 4,46; 4.48; 4.61; dhe 4.68 MeV,

· Energjia e γ-kuanteve - 0,07; 0,13; 0,20; dhe 0.22 MeV.

Energjia totale e zbërthimit është 4.68 MeV.

Zgjidhje... Ne nxjerrim katër shigjeta nga niveli i energjisë i bërthamës fillestare, secila prej të cilave tregon emetimin e grimcave α të një energjie të caktuar. Duke llogaritur ndryshimet midis energjive të grupeve individuale të grimcave α dhe duke krahasuar këto ndryshime me energjitë e kuanteve γ, gjejmë se cilat kalime korrespondojnë me emetimin e kuanteve γ të secilës energji.

4,48 - 4,46 = 0,02 MeV nuk ka γ-kuanta korresponduese

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

4,61 - 4,48 = 0,13 MeV energjitë korrespondojnë me energjitë

4,68 - 4,46 = 0,22 MeV γ-kuanta të emetuara gjatë kalbjes

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

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

Oriz. 4.2 - Skema e kalbjes së 230 Th.

Në të njëjtën kohë, rasti i dytë është gjithashtu i mundur, kur kalimi alfa kryhet nga gjendja e ngacmuar e bërthamës mëmë në gjendjen bazë të bërthamës së bijës. Është zakon që këto raste të klasifikohen si shfaqje të grimcave alfa me rreze të gjatë, mundësitë për emetimin e të cilave lindin në bërthama të ngacmuara të formuara si rezultat i zbërthimit kompleks β. Pra, si shembull, Figura 4.3 tregon skemën e emetimit të grimcave α me rreze të gjatë nga bërthama e polonium-212, e cila është formuar si rezultat i zbërthimit β të bërthamës së bismut-212. Mund të shihet se, në varësi të karakterit të β-tranzicionit, bërthama e polonium-212 mund të formohet në gjendje tokësore dhe të ngacmuar. Grimcat alfa të emetuara nga gjendjet e ngacmuara të bërthamës së polonium-212 janë ato me rreze të gjatë. Sidoqoftë, duhet të kihet parasysh se për bërthamat alfa-aktive të formuara në këtë mënyrë, një kalim nga një gjendje e ngacmuar nga emetimi i një γ-kuantike është më i mundshëm sesa një grimcë alfa me rreze të gjatë. Prandaj, grimcat alfa me rreze të gjatë janë shumë të rralla.

Më tej, shkencëtarët kanë krijuar një model shumë të rëndësishëm: kur i vogël një rritje në energjinë e grimcave a, gjysma e jetës ndryshon me disa porosi... Pra në 232 Th T a = 4.08 MeV, T 1/2 = 1,41 × 10 10 vjet, dhe për 230 Th - T a = 4.76 MeV, T 1/2 = 1,7 ∙ 10 4 vjet.

Oriz. 4.3. Skema e zbërthimit sekuencial: 212 Bi - 212 Po - 208 Pb

Mund të shihet se një ulje e energjisë së grimcave alfa me rreth 0.7 MeV shoqërohet me një rritje të gjysmës së jetës me 6 rend të madhësisë. Në 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 vjet ≥ T 1/2 ≥ 10 -7 sek,

dhe në të njëjtën kohë, ekziston një gamë shumë e ngushtë vlerash për energjitë e grimcave alfa të emetuara nga bërthamat radioaktive:

2 MeV ≤ Tα ≤ 9 MeV.

Marrëdhënia midis gjysmë-jetës dhe energjisë së një grimce alfa u krijua eksperimentalisht nga Geiger dhe Nattol në 1911-1912. Ata treguan se varësia lg T 1/2 nga lg Tα përafrohet mirë me një vijë të drejtë:

. (4.7)

Ky ligj vlen mirë për bërthamat madje, madje. Ndërsa për bërthamat tek-tek vërehet një devijim shumë domethënës nga ligji.

Varësia e fortë e probabilitetit të kalbjes alfa, dhe rrjedhimisht e gjysmë-jetës, nga energjia u shpjegua nga G. Gamow dhe E. Condon në vitin 1928 duke përdorur teorinë e një modeli me një grimcë të bërthamës. Në këtë model, supozohet se grimca alfa ekziston vazhdimisht në bërthamë, d.m.th. bërthama e nënës përbëhet nga një bërthamë bijë dhe një grimcë alfa. Grimca alfa supozohet të jetë duke lëvizur në një rajon sferik me rreze R (RËshtë rrezja e bërthamës) dhe mbahet në bërthamë nga forcat bërthamore të Kulonit me rreze të shkurtër. Në distanca r më të mëdha se rrezja e bërthamës së bijës R, veprojnë forcat e zmbrapsjes së Kulonit.

