Enciklopēdisks YouTube
1 / 3
✪ Sabrukšanas veidi
✪ RADIOAKTIVITĀTES fizika
✪ Alfa un beta sadalās
Subtitri
Viss, ko mēs līdz šim esam apsprieduši ķīmijā, ir balstīts uz elektronu stabilitāti un to, kur tie, visticamāk, atrodas stabilos apvalkos. Bet, ja mēs turpinām pētīt atomu, izrādās, ka atomā atrodas un darbojas ne tikai elektroni. Mijiedarbība notiek pašā kodolā, to raksturo nestabilitāte, ko tā cenšas vājināt. Šī būs mūsu video nodarbības tēma. Patiesībā šo mehānismu apguve nav iekļauta pirmkursnieku ķīmijas programmā, taču šīs zināšanas noteikti nebūs liekas. Kad mēs pētām spēcīgo kodolspēku, kvantu fizika un tamlīdzīgi, mēs detalizēti aplūkosim, kāpēc protoni, neitroni un kvarki, kas veido atomu kodolus, mijiedarbojas šādā veidā. Tagad iedomāsimies, kā vispār var sadalīties kodols... Sāksim ar protonu staru kūli. Es uzzīmēšu dažus. Tie ir protoni, un šeit būs neitroni. Nokrāsošu kādā piemērotā krāsā. Pelēka krāsa - ko tev vajag. Tātad, šeit viņi ir, mani neitroni. Cik daudz protonu man ir? Man ir 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Tātad būs 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 neitroni. Pieņemsim, ka tas ir atoma kodols. Starp citu, šis ir pats pirmais video par atoma kodolu. Kopumā atoma uzzīmēšana patiesībā ir ļoti sarežģīta, jo tam nav skaidri noteiktas robežas. Elektrons var atrasties jebkurā vietā un jebkurā laikā. Bet, ja mēs runājam par elektrona atrašanās vietu 90% gadījumu, tad tas būs atoma rādiuss vai diametrs. Mēs jau sen zinām, ka kodols ir bezgalīgi maza sfēras tilpuma daļa, kurā 90% laika atrodas elektrons. Un no tā izriet, ka gandrīz viss, ko mēs redzam apkārt, ir tukša telpa. Tas viss ir tukša vieta. Es to pieminu, jo tas ir bezgalīgi mazs plankums, lai gan tā ir ļoti maza daļa no atoma tilpuma, tā masa ir gandrīz visa atoma masa - tas ir ļoti svarīgi. Tie nav atomi, tie nav elektroni. Mēs iekļūstam kodolā. Izrādās, ka dažkārt kodols ir nestabils un cenšas panākt stabilāku konfigurāciju. Mēs neiedziļināsimies sīkāk par kodola nestabilitātes iemesliem. Bet ļaujiet man tikai teikt, ka dažreiz tas izstaro tā sauktās alfa daļiņas. Šo parādību sauc par alfa sabrukšanu. Pierakstīsim to. Alfa sabrukšana. Kodols izstaro alfa daļiņu, skan fantastiski. Tā ir vienkārši neitronu un protonu kolekcija. Alfa daļiņa ir divi neitroni un divi protoni. Varbūt viņiem šķiet, ka viņi šeit neiederas, piemēram, šie. Un notiek emisija. Viņi atstāj kodolu. Padomāsim, kas notiek ar atomu, kad notiek kaut kas līdzīgs šim. Ņemsim nejaušu elementu, sauksim to par E. Tam ir P – protoni. Es uzzīmēšu burtus tādā pašā krāsā kā protoni. Tātad, šeit ir protoni. Protams, elementa E atomu masas skaitlis ir vienāds ar protonu un neitronu summu. Neitroni ir pelēki. Notiek alfa sabrukšana, kas notiks ar šo elementu? Kas notiks ar šo elementu? Protonu skaits tiek samazināts par diviem. Tāpēc protonu skaits būs p mīnus 2. Un arī neitronu skaits samazinās par diviem. Tātad šeit mums ir p mīnus 2, plus mūsu neitroni mīnus 2, tātad kopā mīnus 4. Masu samazina par četriem, un vecais elements pārvēršas par jaunu. Atcerieties, ka elementus nosaka protonu skaits. Alfa sabrukšanas laikā jūs zaudējat divus neitronus un divus protonus, bet tieši protoni maina šo elementu citā. Ja mēs šo elementu saucam par 1, ko es darīšu, mums tagad ir jauns elements, elements 2. Paskaties uzmanīgi. Ir kaut kas tāds, kam ir divi protoni un divi neitroni. Tāpēc tā masa būs vienāda ar divu protonu un divu neitronu masu. Kas tas ir? Nonāk kaut kas, kura masa ir četri. Kas satur divus protonus un divus neitronus? Tagad man nav periodiskā tabula elementi. Pirms šī video filmēšanas aizmirsu to izgriezt un ielīmēt. Bet jūs ātri atradīsit periodiskā tabula elements, kuram ir divi protoni, un šis elements ir hēlijs. Tās atomu masa faktiski ir četri. Patiešām, alfa sabrukšanas laikā izdalās hēlija kodols. Šis ir hēlija kodols. Tā kā tas ir hēlija kodols, tam nav elektronu, kas neitralizētu protonu lādiņu, tas ir jons. Tajā nav elektronu. Tam ir tikai divi protoni, tāpēc tam ir lādiņš plus 2. Parakstīsim lādiņu. Alfa daļiņa ir vienkārši hēlija jons, hēlija jons ar lādiņu plus 2, ko spontāni izstaro kodols, lai panāktu stabilāku stāvokli. Tas ir viens no sabrukšanas veidiem. Tagad citi... Uzzīmēsim vēl vienu kodolu. Es uzzīmēšu neitronus. Es zīmēšu protonus. Dažreiz izrādās, ka neitrons jūtas neērti. Viņš skatās, ko protoni dara katru dienu, un saka: zini ko? Kaut kā, kad es klausos sevī, man šķiet, ka man patiesībā vajadzētu būt protonam. Ja es būtu protons, viss kodols būtu nedaudz stabilāks. Un ko tas dara, lai kļūtu par protonu? Atcerieties, ka neitronam ir neitrāls lādiņš? Tas ir tas, ko tas dara, tas izstaro elektronu. Tas šķiet traki. Elektroni neitronos un tas viss. Un es tev piekrītu. Tas ir neprāts. Un kādu dienu mēs pētīsim visu, kas atrodas kodolā. Pagaidām teiksim, ka neitrons var izstarot elektronu. Ko viņš dara. Tātad, lūk, elektrons. Mēs pieņemam, ka tā masa ir nulle... Patiesībā tas tā nav, bet mēs tagad runājam par atommasas vienībām. Ja protona masa ir viena, tad elektrona masa ir 1836 reizes mazāka. Tāpēc mēs pieņemam, ka tā masa ir nulle. Lai gan tā nav taisnība. Un tā uzlāde ir mīnus 1. Tātad, atgriezīsimies pie procesa. Neitrons izstaro elektronu. Protams, neitrons nepaliek neitrāls, bet pārvēršas par protonu. To sauc par beta sabrukšanu. Pierakstīsim šo. Beta sabrukšana. Un beta daļiņa patiesībā ir tikai izstarots elektrons. Atgriezīsimies pie savas stihijas. Tam ir noteikts skaits protonu un neitronu. Kopā tie veido masas skaitli. Kas notiek, kad tajā notiek beta sabrukšana? Vai protonu skaits mainās? Protams, mums ir par vienu protonu vairāk nekā mums bija, jo viens neitrons pārvērtās par protonu. Protonu