Fik. 4.4 tregon varësinë e energjisë potenciale midis grimcave alfa dhe bërthamës së kthimit nga distanca midis qendrave të tyre.

Abshisa është distanca midis bërthamës së bijës dhe grimcës alfa, dhe ordinata është energjia e sistemit. Potenciali i Kulonit është prerë në një distancë R, e cila është afërsisht e barabartë me rrezen e bërthamës së fëmijës. Lartësia e barrierës së Kulombit B, të cilën një grimcë alfa duhet ta kapërcejë për të lënë bërthamën, përcaktohet nga raporti:

ku Z dhe z Janë ngarkesat e bërthamës së bijës dhe grimcës alfa, përkatësisht.

Oriz. 4.4. Ndryshimi i energjisë potenciale të sistemit me distancën midis bërthamës së bijës dhe grimcës alfa.

Barriera e mundshme tejkalon ndjeshëm energjinë e grimcave alfa të emetuara nga bërthamat radioaktive, dhe sipas ligjeve të mekanikës klasike, një grimcë alfa nuk mund të largohet nga bërthama. Por për grimcat elementare, sjellja e të cilave përshkruhet nga ligjet e mekanikës kuantike, është e mundur që këto grimca të kalojnë përmes një pengese potenciale, e cila quhet tranzicion tunel.

Në përputhje me teorinë e kalbjes alfa, parimet e së cilës u vendosën nga G. Gamow dhe E. Condon, gjendja e një grimce përshkruhet nga funksioni valor ψ, i cili, sipas kushteve të normalizimit, në çdo pikë të hapësirës. është jozero, dhe kështu ka një probabilitet të kufizuar për të zbuluar një grimcë alfa si brenda dhe jashtë saj. Kjo do të thotë, procesi i të ashtuquajturit kalim tunelizimi i një grimce alfa përmes një pengese potenciale është i mundur.

Është treguar se përshkueshmëria e barrierës është një funksion i numrit atomik, masës atomike, rrezes së bërthamës dhe karakteristikave të pengesës potenciale.

U zbulua se kalimet alfa të bërthamave çift-çift nga niveli kryesor i nukleideve mëmë në nivelin kryesor të nuklideve bijë karakterizohen nga gjysmëjet më të vogla. Për bërthamat tek-çift, çift-tek dhe tek-tek, tendenca e përgjithshme mbetet, por gjysma e jetës së tyre është 2-1000 herë më e gjatë se për bërthamat çift-çift me Z dhe të dhënë të dhënë. Tα) Është e dobishme të mbani mend: energjia e grimcave alfa të emetuara nga radionuklidet, me të njëjtin numër masiv, rritet me rritjen e ngarkesës bërthamore.

Gjysma e jetës së bërthamave të njohura α-radioaktive ndryshojnë shumë. Kështu, izotopi i tungstenit 182 W ka një gjysmë jetëgjatësi T 1/2> 8,3 · 10 18 vjet, dhe izotopi i protaktiniumit 219 Pa ka një T 1/2 = 5,3 · 10 -8 s.

Oriz. 2.1. Varësia e gjysmëjetës së një elementi radioaktiv nga energjia kinetike e një grimce α të një elementi radioaktiv natyral. Vija e ndërprerë është ligji Geiger-Nattall.

Për izotopet çift, varësia e gjysmëjetës nga energjia e kalbjes α Q α përshkruar nga empirike Ligji Geiger-Nettall

ku Z është ngarkesa e bërthamës përfundimtare, gjysma e jetës T 1/2 shprehet në sekonda dhe energjia e grimcës α E α është në MeV. Në fig. 2.1 tregon vlerat eksperimentale të gjysmëjetës për izotopet α-radioaktive çift-bar (Z varion nga 74 në 106) dhe përshkrimin e tyre duke përdorur relacionin (2.3).
Për bërthamat tek-çift, çift-tek dhe tek-tek, tendenca e përgjithshme e varësisë
log T 1/2 e Q α ruhet, por gjysma e jetës është 2-100 herë më e gjatë se për bërthamat çift-bar me të njëjtat Z dhe Q α.
Që të ndodhë α-shkatërrimi, masa e bërthamës fillestare M (A, Z) duhet të jetë më e madhe se shuma e masave të bërthamës përfundimtare M (A-4, Z-2) dhe grimca α M α:

ku Q α = c 2 është energjia e kalbjes α.
Që nga M α<< M(A-4, Z-2), pjesa kryesore e energjisë së kalbjes α bartet nga α ‑ grimcë dhe vetëm ≈ 2% - bërthama përfundimtare (A-4, Z-2).
Spektrat e energjisë të grimcave α të shumë elementeve radioaktive përbëhen nga disa linja (struktura e imët e spektrit α). Arsyeja e shfaqjes së strukturës së imët të spektrit α është zbërthimi i bërthamës fillestare (A, Z) në gjendjen e ngacmuar të bërthamës (A-4, Z-2). Duke matur spektrat e grimcave α, mund të merret informacion mbi natyrën e gjendjeve të ngacmuara
bërthamat (A-4, Z-2).
Për të përcaktuar gamën e vlerave të bërthamave A dhe Z për të cilat kalbja α është energjikisht e mundur, përdoren të dhëna eksperimentale mbi energjitë lidhëse të bërthamave. Varësia e energjisë α-zbërthimi Q α nga numri masiv A është paraqitur në Fig. 2.2.
Nga fig. 2.2 mund të shihet se kalbja α bëhet energjikisht e mundur, duke filluar nga А ≈ 140. Në rajonet A = 140–150 dhe A ≈ 210, vlera e Q α ka maksimum të dallueshëm, të cilat shkaktohen nga struktura e guaskës së bërthama. Maksimumi në A = 140–150 shoqërohet me mbushjen e shtresës së neutronit me numrin magjik N = A - Z = 82, dhe maksimumi në A ≈ 210 shoqërohet me mbushjen e predhës së protonit në Z. = 82. Për shkak të strukturës së guaskës së bërthamës atomike, rajoni i parë (në tokë të rrallë) të bërthamave α-aktive fillon me N = 82, dhe bërthamat e rënda α-radioaktive bëhen veçanërisht të shumta, duke filluar me Z = 82.

Oriz. 2.2. Varësia e energjisë së zbërthimit α nga numri masiv A.

Gama e gjerë e gjysmë jetës, si dhe vlerat e mëdha të këtyre periudhave për shumë bërthama radioaktive α, shpjegohen me faktin se grimca α nuk mund të largohet "në çast" nga bërthama, pavarësisht se është energjikisht e favorshme. Në mënyrë që të largohet nga bërthama, grimca α duhet të kapërcejë pengesën potenciale - rajoni në kufirin e bërthamës i formuar për shkak të energjisë potenciale të zmbrapsjes elektrostatike të grimcës a dhe bërthamës përfundimtare dhe forcave tërheqëse midis nukleoneve. Nga pikëpamja e fizikës klasike, një grimcë α nuk mund të kapërcejë pengesën e mundshme, pasi nuk ka energjinë kinetike të nevojshme për këtë. Sidoqoftë, mekanika kuantike lejon një mundësi të tillë - α ‑ grimca ka një probabilitet të caktuar që të kalojë nëpër barrierën potenciale dhe të largohet nga bërthama. Ky fenomen mekanik kuantik quhet "efekt tunelimi" ose "tunelizim". Sa më e madhe të jetë lartësia dhe gjerësia e pengesës, aq më e vogël është gjasat e tunelimit dhe, përkatësisht, gjysma e jetës më të gjatë. Gama e madhe e gjysmë jetës
emetuesit α shpjegohen me kombinime të ndryshme të energjive kinetike të grimcave α dhe lartësive të barrierave potenciale. Nëse pengesa nuk do të ekzistonte, atëherë grimca α do të largohej nga bërthama për bërthamën karakteristike
koha ≈ 10 -21 - 10 -23 s.
Modeli më i thjeshtë i kalbjes α u propozua në vitin 1928 nga G. Gamow dhe në mënyrë të pavarur nga G. Gurney dhe E. Condon. Në këtë model, supozohej se grimca α ekziston vazhdimisht në bërthamë. Ndërsa grimca α është në bërthamë, forcat bërthamore të tërheqjes veprojnë mbi të. Rrezja e veprimit të tyre është e krahasueshme me rrezen e bërthamës R. Thellësia e potencialit bërthamor është V 0. Jashtë sipërfaqes bërthamore në r> R, potenciali është potenciali refuzues i Kulombit

V (r) = 2Ze 2 / r.

Oriz. 2.3. Energjia e grimcave α E α në varësi të numrit të neutroneve N
në kernelin origjinal. Linjat lidhin izotopet e të njëjtit element kimik.

Një diagram i thjeshtuar i veprimit të kombinuar të potencialit të tërheqjes bërthamore dhe potencialit refuzues të Kulombit është paraqitur në figurën 2.4. Për të shkuar përtej bërthamës, një grimcë α me energji E α duhet të kalojë përmes një pengese potenciale të mbyllur në rajonin nga R në Rc. Probabiliteti i kalbjes α përcaktohet kryesisht nga probabiliteti D i kalimit të një grimce α përmes një pengese potenciale.

Brenda kuadrit të këtij modeli, u arrit të shpjegohej varësia e fortë e probabilitetit α ‑ prishja nga energjia e një grimce alfa.

Oriz. 2.4. Energjia potenciale e një grimce alfa. Barrierë e mundshme.