skaits ir palielinājies par 1. Vai masas skaitlis ir mainījies? Paskatīsimies. Neitronu skaits samazinājās par vienu, bet protonu skaits palielinājās par vienu. Tāpēc masas skaitlis nav mainījies. Tas joprojām ir P plus N, kas nozīmē, ka masa paliek nemainīga, atšķirībā no alfa sabrukšanas, bet pats elements mainās. Protonu skaits mainās. Beta sabrukšanas rezultātā mēs atkal iegūstam jauns elements . Tagad situācija ir cita. Pieņemsim, ka viens no šiem protoniem skatās uz neitroniem un saka: uzmini ko? Es redzu, kā viņi dzīvo. man tas patīk. Es domāju, ka man būtu ērtāk, un mūsu daļiņu grupa kodolā būtu laimīgāka, ja arī es būtu neitrons. Mēs visi būtu stabilākā stāvoklī. Un ko viņš dara? Šim nomāktajam protonam ir iespēja emitēt pozitronu, nevis protonu. Tas izstaro pozitronu. Un kas tas ir? Šī ir daļiņa, kuras masa ir tieši tāda pati kā elektronam. Tas ir, tā masa ir 1836 reizes mazāka par protona masu. Bet šeit mēs vienkārši rakstām nulli, jo atomu masas vienībās tā tuvojas nullei. Bet pozitronam ir pozitīvs lādiņš. Nedaudz mulsina tas, ka joprojām ir rakstīts e. Kad es redzu e, es domāju, ka tas ir elektrons. Bet nē, šī daļiņa ir apzīmēta ar e, jo tā ir tāda paša veida daļiņa, bet tā vietā, lai tai būtu negatīvs lādiņš, tai ir pozitīvs lādiņš. Šis ir pozitrons. Parakstīsimies. Ar šāda veida daļiņām un matēriju, ko mēs aplūkojam, sāk notikt kaut kas neparasts. Bet tas ir fakts. Un, ja protons izstaro šo daļiņu, tad tā pozitīvais lādiņš praktiski iet kopā ar to, un šis protons pārvēršas par neitronu. To sauc par pozitronu emisiju. Pozitronu emisiju ir diezgan viegli iedomāties.Nosaukums izsaka visu. Atkal elements E, ar noteiktu skaitu protonu un neitronu. Kādam vajadzētu būt šim jaunajam elementam? Viņš zaudē protonu. P mīnus 1. Tas pārvēršas par neitronu. Tas ir, P skaits samazinās par vienu. Skaitlis N palielinās par vienu. Tāpēc visa atoma masa nemainās. Tas būs P plus N. Bet mums tomēr vajadzētu būt citam elementam, vai ne? Kad notiek beta sabrukšana, protonu skaits palielinās. Mēs esam pārvietoti pa labi periodiskajā tabulā vai palielinājušies, jūs zināt, ko es domāju. Kad notiek pozitronu emisija, protonu skaits samazinās. Jums tas ir jāpieraksta abās šajās reakcijās. Tātad šī ir pozitronu emisija, un ir palicis viens pozitrons. Un mūsu beta sabrukšanas laikā paliek viens elektrons. Reakcijas ir rakstītas tieši tāpat. Jūs zināt, ka tas ir elektrons, jo tā lādiņš ir mīnus 1. Jūs zināt, ka tas ir pozitrons, jo tā lādiņš ir plus 1. Ir viens pēdējais sabrukšanas veids, par kuru jums būtu jāzina. Bet tas nemaina protonu vai neitronu skaitu kodolā. Tas vienkārši atbrīvo milzīgu enerģijas daudzumu vai dažreiz augstas enerģijas protonu. Šo parādību sauc par gamma sabrukšanu. Gamma sabrukšana nozīmē, ka šīs daļiņas maina savu konfigurāciju. Viņi nedaudz pietuvojas. Un, tuvojoties, tie izdala enerģiju elektromagnētiskā starojuma veidā ar ļoti īsu viļņa garumu. Būtībā to var saukt par gamma daļiņu vai gamma staru. Tā ir īpaši augsta enerģija. Gamma stari ir ļoti bīstami. Viņi var tevi nogalināt. Tā visa bija teorija. Tagad atrisināsim pāris problēmas un noskaidrosim, ar kādu sabrukšanas veidu mēs saskaramies. Šeit man ir berilijs-7, kur septiņi ir atomu masa. Un es to pārvēršu par litiju-7. Kas tad te notiek? Berilija kodola masa paliek nemainīga, bet protonu skaits samazinās no četriem līdz trim. Berilija protonu skaits ir samazinājies. Kopējā masa nav mainījusies. Protams, tā nav alfa sabrukšana. Alfa sabrukšana, kā jūs zināt, ir hēlija izdalīšanās no kodola. Tātad, kas izceļas? Tiek atbrīvots pozitīvs lādiņš jeb pozitrons. Šeit tas ir ilustrēts, izmantojot vienādojumu. Šis ir pozitrons. Tāpēc šāda veida berilija-7 sabrukšana par litiju-7 ir pozitronu emisija. Viss skaidrs. Tagad apskatīsim šādu piemēru. Urāns-238 sadalās līdz torijs-234. Un mēs redzam, ka atomu masa samazinās par 4, un mēs redzam, ka atomskaitlis samazinās, protonu skaits samazinās par 2. Iespējams, tika atbrīvots kaut kas, kam ir četri atommasa, bet atomskaitlis divi, tas ir. , hēlijs. Tātad šī ir alfa sabrukšana. Šeit ir alfa daļiņa. Šis ir alfa sabrukšanas piemērs. Bet tas nav tik vienkārši. Jo, ja no 92 protoniem ir palikuši 90 protoni, tad šeit joprojām ir palikuši 92 elektroni. Vai maksa tagad būs mīnus 2? Un turklāt hēlijam, kas izdalās, nav elektronu. Tas ir tikai hēlija kodols. Tātad maksa būs plus 2? Ja uzdosiet šo jautājumu, jums būs pilnīga taisnība. Bet patiesībā tieši sabrukšanas brīdī torijam vairs nav iemesla turēties pie šiem diviem elektroniem, tāpēc šie divi elektroni pazūd un torijs atkal kļūst neitrāls. Un hēlijs ļoti ātri reaģē tāpat. Tam patiešām ir nepieciešami divi elektroni, lai tas būtu stabils, tāpēc tas ļoti ātri satver divus elektronus un kļūst stabils. Jūs varat to rakstīt jebkurā veidā. Apskatīsim citu piemēru. Man šeit ir jods. Labi. Paskatīsimies, kas notiks. Masa nemainās. Protoniem jāpārvēršas neitronos vai neitroniem jāpārvēršas protonos. Mēs redzam, ka šeit man ir 53 protoni, un šeit man ir 54. Acīmredzot viens neitrons pārvērtās par protonu. Acīmredzot neitrons pārvērtās par protonu. Un neitrons pārvēršas par protonu, izstaro elektronu. Un mēs to redzam šīs reakcijas laikā. Elektrons tika atbrīvots. Tātad šī ir beta sabrukšana. Šī ir beta daļiņa. Parakstīts. Tāda pati loģika ir spēkā. Pagaidiet, 53 vietā ir 54 protoni. Tagad, kad esmu pievienojis vēl vienu protonu, vai man joprojām būs pozitīvs lādiņš? Jā tas būs. Bet pavisam drīz – varbūt ne tikai šie elektroni, tik daudz elektronu iet apkārt – es paķeršu elektronus no kaut kurienes, lai kļūtu stabils, un es atkal kļūšu stabils. Bet jums būs pilnīga taisnība, ja uzdosiet jautājumu, vai daļiņa uz nelielu daļu laika kļūs par jonu? Apskatīsim citu