Për të llogaritur konstanten e zbërthimit λ, është e nevojshme të shumëzohet koeficienti i transmetimit të një grimce α përmes një pengese potenciale, së pari, me probabilitetin w α që grimca α të jetë formuar në bërthamë, dhe së dyti, nga probabiliteti që do të jetë në kufirin e bërthamës. Nëse një grimcë α në një bërthamë me rreze R ka një shpejtësi v, atëherë ajo do t'i afrohet kufirit mesatarisht ≈ v / 2R herë në sekondë. Si rezultat, për konstanten e zbërthimit λ, marrim relacionin

(2.6)

Shpejtësia e një grimce α në bërthamë mund të vlerësohet bazuar në energjinë e saj kinetike E α + V 0 brenda pusit potencial bërthamor, i cili jep v ≈ (0,1-0,2) s. Nga kjo tashmë rezulton se në prani të një grimce α në bërthamë, probabiliteti i saj për të kaluar nëpër pengesën D<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
Vrazhdësia e vlerësimit të faktorit paraeksponencial nuk është shumë domethënëse, sepse konstanta e zbërthimit varet prej saj pakrahasueshëm më e dobët sesa nga eksponenti.
Nga formula (2.6) rezulton se gjysma e jetës varet fuqishëm nga rrezja e bërthamës R, pasi rrezja R përfshihet jo vetëm në faktorin paraeksponencial, por edhe në eksponent, si kufi i integrimit. Prandaj, rrezet e bërthamave atomike mund të përcaktohen nga të dhënat mbi α-zbërthimin. Rrezet e marra në këtë mënyrë rezultojnë të jenë 20-30% më të mëdha se ato të gjetura në eksperimentet mbi shpërndarjen e elektroneve. Ky ndryshim është për faktin se në eksperimentet me elektrone të shpejta, matet rrezja e shpërndarjes së ngarkesës elektrike në bërthamë, dhe në kalbjen α, matet distanca midis bërthamës dhe grimcës α, në të cilën bërthama forcat pushojnë së vepruari.
Prania e konstantës së Plankut në eksponentin (2.6) shpjegon varësinë e fortë të gjysmëjetës nga energjia. Edhe një ndryshim i vogël në energji çon në një ndryshim të rëndësishëm në eksponent dhe kështu në një ndryshim shumë dramatik në gjysmë-jetën. Prandaj, energjitë e grimcave α të emetuara janë shumë të kufizuara. Për bërthamat e rënda, grimcat α me energji mbi 9 MeV fluturojnë pothuajse menjëherë, ndërsa ato me energji nën 4 MeV jetojnë në bërthamë për aq kohë sa kalbja α as nuk mund të zbulohet. Për bërthamat α-radioaktive të tokës së rrallë, të dyja energjitë zvogëlohen për shkak të zvogëlimit të rrezes së bërthamës dhe lartësisë së pengesës potenciale.
Në fig. Figura 2.5 tregon varësinë e energjisë α-zbërthimi të izotopeve Hf (Z = 72) nga numri masiv A në rangun e numrave të masës A = 156–185. Tabela 2.1 liston energjitë e zbërthimit α, gjysmëjetën dhe kanalet kryesore të zbërthimit të izotopeve 156-185 Hf. Mund të shihet se si me rritjen e numrit të masës A, energjia e kalbjes α zvogëlohet, gjë që çon në një ulje të probabilitetit të kalbjes α dhe një rritje të probabilitetit të β-zbërthimit (Tabela 2.1). Izotopi 174 Hf, duke qenë një izotop i qëndrueshëm (në përzierjen natyrore të izotopeve, është 0,16%), megjithatë prishet me një gjysmë jetëgjatësi T 1/2 = 2 · 10 15 vjet me emetimin e një grimce α.

Oriz. 2.5. Varësia e energjisë α-zbërthimit Q α të izotopeve Hf (Z = 72)
nga numri masiv A.

Tabela 2.1

Varësia e energjisë α-zbërthimi Q α, gjysma e jetës T 1/2,
mënyra të ndryshme të zbërthimit të izotopeve H f (Z = 72) në numrin masiv A

Z	N	A	Q α	T 1/2	Mënyrat e prishjes (%)
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 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 minuta	e (100)
72	95	167	3.4090	2.05 minuta	e (100)
72	96	168	3.2380	25.95 minuta	e (100)
72	97	169	3.1450	3.24 minuta	e (100)
72	98	170	2.9130	ora 16.01	e (100)
72	99	171	2.7390	12.1 h	e (100)
72	100	172	2.7470	1.87 h	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 ditë	e (100)
72	104	176	2.2580	godas me thikë.
72	105	177	2.2423	godas me thikë.
72	106	178	2.0797	godas me thikë.
72	107	179	1.8040	godas me thikë.
72	108	180	1.2806	godas me thikë.
72	109	181	1.1530	42.39 ditë	β - (100)
72	110	182	1.2140	8,9 · 10 6 l	β - (100)
72	111	183	0.6850	1.07 h	β - (100)
72	112	184	0.4750	4.12 h	β - (100)
72	113	185	0.0150	3.5 minuta	β - (100)

Izotopet Hf me A = 176–180 janë izotopë të qëndrueshëm. Këto izotope kanë gjithashtu një energji të kalbjes α pozitive. Megjithatë, energjia e kalbjes α prej ~ 1.3-2.2 MeV është shumë e ulët dhe kalbja α e këtyre izotopeve nuk është zbuluar, pavarësisht nga probabiliteti jozero i kalbjes α. Me një rritje të mëtejshme të numrit të masës A> 180, β - zbërthimi bëhet kanali dominues i kalbjes.
Në zbërthimet radioaktive, bërthama përfundimtare mund të shfaqet jo vetëm në gjendjen bazë, por edhe në një nga gjendjet e ngacmuara. Megjithatë, varësia e fortë e probabilitetit të kalbjes α nga energjia e grimcave α çon në faktin se zbërthimi në nivele të ngacmuara të bërthamës përfundimtare zakonisht vazhdon me intensitet shumë të ulët, sepse kur bërthama përfundimtare ngacmohet, energjia e grimcave α. zvogëlohet. Prandaj, është e mundur të vëzhgohen eksperimentalisht vetëm zbërthimet në nivele rrotulluese me energji relativisht të ulëta ngacmimi. Zbërthimet në nivele të ngacmuara të bërthamës përfundimtare çojnë në shfaqjen e një strukture të imët të spektrit energjetik të grimcave α të emetuara.
Faktori kryesor që përcakton vetitë e kalbjes α është kalimi i grimcave α përmes një pengese potenciale. Faktorë të tjerë janë relativisht të dobët, por në disa raste bëjnë të mundur marrjen e informacionit shtesë për strukturën e bërthamës dhe mekanizmin e kalbjes α të bërthamës. Një nga këta faktorë është shfaqja e një pengese centrifugale mekanike kuantike. Nëse një grimcë α del nga një bërthamë (A, Z) me spin J i, dhe formohet një bërthamë përfundimtare
(A-4, Z-2) në gjendje me spin J f, atëherë grimca α duhet të largojë momentin total J, të përcaktuar nga relacioni

Meqenëse grimca α ka rrotullim zero, momenti i saj i përgjithshëm këndor J përkon me momentin këndor orbital l

Rezultati është një pengesë centrifugale mekanike kuantike.

Ndryshimi i formës së pengesës potenciale për shkak të energjisë centrifugale është i parëndësishëm, kryesisht për faktin se energjia centrifugale zvogëlohet me distancën shumë më shpejt se energjia e Kulombit (si 1 / r 2, jo si 1 / r). Megjithatë, duke qenë se ky ndryshim ndahet me konstantën e Planck-ut dhe bie në eksponent, për l të madh, ai çon në një ndryshim në jetëgjatësinë e bërthamës.
Tabela 2.2 tregon përshkueshmërinë e llogaritur të pengesës centrifugale B l për grimcat α të emetuara me një moment këndor orbital l në lidhje me përshkueshmërinë e pengesës centrifugale B 0 për grimcat α të emetuara me një moment këndor orbital l = 0 për një bërthamë me Z = 90, energjia e një grimce α është E α = 4,5 MeV. Mund të shihet se me një rritje të momentit këndor orbital l të marrë nga grimca α, përshkueshmëria e pengesës centrifugale kuantike-mekanike bie ndjeshëm.

Tabela 2.2

Përshkueshmëria relative e pengesës centrifugale përα - grimcat,
duke u nisur me momentin këndor orbital l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)