piemēru. Radons-222, atomskaitlis 86, kas pārvēršas par poloniju -218, atomskaitlis 84. Interesanta neliela atkāpe. Polonijs ir nosaukts Polijas vārdā, jo Marija Kirī, kas to atklāja, tolaik bija no turienes, aptuveni 1800. gadu beigās – Polija vēl nepastāvēja kā atsevišķa valsts. Tās teritorija tika sadalīta starp Prūsiju, Krieviju un Austriju. Un poļi ļoti gribēja, lai cilvēki zinātu, ka viņi ir viena tauta. Viņi atklāja, ka tad, kad radons sadalās, veidojas šis elements. Un viņi to nosauca par godu savai dzimtenei Polijai. Tā ir privilēģija atklāt jaunus elementus. Bet atgriezīsimies pie uzdevuma. Kas tad notika? Atomu masa samazinājās par četriem. Atomu skaits ir samazinājies par diviem. Es atkārtoju vēlreiz, acīmredzot tika izlaista hēlija daļiņa. Hēlija kodola atomu masa ir četri un atomskaitlis divi. Viss skaidrs. Tātad šī ir alfa sabrukšana. Jūs varat rakstīt, ka tas ir hēlija kodols. Tajā nav elektronu. Mēs pat varam uzreiz pateikt, ka tam būs negatīvs lādiņš, bet tad tas to zaudē. Subtitri no Amara.org kopienas
Teorija
Alfa sabrukšana no galvenais stāvoklis tiek novērots tikai diezgan smagos kodolos, piemēram, rādijā-226 vai urānā-238. Alfa radioaktīvie kodoli nuklīdu tabulā parādās, sākot ar atomskaitli 52 (telūrs) un masas skaitli aptuveni 106-110, un ar atomskaitli, kas ir lielāks par 82 un masas skaitlis ir lielāks par 200, gandrīz visi nuklīdi ir alfa radioaktīvi, lai gan tiem var būt alfa sabrukšanas režīms un nedominējošs sabrukšanas režīms. Starp dabisks izotopu alfa radioaktivitāte tiek novērota vairākos retzemju elementu nuklīdos (neodīms-144, samārijs-147, samārijs-148, eiropijs-151, gadolīnijs-152), kā arī vairākos smago metālu nuklīdos (hafnija-174, volframa-174). 180, osmijs-186, platīns-190, bismuts-209, torijs-232, urāns-235, urāns-238) un īslaicīgos urāna un torija sabrukšanas produktos.
Alfa sabrukšana no ļoti satraukti kodolstāvokļi tiek novēroti arī vairākos vieglajos nuklīdos, piemēram, litija-7.
Alfa daļiņa iziet tuneļa pāreju caur potenciālo barjeru, ko izraisa kodolspēki, tāpēc alfa sabrukšana būtībā ir kvantu process. Tā kā tunelēšanas efekta iespējamība ir eksponenciāli atkarīga no barjeras augstuma, alfa aktīvo kodolu pussabrukšanas periods eksponenciāli palielinās, samazinoties alfa daļiņu enerģijai (šis fakts veido Geigera-Natala likuma saturu). Ja alfa daļiņu enerģija ir mazāka par 2 MeV, alfa aktīvo kodolu kalpošanas laiks ievērojami pārsniedz Visuma kalpošanas laiku. Tāpēc, lai gan lielākā daļa dabisko izotopu, kas ir smagāki par cēriju, principā spēj sadalīties pa šo kanālu, tikai daži no tiem ir reģistrējuši šādu sabrukšanu. Bīstamība dzīviem organismiem
Tā kā alfa daļiņas ir diezgan smagas un pozitīvi lādētas, radioaktīvās sabrukšanas rezultātā radušās vielas ir ļoti mazā diapazonā, un, pārvietojoties pa vidi, tās ātri zaudē enerģiju nelielā attālumā no avota. Tā rezultātā visa starojuma enerģija tiek atbrīvota nelielā vielas tilpumā, kas palielina šūnu bojājumu iespējamību, kad starojuma avots nonāk organismā. Tomēr ārējā Radioaktīvo avotu starojums ir nekaitīgs, jo alfa daļiņas var efektīvi aizturēt dažus centimetrus gaisa vai desmitiem mikrometru blīvas vielas - piemēram, papīra loksni un pat epidermas raga slāni, nesasniedzot dzīvās šūnas. Pat pieskarties tīra alfa starojuma avotam nav bīstami, lai gan jāatceras, ka daudzi alfa starojuma avoti izstaro arī daudz caurlaidīgākus starojuma veidus (beta daļiņas, gamma starus, dažreiz neitronus). Tomēr, ja alfa avots nonāk organismā, tas rada ievērojamu starojuma iedarbību. Alfa starojuma kvalitātes koeficients ir 20 (vairāk nekā visiem citiem jonizējošā starojuma veidiem, izņemot smagos kodolus un skaldīšanas fragmentus). Tas nozīmē, ka dzīvos audos alfa daļiņa rada aptuveni 20 reizes lielāku kaitējumu nekā gamma staru vai beta daļiņa ar vienādu enerģiju.
Viss iepriekš minētais attiecas uz radioaktīvajiem alfa daļiņu avotiem, kuru enerģija nepārsniedz 15 MeV. Pie akseleratora ražotajām alfa daļiņām var būt ievērojami lielāka enerģija un tās var radīt ievērojamu devu pat ar ārēju ķermeņa apstarošanu.
Zināmo α-radioaktīvo kodolu pussabrukšanas periods ir ļoti atšķirīgs. Tādējādi volframa izotopa 182 W pussabrukšanas periods T 1/2 > 8,3 · 10 18 gadi, bet protaktīnija izotopa 219 Pa - T 1/2 = 5,3 · 10 -8 s.
Rīsi. 2.1. Radioaktīvā elementa pussabrukšanas perioda atkarība no dabiski radioaktīva elementa α-daļiņas kinētiskās enerģijas. Pārtrauktā līnija ir Geigera-Natala likums.
Vienmērīgiem izotopiem pussabrukšanas perioda atkarība no α sabrukšanas enerģijas Q α aprakstīts empīriski Geigera-Neta likums
kur Z ir gala kodola lādiņš, pussabrukšanas periods T 1/2 ir izteikts sekundēs, un α-daļiņas E α enerģija ir MeV. Attēlā 2.1. attēlā parādītas α-radioaktīvo vienmērīgo izotopu pussabrukšanas perioda eksperimentālās vērtības (Z svārstās no 74 līdz 106) un to apraksts, izmantojot sakarību (2.3).
Nepāra pāra, pāra-pāra un nepāra-pāra kodoliem vispārējā atkarības tendence
Q α log T 1/2 saglabājas, bet pussabrukšanas periodi ir 2–100 reizes garāki nekā pāra-pāra kodoliem ar vienādu Z un Q α .
Lai notiktu α sabrukšana, ir nepieciešams, lai sākotnējā kodola M(A,Z) masa būtu lielāka par gala kodola M(A-4, Z-2) un α daļiņas masu summu. M α:
kur Q α = c 2 ir α sabrukšanas enerģija.
Tā kā M α<< M(A-4, Z-2),
α sabrukšanas enerģijas galveno daļu aiznes α ‑
daļiņa un tikai ≈ 2% - gala kodols (A-4, Z-2).
Daudzu radioaktīvo elementu α-daļiņu enerģijas spektri sastāv no vairākām līnijām (α-spektru smalkā struktūra). α spektra smalkās struktūras parādīšanās iemesls ir sākotnējā kodola (A,Z) sabrukšana kodola ierosinātajā stāvoklī (A-4, Z-2). Mērot alfa daļiņu spektrus, var iegūt informāciju par ierosināto stāvokļu raksturu
serdeņi (A-4, Z-2).