Një faktor më domethënës që mund të rishpërndajë ndjeshëm probabilitetet e degëve të ndryshme të kalbjes α mund të jetë nevoja për një rirregullim të rëndësishëm të strukturës së brendshme të bërthamës pas emetimit të një grimce α. Nëse bërthama fillestare është sferike dhe gjendja bazë e bërthamës përfundimtare është deformuar fuqishëm, atëherë për të evoluar në gjendjen bazë të bërthamës përfundimtare, bërthama fillestare në procesin e emetimit të një grimce α duhet të riorganizohet. duke ndryshuar shumë formën e saj. Një ndryshim i tillë në formën e bërthamës zakonisht përfshin një numër të madh nukleonesh dhe një sistem të tillë me nukleon të ulët si α. ‑ një grimcë që largohet nga bërthama mund të mos jetë në gjendje ta sigurojë atë. Kjo do të thotë se probabiliteti i formimit të bërthamës përfundimtare në gjendjen bazë do të jetë i parëndësishëm. Sidoqoftë, nëse midis gjendjeve të ngacmuara të bërthamës përfundimtare ekziston një gjendje afër sferës, atëherë bërthama fillestare mund të kalojë në të pa rirregullim të konsiderueshëm si rezultat i α ‑ decay Probabiliteti i popullimit të një niveli të tillë mund të rezultojë i madh, duke tejkaluar ndjeshëm probabilitetin e popullimit të shteteve më të ulëta, duke përfshirë gjendjen bazë.
Diagramet e zbërthimit α të izotopeve 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra tregojnë varësi të forta të probabilitetit të kalbjes α në gjendje të ngacmuara nga energjia e grimcës α dhe nga momenti këndor orbital l i bartur nga grimca α.
α-zbërthimi mund të ndodhë edhe nga gjendjet e ngacmuara të bërthamave atomike. Si shembull, tabelat 2.3, 2.4 tregojnë mënyrat e zbërthimit të tokës dhe gjendjet izomere të izotopeve 151 Ho dhe 149 Tb.

Tabela 2.3

α-zbërthimet e tokës dhe gjendjet izomere 151 Ho

Tabela 2.4

α-zbërthimi i tokës dhe gjendjet izomere prej 149 Tb

Në fig. Figura 2.6 tregon diagramet energjetike të zbërthimit të tokës dhe gjendjeve izomere të izotopeve 149 Tb dhe 151 Ho.

Oriz. 2.6 Diagramet energjetike të zbërthimit të tokës dhe gjendjeve izomere të izotopeve 149 Tb dhe 151 Ho.

α-zbërthimi nga gjendja izomerike e izotopit 151 Ho (J P = (1/2) +, E izomeri = 40 keV) është më i mundshëm (80%) sesa kapja e e-në në këtë gjendje izomere. Në të njëjtën kohë, gjendja bazë e 151 Ho prishet kryesisht si rezultat i kapjes elektronike (78%).
Në izotopin 149 Tb, zbërthimi i gjendjes izomerike (J P = (11/2) -, E izomeri = 35,8 keV) ndodh në rastin dërrmues si rezultat i e-kapjes. Karakteristikat e vëzhguara të zbërthimit të tokës dhe gjendjeve izomere shpjegohen me madhësinë e energjive të kalbjes α dhe e-kapjes dhe momentit këndor orbital të mbartur nga grimca α ose neutrinoja.

Bërthamat e shumicës së atomeve janë formacione mjaft të qëndrueshme. Sidoqoftë, bërthamat e atomeve të substancave radioaktive në procesin e kalbjes radioaktive shndërrohen në mënyrë spontane në bërthama të atomeve të substancave të tjera. Kështu në 1903 Rutherford zbuloi se radiumi i vendosur në një enë pas një kohe u shndërrua në radon. Përveç kësaj, heliumi u shfaq në enë: (88 ^ 226) Ra → (86 ^ 222) Rn + (2 ^ 4) He. Për të kuptuar kuptimin e shprehjes së shkruar, studioni temën e masës dhe numrit të ngarkesës së bërthamës së një atomi.

Ishte e mundur të vërtetohej se llojet kryesore të zbërthimit radioaktiv: kalbja alfa dhe beta ndodhin sipas rregullit të mëposhtëm të zhvendosjes:

Kalbja alfa

Me kalbje alfa lëshohet një grimcë alfa (bërthama e një atomi heliumi). Nga një substancë me numrin e protoneve Z dhe neutroneve N në bërthamën atomike, ajo shndërrohet në një substancë me numrin e protoneve Z-2 dhe numrin e neutroneve N-2 dhe, në përputhje me rrethanat, masën atomike A-4: Z ^ A) X → (Z-2 ^ (A-4)) Y + (2 ^ 4) Ai. Kjo do të thotë, elementi i formuar zhvendoset dy qeliza përsëri në tabelën periodike.

Një shembull i kalbjes α:(92 ^ 238) U → (90 ^ 234) Th + (2 ^ 4) Ai.

Kalbja alfa është procesi intranuklear... Në përbërjen e bërthamës së rëndë, për shkak të modelit kompleks të kombinimit të forcave bërthamore dhe elektrostatike, formohet një grimcë α e pavarur, e cila shtyhet jashtë nga forcat Kulomb në mënyrë shumë më aktive se pjesa tjetër e nukleoneve. Në kushte të caktuara, ai mund të kapërcejë forcat e ndërveprimit bërthamor dhe të fluturojë jashtë bërthamës.