Lai noteiktu A un Z kodolu vērtību diapazonu, kam enerģētiski iespējama α-sabrukšana, tiek izmantoti eksperimentāli dati par kodolu saistīšanās enerģijām. α-sabrukšanas enerģijas Q α atkarība no masas skaitļa A ir parādīta attēlā. 2.2.
No att. 2.2 ir skaidrs, ka α sabrukšana kļūst enerģētiski iespējama, sākot no A ≈ 140. Reģionos A = 140–150 un A ≈ 210 Q α vērtībai ir izteikti maksimumi, kas izriet no kodola apvalka struktūras. Maksimums pie A = 140–150 ir saistīts ar neitronu apvalka piepildījumu ar maģisko skaitli N = A – Z = 82, un maksimums pie A ≈ 210 ir saistīts ar protonu apvalka piepildījumu pie Z
= 82. Tas ir saistīts ar čaulas struktūru atoma kodols Pirmais (retzemju) α-aktīvo kodolu reģions sākas ar N = 82, un smagie α-radioaktīvie kodoli kļūst īpaši daudz, sākot ar Z = 82.
Rīsi. 2.2. α-sabrukšanas enerģijas atkarība no masas skaitļa A.
Plašais pussabrukšanas periodu diapazons, kā arī šo periodu lielās vērtības daudziem α-radioaktīviem kodoliem ir izskaidrojamas ar to, ka α daļiņa nevar “acumirklī” atstāt kodolu, neskatoties uz to, ka tas notiek enerģētiski. labvēlīgs. Lai izietu no kodola, α-daļiņai jāpārvar potenciālā barjera – apgabals pie kodola robežas, kas veidojas α-daļiņas un gala kodola elektrostatiskās atgrūšanās potenciālās enerģijas un pievilcības spēku dēļ starp nukleoni. No klasiskās fizikas viedokļa alfa daļiņa nevar pārvarēt potenciālo barjeru, jo tai nav tam nepieciešamās kinētiskās enerģijas. Tomēr kvantu mehānika pieļauj šādu iespēju − α ‑
daļiņai ir noteikta varbūtība iziet cauri potenciālajai barjerai un atstāt kodolu. Šo kvantu mehānisko parādību sauc par "tuneļa efektu" vai "tunelēšanu". Jo lielāks ir barjeras augstums un platums, jo mazāka ir tunelēšanas iespējamība, un pussabrukšanas periods attiecīgi ir garāks. Plašs pussabrukšanas periodu diapazons
α-izstarotāji ir izskaidrojami ar dažādām α-daļiņu kinētisko enerģiju un potenciālo barjeru augstumu kombinācijām. Ja barjera nepastāvētu, tad alfa daļiņa atstātu kodolu aiz raksturīgā kodola
laiks ≈ 10 -21 - 10 -23 s.
Vienkāršāko α-sabrukšanas modeli 1928. gadā ierosināja G. Gamovs un neatkarīgi G. Gērnijs un E. Kondons. Šajā modelī tika pieņemts, ka α daļiņa pastāvīgi pastāv kodolā. Kamēr alfa daļiņa atrodas kodolā, uz to iedarbojas kodola pievilkšanās spēki. To darbības rādiuss ir salīdzināms ar kodola R rādiusu. Kodolpotenciāla dziļums ir V 0 . Ārpus kodola virsmas pie r > R potenciāls ir Kulona atgrūšanas potenciāls
V(r) = 2Ze 2 /r.
Rīsi. 2.3. α-daļiņu enerģijas E α atkarībā no neitronu skaita N
oriģinālajā kodolā. Līnijas savieno viena un tā paša ķīmiskā elementa izotopus.
Vienkāršota kodola pievilcīgā potenciāla un Kulona atgrūšanas potenciāla kombinētās darbības diagramma ir parādīta 2.4. attēlā. Lai izietu no kodola, α daļiņai ar enerģiju E α jāiziet cauri potenciāla barjerai, kas atrodas reģionā no R līdz R c . α sabrukšanas varbūtību galvenokārt nosaka varbūtība D, ka α daļiņa šķērso potenciāla barjeru
Šī modeļa ietvaros bija iespējams izskaidrot spēcīgo varbūtības α atkarību ‑ sadalīšanās no α-daļiņas enerģijas.
Rīsi. 2.4. α daļiņas potenciālā enerģija. Potenciālā barjera.
Lai aprēķinātu sabrukšanas konstanti λ, jāreizina α-daļiņas cauri potenciālajai barjerai koeficients, pirmkārt, ar varbūtību w α, ka α-daļiņa ir izveidojusies kodolā, un, otrkārt, ar varbūtību, ka tā atradīsies pie kodola robežas. Ja alfa daļiņas kodolā ar rādiusu R ir ātrums v, tad tā tuvosies robežai vidēji ≈ v/2R reizes sekundē. Rezultātā samazinājuma konstantei λ iegūstam sakarību
 |
(2.6) |
α daļiņas ātrumu kodolā var novērtēt, pamatojoties uz tās kinētisko enerģiju E α + V 0 kodolpotenciāla akas iekšpusē, kas dod v ≈ (0,1-0,2) s. No tā jau izriet, ka, ja kodolā ir alfa daļiņa, tad varbūtība, ka tā izies cauri barjerai D<10 -14 (для самых короткоживущих
относительно α‑распада тяжелых ядер).
Preeksponenciālā faktora novērtējuma raupjums nav īpaši nozīmīgs, jo no tā sabrukšanas konstante ir atkarīga nesalīdzināmi mazāk nekā no eksponenta.
No formulas (2.6) izriet, ka pussabrukšanas periods ir ļoti atkarīgs no kodola R rādiusa, jo rādiuss R ir iekļauts ne tikai pirmseksponenciālajā faktorā, bet arī eksponentā kā integrācijas robeža. Tāpēc no α-sabrukšanas datiem iespējams noteikt atomu kodolu rādiusus. Šādā veidā iegūtie rādiusi izrādās par 20–30% lielāki nekā elektronu izkliedes eksperimentos konstatētie. Šī atšķirība ir saistīta ar to, ka eksperimentos ar ātrajiem elektroniem tiek mērīts elektriskā lādiņa sadalījuma rādiuss kodolā, bet α-sabrukšanas gadījumā tiek mērīts attālums starp kodolu un α-daļiņu, pie kura kodolspēki pārstāj darboties. tēlot.
Planka konstantes klātbūtne eksponentā (2.6) izskaidro pussabrukšanas perioda spēcīgo atkarību no enerģijas. Pat nelielas enerģijas izmaiņas noved pie būtiskām eksponenta izmaiņām un līdz ar to ļoti krasām izmaiņām pussabrukšanas periodā. Tāpēc emitēto α daļiņu enerģijas ir ļoti ierobežotas. Smagajiem kodoliem α-daļiņas, kuru enerģija pārsniedz 9 MeV, izlido gandrīz uzreiz, un ar enerģiju zem 4 MeV tās dzīvo kodolā tik ilgi, ka α-sabrukšanu pat nevar noteikt. Retzemju α-radioaktīvajiem kodoliem abas enerģijas tiek samazinātas, samazinot kodola rādiusu un potenciālās barjeras augstumu.
Attēlā 2.5. attēlā parādīta Hf izotopu (Z = 72) α sabrukšanas enerģijas atkarība no masas skaitļa A masas skaitļu diapazonā A = 156–185. 2.1. tabulā parādītas 156–185 Hf izotopu α-sabrukšanas enerģijas, pussabrukšanas periodi un galvenie sabrukšanas kanāli. Redzams, kā, palielinoties masas skaitlim A, samazinās α-sabrukšanas enerģija, kas noved pie α-sabrukšanas varbūtības samazināšanās un β-sabrukšanas varbūtības palielināšanās (2.1. tabula). 174 Hf izotops, būdams stabils izotops (dabiskā izotopu maisījumā tas ir 0,16%), tomēr sadalās ar pussabrukšanas periodu T 1/2 = 2·10 15 gadi ar α-daļiņas emisiju.
Rīsi. 2.5. Hf izotopu α sabrukšanas enerģijas Q α atkarība (Z = 72)
no masas numura A.
2.1. tabula
α-sabrukšanas enerģijas Q α atkarība, pussabrukšanas periods T 1/2,
dažādi H f izotopu (Z = 72) sabrukšanas režīmi atkarībā no masas skaitļa A
| Z | N | A | Q α | T 1/2 | Samazināšanās režīmi (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 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 st | e (100) |
| 72 | 99 | 171 | 2.7390 | 12,1 st | e (100) |
| 72 | 100 | 172 | 2.7470 | 1,87 st | e (100) |
| 72 | 101 | 173 | 2.5350 | 23,4 stundas | e (100) |
| 72 | 102 | 174 | 2.4960 | 2 10 15 l | e (100) |
| 72 | 103 | 175 | 2.4041 | 70 dienas | e (100) |
| 72 | 104 | 176 | 2.2580 | durt. | |
| 72 | 105 | 177 | 2.2423 | durt. | |
| 72 | 106 | 178 | 2.0797 | durt. | |
| 72 | 107 | 179 | 1.8040 | durt. | |
| 72 | 108 | 180 | 1.2806 | durt. | |
| 72 | 109 | 181 | 1.1530 | 42,39 dienas | β — (100) |
| 72 | 110 | 182 | 1.2140 | 8,9 10 6 l | β — (100) |
| 72 | 111 | 183 | 0.6850 | 1.07 st | β — (100) |
| 72 | 112 | 184 | 0.4750 | 4.12 st | β — (100) |
| 72 | 113 | 185 | 0.0150 | 3,5 min | β — (100) |
Hf izotopi ar A = 176–180 ir stabili izotopi. Šiem izotopiem ir arī pozitīva α sabrukšanas enerģija. Tomēr α-sabrukšanas enerģija ~ 1, 3–2, 2 MeV ir pārāk zema, un šo izotopu α-sabrukšana netika konstatēta, neskatoties uz to, ka α-sabrukšanas varbūtība nav nulle. Tālāk palielinoties masas skaitlim A > 180, β - sabrukšana kļūst par dominējošo sabrukšanas kanālu.
Radioaktīvās sabrukšanas laikā gala kodols var nonākt ne tikai pamatstāvoklī, bet arī kādā no ierosinātajiem stāvokļiem. Tomēr α-sabrukšanas varbūtības lielā atkarība no α-daļiņas enerģijas noved pie tā, ka sadalīšanās gala kodola ierosinātajos līmeņos parasti notiek ar ļoti zemu intensitāti, jo, kad gala kodols ir ierosināts, α-daļiņas enerģija samazinās. Tāpēc eksperimentāli var novērot tikai sadalīšanos rotācijas līmeņos ar salīdzinoši zemu ierosmes enerģiju. Sadalīšanās gala kodola ierosinātajos līmeņos izraisa smalkas struktūras parādīšanos emitēto α daļiņu enerģijas spektrā.
Galvenais faktors, kas nosaka α sabrukšanas īpašības, ir α daļiņu iziešana caur potenciālo barjeru. Citi faktori izpaužas salīdzinoši vāji, bet atsevišķos gadījumos ļauj iegūt papildu informāciju par kodola uzbūvi un kodola α-sabrukšanas mehānismu. Viens no šiem faktoriem ir kvantu mehāniskās centrbēdzes barjeras rašanās. Ja α daļiņu izstaro no kodola (A,Z), kuram ir spins J i , un veidojas galīgs kodols
(A-4, Z-2) stāvoklī ar spinu J f, tad α-daļiņai ir jānoņem kopējais impulss J, ko nosaka attiecība
Tā kā α-daļiņai ir nulle spin, tās kopējais leņķiskais impulss J sakrīt ar orbītas leņķisko impulsu l, ko aiznes α-daļiņa
Rezultātā parādās kvantu mehāniskā centrbēdzes barjera.
Potenciālās barjeras formas izmaiņas centrbēdzes enerģijas ietekmē ir nenozīmīgas, galvenokārt tāpēc, ka centrbēdzes enerģija ar attālumu samazinās daudz ātrāk nekā Kulona enerģija (kā 1/r 2, nevis kā 1/r). Tomēr, tā kā šīs izmaiņas tiek dalītas ar Planka konstanti un ietilpst eksponentā, tad lielajā l gadījumā tas izraisa izmaiņas kodola dzīves laikā.
2.2. tabulā parādīta aprēķinātā centrbēdzes barjeras B l caurlaidība α-daļiņām, kas emitētas ar orbitālo impulsu l, attiecībā pret centrbēdzes barjeras caurlaidību B 0 α-daļiņām, kas emitētas ar orbitālo impulsu l = 0 kodolam ar Z = 90, α-daļiņu enerģija E α = 4,5 MeV. Var redzēt, ka, palielinoties orbitālajam impulsam l, ko aizved α daļiņa, kvantu mehāniskās centrbēdzes barjeras caurlaidība strauji samazinās.
2.2. tabula
Centrbēdzes barjeras relatīvā caurlaidībaα - daļiņas,
izlidojot ar orbītas impulsu l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)
Nozīmīgāks faktors, kas var dramatiski pārdalīt dažādu α-sabrukšanas atzaru varbūtības, var būt nepieciešamība būtiski pārstrukturēt kodola iekšējo struktūru α-daļiņu emisijas laikā. Ja sākotnējais kodols ir sfērisks un gala kodola pamatstāvoklis ir stipri deformēts, tad, lai evolucionētu galīgā kodola pamatstāvoklī, sākotnējam kodolam ir jāpārkārtojas alfa daļiņas izstarošanas procesā, kas būtiski mainās. tā forma. Šādas izmaiņas kodola formā parasti ietver lielu skaitu nukleonu un sistēmu ar dažiem nukleoniem, piemēram, α ‑
daļiņa, kas atstāj kodolu, var nespēt to nodrošināt. Tas nozīmē, ka galīgā kodola veidošanās varbūtība pamatstāvoklī būs niecīga. Ja starp gala kodola ierosinātajiem stāvokļiem ir stāvoklis, kas ir tuvs sfēriskam, tad sākotnējais kodols var bez būtiskas pārkārtošanās tajā nonākt α rezultātā. ‑
sabrukšana Šāda līmeņa populācijas varbūtība var izrādīties liela, ievērojami pārsniedzot zemāko stāvokļu, tai skaitā pamatstāvokļa, populācijas varbūtību.
No izotopu 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra α-sabrukšanas diagrammām, α-sabrukšanas iespējamības spēcīgas atkarības ierosinātajos stāvokļos no α-daļiņas enerģijas un orbitālā impulsa l, ko aiznes α-daļiņa ir redzama.
α sabrukšana var notikt arī no ierosinātiem atomu kodolu stāvokļiem. Piemēram, 2.3. un 2.4. tabulā ir parādīti izotopu 151 Ho un 149 Tb pamatstāvokļa un izomēru sabrukšanas režīmi.
2.3. tabula
151Ho zemes un izomēru stāvokļu α-sabrukšana
2.4. tabula
149 Tb pamata un izomēru stāvokļu α-sabrukšana
Attēlā 2.6. attēlā parādītas izotopu 149 Tb un 151 Ho zemes un izomēro stāvokļu sabrukšanas enerģijas diagrammas.