Prishja beta

Prishja beta lëshohet një elektron (grimca β). Si rezultat i zbërthimit të një neutroni në një proton, elektron dhe antineutrino, përbërja e bërthamës rritet me një proton, dhe elektroni dhe antineutrinoja emetohen jashtë: (Z ^ A) X → (Z + 1 ^ A) Y + (- 1 ^ 0) e + (0 ^ 0) v. Prandaj, elementi i formuar zhvendoset një qelizë përpara në tabelën periodike.

Një shembull i β-zbërthimit:(19 ^ 40) K → (20 ^ 40) Ca + (- 1 ^ 0) e + (0 ^ 0) v.

Prishja beta është procesi intra-nukleonik... Një neutron i nënshtrohet transformimit. Ka edhe beta plus prishje ose zbërthimi beta i pozitronit. Në zbërthimin e pozitronit, bërthama lëshon një pozitron dhe neutrino, dhe elementi zhvendoset një qelizë prapa në tabelën periodike. Zbërthimi beta i positronit zakonisht shoqërohet me kapjen e elektroneve.

Kalbja e gamës

Përveç kalbjes alfa dhe beta, ekziston edhe zbërthimi i gama. Zbërthimi i gama është emetimi i kuanteve gama nga bërthamat në një gjendje të ngacmuar, në të cilën ato kanë një energji të madhe në krahasim me gjendjen e pangacmuar. Bërthamat mund të hyjnë në një gjendje të ngacmuar gjatë reaksioneve bërthamore ose gjatë zbërthimit radioaktiv të bërthamave të tjera. Shumica e gjendjeve të ngacmuara të bërthamave kanë një jetë shumë të shkurtër - më pak se një nanosekondë.

Ka edhe zbërthime me emetimin e një neutroni, protoni, radioaktiviteti grupor dhe disa lloje të tjera, shumë të rralla zbërthimesh. Por mbizotëruese

2.3 Modeletα - dheβ -prishje

AktivitetiAnukleidenë një burim radioaktiv, numri i zbërthimeve që ndodhin me bërthamat e kampionit në 1 s quhet:

Njësia e aktivitetit — Bekerel (Bq): 1Bq - aktiviteti i një nuklidi, në të cilin një zbërthim ndodh në 1 s.Njësia josistematike e veprimtarisënuklidi në një burim radioaktiv -kuri (Ku): 1 Ku = 3,7 1010 Bq.

Kalbja alfa... Kalbja alfa është shndërrimi spontan i një bërthame atomike me numrin e protoneve Z dhe neutroneve N në një bërthamë tjetër (bijë) që përmban numrin e protoneve Z - 2 dhe neutroneve N - 2. Në këtë rast, një grimcë alfa emetohet - bërthama e një atomi heliumi... Një shembull i një procesi të tillë është α-prishja e radiumit:

Grimcat alfa të emetuara nga bërthamat e atomeve të radiumit u përdorën nga Rutherford në eksperimentet mbi shpërndarjen e elementeve të rënda nga bërthamat. Shpejtësia e grimcave α të emetuara gjatë kalbjes α të bërthamave të radiumit, e matur nga lakimi i trajektores në një fushë magnetike, është afërsisht 1,5 107 m / s, dhe energjia kinetike përkatëse është rreth 7.5 10–13 J (afërsisht 4.8 MeV). Kjo sasi mund të përcaktohet lehtësisht nga vlerat e njohura të masave të bërthamave prindërore dhe bijës dhe bërthamës së heliumit. Megjithëse shpejtësia e grimcës α që shpëton është e madhe, ajo ende arrin në vetëm 5% të shpejtësisë së dritës, prandaj, në llogaritje, mund të përdorni shprehjen jorelativiste për energjinë kinetike.

Hulumtimet kanë treguar se një substancë radioaktive mund të lëshojë grimca alfa me disa energji diskrete. Kjo për faktin se bërthamat mund të jenë, si atomet, në gjendje të ndryshme të ngacmuara. Një bërthamë bijë mund të shfaqet në një nga këto gjendje të ngacmuara gjatë kalbjes α. Gjatë kalimit të mëvonshëm të kësaj bërthame në gjendjen bazë, emetohet një kuant γ. Një diagram i kalbjes α të radiumit me emetimin e grimcave α me dy vlera të energjive kinetike është paraqitur në figurën 2.4.

Figura 2.4 - Diagrami energjetik i α-zbërthimit të bërthamave të radiumit. Tregohet gjendja e ngacmuar e bërthamës së radonitKalimi nga gjendja e ngacmuar e bërthamës së radonit në gjendjen bazë shoqërohet me emetimin e një γ-kuantike me energji 0,186 MeV.

Kështu, α-prishja e bërthamave shoqërohet në shumë raste nga rrezatimi γ.