Rīsi. 2.6. Izotopu 149 Tb un 151 Ho grunts un izomēro stāvokļu sabrukšanas enerģijas diagrammas.
α-sabrukšana no 151Ho izotopa izomēra stāvokļa (J P = (1/2) + , E izomērs = 40 keV) ir ticamāka (80%) nekā e-satveršana šajā izomērā. Tajā pašā laikā 151 Ho pamatstāvoklis samazinās galvenokārt e-tveršanas rezultātā (78%).
149 Tb izotopā izomēra stāvokļa sabrukšana (J P = (11/2) - , E izomērs = 35,8 keV) pārsvarā notiek e-tveršanas rezultātā. Novērotās zemes un izomēru stāvokļu sabrukšanas pazīmes ir izskaidrojamas ar α-sabrukšanas un e-tveršanas enerģijas lielumu un orbītas leņķisko impulsu, ko nes α-daļiņa vai neitrīno.
Lielākajai daļai atomu kodoli ir diezgan stabili veidojumi. Taču radioaktīvo vielu atomu kodoli radioaktīvās sabrukšanas procesā spontāni pārvēršas par citu vielu atomu kodoliem. Tā 1903. gadā Rezerfords atklāja, ka traukā ievietotais rādijs pēc kāda laika pārvērtās radonā. Un traukā parādījās papildu hēlijs: (88^226)Ra→(86^222)Rn+(2^4)He. Lai saprastu rakstītā izteiciena nozīmi, izpētiet tēmu par atoma kodola masu un lādiņa skaitu.
Bija iespējams konstatēt, ka galvenie radioaktīvās sabrukšanas veidi: alfa un beta sabrukšana notiek saskaņā ar šādu pārvietošanas noteikumu:
Alfa sabrukšana
Alfa sabrukšanas laikā izdalās alfa daļiņa (hēlija atoma kodols). No vielas ar protonu skaitu Z un neitronu N atoma kodolā tā pārvēršas vielā ar protonu skaitu Z-2 un neitronu skaitu N-2 un attiecīgi atommasu A-4: (Z ^A)X→(Z-2^ (A-4))Y +(2^4)Viņš. Tas nozīmē, ka iegūtais elements tiek pārvietots divas šūnas atpakaļ periodiskajā tabulā.
α samazinājuma piemērs:(92^238)U→(90^234)Th+(2^4)Viņš.
Alfa sabrukšana ir intranukleārais process. Kā daļa no smagā kodola kodola un elektrostatisko spēku sarežģītas kombinācijas dēļ veidojas neatkarīga α-daļiņa, kuru Kulona spēki izspiež daudz aktīvāk nekā citus nukleonus. Noteiktos apstākļos tas var pārvarēt kodolieroču mijiedarbības spēkus un izlidot no kodola.
Beta sabrukšana
Beta sabrukšanas laikā izstaro elektronu (β daļiņu). Viena neitrona sabrukšanas rezultātā par protonu, elektronu un antineitrīnu, kodola sastāvs palielinās par vienu protonu, un elektrons un antineitrīns tiek izvadīti uz āru: (Z^A)X→(Z+1^A) Y+(-1^0)e+(0^0)v. Attiecīgi iegūtais elements periodiskajā tabulā tiek pārvietots vienu šūnu uz priekšu.
β sabrukšanas piemērs:(19^40)K→(20^40)Ca+(-1^0)e+(0^0)v.
Beta sabrukšana ir intranukleona process. Neitrons tiek pārveidots. Ir arī beta plus sabrukšana vai pozitronu beta sabrukšana. Pozitronu sabrukšanas gadījumā kodols izstaro pozitronu un neitrīno, un elements periodiskajā tabulā pārvietojas par vienu šūnu atpakaļ. Pozitronu beta sabrukšanu parasti pavada elektronu uztveršana.
Gamma sabrukšana
Papildus alfa un beta sabrukšanai pastāv arī gamma sabrukšana. Gamma sabrukšana ir gamma kvantu emisija no kodoliem ierosinātā stāvoklī, kurā tiem ir augsta enerģija salīdzinājumā ar neierosināto stāvokli. Kodoli var nonākt ierosinātā stāvoklī kodolreakciju vai citu kodolu radioaktīvās sabrukšanas laikā. Lielākajai daļai kodolu ierosināto stāvokļu kalpošanas laiks ir ļoti īss - mazāks par nanosekundi.
Ir arī sabrukšanas gadījumi ar neitronu, protonu emisiju, klasteru radioaktivitāti un daži citi, ļoti reti sabrukšanas veidi. Bet dominējošs
Šāda veida sabrukšanas gadījumā kodols ar atomskaitli Z un masas skaitli A sadalās, izstarojot alfa daļiņu, kā rezultātā veidojas kodols ar atomskaitli Z-2 un masas skaitli A-4:
Pašlaik ir zināmi vairāk nekā 200 alfa izstarojošie nuklīdi, starp kuriem gandrīz nav vieglie un vidējie kodoli. Vieglo kodolu vidū izņēmums ir 8 Be; turklāt ir zināmi aptuveni 20 retzemju elementu alfa izstarojošie nuklīdi. Lielākais vairums a izotopu izotopu pieder pie radioaktīvajiem elementiem, t.i. elementiem ar Z> 83, no kuriem ievērojama daļa ir mākslīgie nuklīdi. Dabisko nuklīdu vidū ir aptuveni 30 alfa-aktīvi kodoli, kas pieder pie trim radioaktīvajām ģimenēm (urāna, aktīnija un torija sērijām), kuras ir apspriestas iepriekš. Zināmo alfa radioaktīvo nuklīdu pussabrukšanas periods svārstās no 0,298 μs 212 Po līdz >10 15 gadiem 144 Nd, 174 Hf. Alfa daļiņu enerģija, ko izstaro smagie kodoli no pamatstāvokļiem, ir 4-9 MeV, bet retzemju elementu kodoli - 2-4,5 MeV.
Ka alfa sabrukšanas varbūtība palielinās, palielinoties Z, ir saistīts ar faktu, ka šāda veida kodolpārveidošanās ir saistīta ar Kulona atgrūšanu, kas, palielinoties kodolu izmēram, proporcionāli palielinās Z 2, savukārt kodola pievilcības spēki pieaug lineāri, pieaugot masas skaitam A.
Kā tika parādīts iepriekš, kodols būs nestabils attiecībā uz a-sabrukšanu, ja pastāv nevienlīdzība:
kur un 
ir attiecīgi sākuma un beigu kodolu miera masa;
– a-daļiņas masa.
Kodolu α sabrukšanas enerģija ( Eα) sastāv no alfa daļiņas kinētiskās enerģijas, ko izstaro mātes kodols Tα un kinētiskā enerģija, ko meitas kodols iegūst alfa daļiņas emisijas rezultātā (atsitiena enerģija) T nodaļa:
Izmantojot enerģijas un impulsa nezūdamības likumus, mēs varam iegūt sakarību:
Kur M nodaļa = 
– atsitiena serdes masa;
Mα ir alfa daļiņas masa.
Atrisinot vienādojumus (4.3) un (4.4) kopā, mēs iegūstam:
. (4.5)
Un attiecīgi,
. (4.6)
No vienādojumiem (4.5 un 4.6) ir skaidrs, ka lielāko daļu alfa sabrukšanas enerģijas (apmēram 98%) aizvada alfa daļiņas. Atsitiena kodola kinētiskā enerģija ir ≈100 keV (ar alfa sabrukšanas enerģiju ≈5 MeV). Jāatzīmē, ka pat šādas šķietami mazas atsitiena atomu kinētiskās enerģijas vērtības ir ļoti nozīmīgas un izraisa augstu atomu ar līdzīgu kodolu reaktivitāti. Salīdzinājumam ņemiet vērā, ka molekulu termiskās kustības enerģija istabas temperatūrā ir aptuveni 0,04 eV, bet ķīmisko saišu enerģija parasti ir mazāka par 2 eV. Tāpēc atsitiena kodols ne tikai plīst ķīmiskā saite molekulā, bet arī daļēji zaudē savu elektronu apvalku (elektroni vienkārši netiek līdzi atsitiena kodolam), veidojoties joniem.
Pārskatot dažādi veidi radioaktīvā sabrukšana, tostarp alfa sabrukšana, izmanto enerģijas diagrammas. Vienkāršākā enerģijas diagramma ir parādīta attēlā. 4.1.
Rīsi. 4.1. Vienkāršākā alfa sabrukšanas shēma.
Sistēmas enerģijas stāvoklis pirms un pēc sabrukšanas ir attēlots ar horizontālām līnijām. Alfa daļiņu attēlo bultiņa (treknrakstā vai dubultā), kas virzās lejup no labās uz kreiso pusi. Bultiņa norāda emitēto alfa daļiņu enerģiju.
Jāpatur prātā, ka tas, kas parādīts attēlā. 4.1 diagramma ir vienkāršākais gadījums, kad kodola izstarotajām alfa daļiņām ir viena noteikta enerģija. Parasti alfa spektram ir smalka struktūra, t.i. viena un tā paša nuklīda kodoli izstaro alfa daļiņas ar enerģijām, kas ir diezgan tuvu, bet tomēr atšķiras pēc lieluma. Tika konstatēts, ka, ja meitas kodola ierosinātajā stāvoklī notiek alfa pāreja, tad alfa daļiņu enerģija attiecīgi būs mazāka nekā enerģija, kas raksturīga pārejai starp radionuklīdu sākotnējā un meitas kodola pamatstāvokļiem. . Un, ja ir vairāki šādi satraukti stāvokļi, tad būs vairākas iespējamās alfa pārejas. Šajā gadījumā veidojas meitas kodoli ar dažādu enerģiju, kas, pārejot uz zemes vai stabilāku stāvokli, izstaro gamma starus.
Zinot visu alfa daļiņu un gamma kvantu enerģiju, ir iespējams izveidot enerģijas samazinājuma diagrammu.
Piemērs. Izveidojiet sabrukšanas diagrammu, izmantojot šādus datus:
· α-daļiņu enerģija ir: 4,46; 4,48; 4,61; un 4,68 MeV,
· γ-kvantu enerģija – 0,07; 0,13; 0,20; un 0,22 MeV.
Kopējā sabrukšanas enerģija ir 4,68 MeV.
Risinājums. No sākotnējā kodola enerģijas līmeņa izvelkam četras bultiņas, no kurām katra norāda noteiktas enerģijas α-daļiņu emisiju. Aprēķinot atšķirības starp atsevišķu α-daļiņu grupu enerģijām un salīdzinot šīs atšķirības ar γ-kvantu enerģijām, mēs atklājam, kuras pārejas atbilst katras enerģijas γ-kvantu emisijai.
4,48 – 4,46 = 0,02 MeV nav atbilstošu γ-kvantu
4,61 – 4,46 = 0,15 MeV
4,61 – 4,48 = 0,13 MeV enerģijas atbilst enerģijām
4,68–4,46 = 0,22 MeV γ kvantu, kas emitēti sabrukšanas laikā
4,68 – 4,48 = 0,20 MeV 230 Th
4,68 – 4,61 = 0,07 MeV
Rīsi. 4.2 – 230 tūkst. sabrukšanas shēma.
Tajā pašā laikā ir iespējams arī otrs gadījums, kad notiek alfa pāreja no mātes kodola ierosinātā stāvokļa uz meitas kodola pamatstāvokli. Šos gadījumus parasti klasificē kā liela attāluma alfa daļiņu parādīšanos, kuru emisija rodas no ierosinātiem kodoliem, kas veidojas kompleksās β-sabrukšanas rezultātā. Piemēram, 4.3. attēlā ir parādīta polonija-212 kodola liela attāluma α daļiņu emisijas diagramma, kas veidojas bismuta-212 kodola β-sabrukšanas rezultātā. Redzams, ka atkarībā no β pārejas rakstura polonija-212 kodols var veidoties grunts un ierosinātā stāvoklī. Alfa daļiņas, kas emitētas no polonija-212 kodola ierosinātajiem stāvokļiem, ir liela attāluma. Tomēr jāpatur prātā, ka šādā veidā ģenerētiem alfa-aktīvajiem kodoliem pāreja no ierosinātā stāvokļa ir lielāka iespējamība, izstarot γ-kvantu, nevis liela attāluma alfa daļiņu. Tāpēc liela attāluma alfa daļiņas ir ļoti reti sastopamas.
Turklāt zinātnieki ir izveidojuši ļoti svarīgu modeli: kad mazs palielinot a-daļiņu enerģiju, pussabrukšanas periodi mainās par vairākas lieluma kārtas. Tātad par 232 tūkst T a = 4,08 MeV, T 1/2 = 1,41 × 10 10 gadi, un 230 tūkst. T a = 4,76 MeV, T 1/2 = 1,7∙10 4 gadi.
Rīsi. 4.3. Secīgs sabrukšanas modelis: 212 Bi – 212 Po – 208 Pb
Var redzēt, ka alfa daļiņu enerģijas samazināšanās par aptuveni 0,7 MeV ir saistīta ar pussabrukšanas perioda palielināšanos par 6 kārtībām. Plkst 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 gadi ≥ T 1/2 ≥ 10–7 s,
un tajā pašā laikā ir ļoti šaurs radioaktīvo kodolu emitēto alfa daļiņu enerģijas diapazons:
2 MeV ≤ Tα ≤ 9 MeV.
Sakarību starp alfa daļiņas pussabrukšanas periodu un enerģiju eksperimentāli noskaidroja Geigers un Natals 1911.–1912. gadā. Viņi parādīja, ka atkarība lg T 1/2 no lg Tα ir labi tuvināts ar taisnu līniju:
. (4.7)
Šis likums labi attiecas uz pāra un pāra kodoliem. Savukārt nepāra un nepāra kodoliem tiek novērota ļoti būtiska novirze no likuma.
Alfa sabrukšanas varbūtības un līdz ar to pussabrukšanas perioda spēcīgo atkarību no enerģijas G. Gamovs un E. Kondons 1928. gadā izskaidroja, izmantojot teoriju par kodola vienas daļiņas modeli. Šajā modelī tiek pieņemts, ka alfa daļiņa pastāvīgi eksistē kodolā, t.i. Mātes kodols sastāv no meitas kodola un alfa daļiņas. Tiek pieņemts, ka alfa daļiņa pārvietojas sfēriskā rādiusa apgabalā R (R– kodola rādiuss) un to kodolā notur maza darbības rādiusa Kulons kodolspēki. Attālumos r, kas ir lielāki par meitas kodola rādiusu R, darbojas Kulona atgrūšanas spēki.
Attēlā 4.4. attēlā parādīta potenciālās enerģijas atkarība starp alfa daļiņu un atsitiena kodolu no attāluma starp to centriem.
Abscisu ass parāda attālumu starp meitas kodolu un alfa daļiņu, un ordinātu ass parāda sistēmas enerģiju. Kulona potenciāls tiek nogriezts no attāluma R, kas ir aptuveni vienāds ar meitas kodola rādiusu. Kulona barjeras B augstumu, kas alfa daļiņai jāpārvar, lai izietu no kodola, nosaka attiecība:
Kur Z Un z ir attiecīgi meitas kodola un alfa daļiņas lādiņi.