Në teorinë e kalbjes α, supozohet se grupet që përbëhen nga dy protone dhe dy neutrone, d.m.th., një grimcë α, mund të formohen brenda bërthamave. Bërthama amë është një pus potencial për grimcat α, i cili kufizohet nga një pengesë potenciale. Energjia e grimcës alfa në bërthamë është e pamjaftueshme për të kapërcyer këtë pengesë (Figura 2.5). Ikja e një grimce alfa nga bërthama është e mundur vetëm për shkak të një fenomeni mekanik kuantik të quajtur efekti i tunelit. Sipas mekanikës kuantike, ekziston një probabilitet jozero që një grimcë të kalojë nën një pengesë potenciale. Fenomeni i tunelit ka karakter probabilistik.

Prishja beta... Gjatë zbërthimit beta, një elektron lëshohet nga bërthama. Elektronet nuk mund të ekzistojnë brenda bërthamave (shih § 1.2), ato lindin gjatë zbërthimit β si rezultat i shndërrimit të një neutroni në një proton. Ky proces mund të ndodhë jo vetëm brenda bërthamës, por edhe me neutrone të lira. Jetëgjatësia mesatare e një neutroni të lirë është rreth 15 minuta. Kur një neutron prishetshndërrohet në protondhe elektron

Matjet kanë treguar se në këtë proces vërehet një shkelje e dukshme e ligjit të ruajtjes së energjisë, pasi energjia totale e një protoni dhe një elektroni që lind nga prishja e një neutroni është më e vogël se energjia e një neutroni. Në vitin 1931, W. Pauli sugjeroi që gjatë zbërthimit të një neutroni të lirohet një grimcë tjetër me vlera zero të masës dhe ngarkesës, e cila mbart një pjesë të energjisë. Grimca e re u emëruaneutrino(neutron i vogël). Për shkak të mungesës së ngarkesës dhe masës në neutrinot, kjo grimcë ndërvepron shumë dobët me atomet e materies, prandaj është jashtëzakonisht e vështirë për ta zbuluar atë në një eksperiment. Aftësia jonizuese e neutrinos është aq e vogël sa që një akt jonizimi në ajër është rreth 500 km larg. Kjo grimcë u zbulua vetëm në vitin 1953. Aktualisht, dihet se ekzistojnë disa lloje neutrinos. Në procesin e kalbjes së një neutroni, shfaqet një grimcë, e cila quhet elektronikeantineutrino... Tregohet nga simboliPrandaj, reaksioni i kalbjes së neutronit shkruhet në formë

Një proces i ngjashëm ndodh brenda bërthamave gjatë kalbjes β. Një elektron i formuar si rezultat i prishjes së një prej neutroneve bërthamore nxirret menjëherë nga "shtëpia prindërore" (bërthama) me një shpejtësi të jashtëzakonshme, e cila mund të ndryshojë nga shpejtësia e dritës me vetëm një pjesë të përqindjes. Meqenëse shpërndarja e energjisë së lëshuar gjatë zbërthimit β midis një elektroni, një neutrine dhe një bërthame bijë është e rastësishme, β-elektronet mund të kenë shpejtësi të ndryshme në një gamë të gjerë vlerash.

Gjatë β-zbërthimit, numri i ngarkesës Z rritet me një, ndërsa numri masiv A mbetet i pandryshuar. Bërthama bijë rezulton të jetë bërthama e njërit prej izotopeve të elementit, numri serial i të cilit në tabelën periodike është një më i lartë se numri serial i bërthamës origjinale. Një shembull tipik i β-zbërthimit është transformimi i izotonit të toriumitqë lind nga α-prishja e uraniumitnë paladium

Së bashku me β-zbërthimin elektronik, i ashtuquajturi pozitron β+ -zbërthimi në të cilin një pozitron lëshohet nga bërthamadhe neutrinot... Një pozitron është një grimcë-binjake e një elektroni, që ndryshon prej tij vetëm në shenjën e ngarkesës së tij. Ekzistenca e pozitronit u parashikua nga fizikani i shquar P. Dirac në vitin 1928. Disa vite më vonë, pozitroni u zbulua në përbërjen e rrezeve kozmike. Pozitronet lindin si rezultat i reagimit të shndërrimit të një protoni në një neutron sipas skemës së mëposhtme:

Kalbja e gamës... Ndryshe nga radioaktiviteti α- dhe β, radioaktiviteti γ i bërthamave nuk shoqërohet me një ndryshim në strukturën e brendshme të bërthamës dhe nuk shoqërohet me një ndryshim në numrin e ngarkesës ose masës. Si në kalbjen α- dhe në β, bërthama e bijës mund të jetë në një gjendje të caktuar të ngacmuar dhe të ketë një tepricë energjie. Kalimi i bërthamës nga gjendja e ngacmuar në gjendjen bazë shoqërohet me emetimin e një ose disa kuanteve γ, energjia e të cilave mund të arrijë disa MeV.