Rīsi. 4.4. Sistēmas potenciālās enerģijas izmaiņas ar attālumu starp meitas kodolu un alfa daļiņu.
Potenciālās barjeras lielums ievērojami pārsniedz radioaktīvo kodolu emitēto alfa daļiņu enerģiju, un saskaņā ar klasiskās mehānikas likumiem alfa daļiņa nevar atstāt kodolu. Bet priekš elementārdaļiņas, kuras uzvedību apraksta kvantu mehānikas likumi, šīm daļiņām ir iespējams iziet cauri potenciālajai barjerai, ko sauc par tuneļa pāreju.
Saskaņā ar alfa sabrukšanas teoriju, kuras aizsākumus noteica G. Gamovs un E. Kondons, tiek aprakstīts daļiņas stāvoklis. viļņu funkcijaψ, kas saskaņā ar normalizācijas nosacījumiem jebkurā telpas punktā nav nulle, un tādējādi pastāv ierobežota varbūtība atklāt alfa daļiņu gan barjeras iekšpusē, gan ārpus tās. Tas nozīmē, ka ir iespējama tā sauktā alfa daļiņas tunelēšanas pāreja caur potenciālo barjeru.
Ir pierādīts, ka barjeras caurlaidība ir atomu skaita, atommasas, serdes rādiusa un potenciālo barjeras raksturlielumu funkcija.
Konstatēts, ka pāra-pāra kodolu alfa pārejas no galvenā mātes nuklīdu līmeņa uz galveno meitas nuklīdu līmeni raksturo mazākie pussabrukšanas periodi. Nepāra pāra, pāra un nepāra kodoliem vispārējā tendence saglabājas, bet to pussabrukšanas periodi ir 2-1000 reizes garāki nekā pāra pāra kodoliem ar doto Z un Tα Ir lietderīgi atcerēties: alfa daļiņu enerģija, ko izstaro radionuklīdi ar vienādu masas skaitli, palielinās, palielinoties kodola lādiņam.
11. slaids
Alfa sabrukšana ir alfa daļiņu (hēlija kodolu) emisija no atoma kodola pamata (neuzbudinātā) stāvoklī.
Pusperioda galvenās īpašības T 1/2 , kinētiskā enerģija T α un nobraukums jautājumā Rαα-daļiņas vielā.
Alfa sabrukšanas pamatīpašības
1. Alfa sabrukšana ir novērojama tikai smagajos kodolos. Ir zināmi aptuveni 300 α-radioaktīvi kodoli
2. α-aktīvo kodolu pussabrukšanas periods ir milzīgā diapazonā no
10 17 gadi () 
un ir noteikts Geigera-Neta likums
.
(1.32)
piemēram, Z=84 konstantēm A= 128,8 un B = - 50,15, T α– α-daļiņas kinētiskā enerģija in Mev
3. Radioaktīvo kodolu α-daļiņu enerģijas ir ietvertas
(Mev)
T α min = 1,83 Mev (), Tαmax = 11,65 Mev(izomērs
4. Novērota radioaktīvo kodolu α-spektru smalkā struktūra. Šie spektri diskrēts. 1.5.att. Parādīta plutonija kodola sabrukšanas diagramma. α daļiņu spektrs sastāv no vairākām monoenerģētiskām līnijām, kas atbilst pārejām uz dažādi līmeņi meitas kodols.
6. α-daļiņu nobraukums gaisā normālos apstākļos
R α (cm) = 0,31 T α 3/2 Mev plkst (4< T α <7 Mev) (1.33)
7. α-sabrukšanas reakcijas vispārīgā shēma
kur ir mātes kodols, ir meitas kodols
α daļiņas saistīšanās enerģijai kodolā jābūt mazākai par nulli, lai notiktu α sabrukšana.
E St α =<0 (1.34)
Enerģija, kas izdalās α-sabrukšanas laikā Eα sastāv no α daļiņas kinētiskās enerģijas Tα un meitas kodola kinētiskā enerģija T i
E α =| E St α | = T α + T i (1,35)
α daļiņas kinētiskā enerģija ir vairāk nekā 98% no kopējās α sabrukšanas enerģijas
Beta sabrukšanas veidi un īpašības
Beta samazināšanās slaids 12
Kodola beta sabrukšana ir nestabila kodola spontānas pārvēršanās process izobāra kodolā elektrona (pozitrona) emisijas vai elektrona uztveršanas rezultātā. Ir zināmi aptuveni 900 beta radioaktīvo kodolu.
Elektroniskā β - sabrukšanas gadījumā viens no kodola neitroniem pārvēršas par protonu ar elektrona emisiju un elektronu antineitrīnu.
brīvā neitronu sabrukšana 
, T 1/2 =10,7 min;
tritija sabrukšana 
, T 1/2 = 12 gadiem
.
Plkst pozitronu β+ sabrukšana viens no kodola protoniem pārvēršas par neitronu ar pozitīvi lādēta elektrona (pozitrona) un elektronu neitrīno emisiju
Kad elektroniskā e-uztveršana kodols uztver elektronu no sava atoma elektronu apvalka (parasti K-apvalka).
β - -sabrukšanas enerģija atrodas diapazonā
()0,02 Mev < Е β < 13,4 Mev ().
Emitēto β-daļiņu spektrs nepārtraukts no nulles līdz maksimālajai vērtībai. Aprēķinu formulas maksimālā beta sadalīšanās enerģija:
, (1.42)
, (1.43)
. (1.44)
kur ir mātes kodola masa, ir meitas kodola masa. m e- elektronu masa.
Pus dzīve T 1/2 saistīta ar varbūtību beta sabrukšanas attiecība
Beta sabrukšanas iespējamība ir ļoti atkarīga no beta sabrukšanas enerģijas ( ~ E β 5 plkst E β >> m e c 2) tātad pussabrukšanas periods T 1/2ļoti atšķiras
10-2 sek< T 1/2< 2 10 15 лет
Beta sabrukšana notiek vājas mijiedarbības rezultātā, kas ir viena no fundamentālajām mijiedarbībām.
Radioaktīvās ģimenes (sērija) 13. slaids
Kodola pārvietošanās likumi α-sabrukšanas laikā ( A→A – 4 ; Z→Z- 2) β-sabrukšanas laikā ( A→A; Z→Z+1).Tā kā masas skaitlis Aα-sabrukšanas laikā tas mainās uz 4 un β-sabrukšanas laikā A nemainās, tad dažādu radioaktīvo ģimeņu pārstāvji savā starpā “neapjūk”. Tie veido atsevišķas radioaktīvas sērijas (kodolu ķēdes), kas beidzas ar to stabilajiem izotopiem.
Katras radioaktīvās ģimenes locekļu masas skaitu raksturo formula
a=0 torija ģimenei, a= 1 neptūniju ģimenei, a= 2 urāna ģimenei, a=3 aktinourāna ģimenei. n- vesels skaitlis. skatīt tabulu 1.2
1.2. tabula
| Ģimene | Sākotnējais izotops | Galīgais stabilais izotops | Rinda | Sākotnējā izotopa pussabrukšanas periods T 1/2 |
| torijs | svins | 4n+0 | 14 10 9 gadi | |
| urāns | svins | 4n+2 | 4,5 10 9 gadi | |
| aktinourāns | svins | 4n+3 | 0,7 10 9 gadi | |
| neptūnija | bismuts | 4n+1 | 2,2 10 6 gadi |
No ģimeņu senču pusperiodu salīdzinājuma ar ģeoloģiskais laiks Zemes dzīves laikā (4,5 miljardi gadu), ir skaidrs, ka gandrīz viss torijs-232 bija saglabājies Zemes vielā, aptuveni puse no urāna-238 sadalījās, lielākā daļa no urāna-235 un gandrīz viss neptūnija -237.
