Ядерные превращения

Введение

 
 

Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием излучений.

Радиоактивность открыта в 1896 году А.Беккерелем.

Ядерные превращения возникают как вследствие процессов радиоактивного распада ядер, так и вследствие ядерных реакций, сопровождающихся делением или синтезом ядер.

Радиоактивный распад (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Ядра, подверженные радиоактивным превращениям, называются радиоактивными, а не подверженные - стабильными. Такое деление условно, так как, в сущности, все ядра могут самопроизвольно распадаться, но этот процесс в разных ядрах идет с различной скоростью.

Во многих случаях самопроизвольные превращения радионуклидов приводят к образованию новых радиоизомеров, образующих так называемые радиоактивные цепочки. В конечном счете, радиоактивные превращения заканчиваются стабильным нуклидом. Радиоактивные цепочки могут быть простыми (линейными) и сложными (с ветвлениями).

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

 

Изменения, происходящие в ядрах, можно разбить на три группы:

 

    1)  изменение одного из нуклонов в ядре;

 

    2)  перестройка внутренней структуры ядра;

 

    3)  перегруппировка нуклонов из одних ядер в другие.

К первой группе относятся различные виды бета-распада, когда один из нейтронов ядра превращается в протон или наоборот. Первый (более частый) вид бета-распада происходит с испусканием электрона и электронного антинейтрино. Второй вид бета-распада происходит или путем испускания позитрона и электронного нейтрино, или путем захвата электрона и испускания электронного нейтрино (захват электрона происходит с одной из ближайших к ядру электронных оболочек). Заметим, что в свободном состоянии протон не может распасться на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино – для этого необходима дополнительная энергия, которую он получает у ядра. Общая энергия ядра тем не менее понижается при превращении протона в нейтрон в процессе бета-распада. Это происходит за счет снижения энергии кулоновского отталкивания между протонами ядра (которых становится меньше).

Ко второй группе следует отнести гамма-распад, при котором ядро, первоначально  находившееся в возбужденном состоянии, сбрасывает излишек энергии, излучая гамма-квант.

К третьей  группе относятся альфа-распад (испускание исходным ядром альфа-частицы – ядра атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов), деление ядра (поглощение ядром нейтрона с последующим распадом на два более легких ядра и испускание нескольких нейтронов) и синтез ядра (когда в результате столкновения двух легких ядер образуется более тяжелое ядро и, возможно, остаются легкие осколки или отдельные протоны или нейтроны).

 

Радиоактивный распад

 
 

Виды  радиоактивного распада:

- альфа-распад;

- бета-распад;

- изомерный  гамма-переход;

- электронный  захват;

- внутренняя  конверсия.

 
 
 

Альфа-распад

 
 

Альфа-распад - вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание альфа-частицы. При этом массовое число уменьшается на 4, а атомный номер — на 2.

Альфа-частицы  испускаются только тяжелыми ядрами, т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией.  
Как правило, α - радиоактивностью обладают ядра с зарядом Z > 82 (тяжелее свинца), причем энергия α - частиц растет с ростом Z ядра. Исключениями являются несколько ядер редкоземельных элементов (например, , и др.), а также некоторые искусственно полученные ядра с большим недостатком нейтронов.

Скорость  вылета альфа-частицы 14000-20000 км/с. В  общем виде формула альфа-распада  выглядит следующем образом:

 

 

Пример  альфа-распада для изотопа ²³⁸U:

 

 

То ядро, которое распадается, называют материнским, а образовавшееся дочерним.  
Дочернее ядро оказывается обычно тоже радиоактивным и через некоторое время распадается. 
Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор, пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.

 
 

 

Бета-распад

 
 

Бета-распад — тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу (электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется «бета-минус» (β⁻), а в случае испускания позитрона — «бета-плюс-распадом» (β⁺). Кроме β ⁻ и β ⁺ -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, когда ядро захватывает атомный электрон. Во всех типах бета-распада ядро излучает электронное нейтрино (β ⁺ -распад, электронный захват) или антинейтрино (β ⁻ -распад).

β-распадом называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар с зарядом, отличным на ΔZ = ±1, в результате испускания электрона (позитрона) или захвата электрона.

 

Период  полураспада β-радиоактивных ядер меняется от ~10^-2 сек до ~2·10¹⁵ лет.

Энергия β-распада заключена в пределах от 18 кэв (для ₁He³) до 16,6 Мэв (для ₇N¹²).

 

Простейшим примером электронного β-распада является (если не считать β-распад нейтрона) β-распад трития:

.

 

 

В β ⁻ -распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино:

 

.

 

В β ⁺ -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:

 

.

 

Таким образом, в отличие от β ⁻ -распада, β ⁺ -распад не может происходить в отсутствие внешней энергии, поскольку масса самого нейтрона больше массы протона. β ⁺ -распад может случаться только внутри ядер, где абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц.

Во всех случаях, когда β⁺-распад энергетически возможен (и протон является частью ядра с электронными оболочками), он сопровождается процессом электронного захвата, при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:

 

.

 

Но если разность масс начального и конечного  атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ), то электронный захват происходит, не сопровождаясь конкурирующим процессом позитронного распада; последний в этом случае запрещён законом сохранения энергии.

 

Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра, эти процессы распада превращают один химический элемент в другой. Например:

 

(β ⁻ распад),

(β ⁺ распад),

(электронный захват).

 

Измерения β-спектров показали, что в процессе β-распада испускаются электроны всех энергий от нуля до энергии (T_e)_макс приблизительно равной (в случае β^--распада) разности энергетических состояний исходного и конечного атома: 

Средняя энергия электронов, испускаемых  тяжелыми ядрами, обычно составляет около 1/3 максимальной энергии.  Интерпретация  непрерывного характера энергетического спектра электронов β-распада в свое время вызвала очень большие трудности. Казалось, что подобно α-распаду, при котором испускающиеся α-частицы имеют вполне определенную энергию, β-распад также должен приводить к испусканию монохроматических электронов.

Для объяснения несовпадения энергии электронов с  энергией, освобождающейся при β-распаде, была выдвинута гипотеза (Паули, 1931 г.) о том, что в процессе β-распада наряду с электроном с энергией T_e испускается еще одна частица - нейтрино, которая уносит  часть энергии, так что суммарная энергия электрона и нейтрино равна энергии β–распада.

Первая  теория  β–распада была построена Ферми в 1934 году, когда экспериментальные доказательства существования нейтрино еще не были получены, но участие этих частиц в процессах β–распада считалось более чем вероятным. При построении теории считалось, что электроны и нейтрино (которых в ядрах нет) рождаются в процессе β–распада благодаря новому виду взаимодействия. Это взаимодействие не тождественно ни электромагнитному, ни, конечно, ядерному взаимодействию. Новый тип взаимодействия получил название слабого взаимодействия. Радиус действия сил слабого взаимодействия очень мал и составляет примерно 10^-16 см. Это в тысячу раз меньше радиуса действия ядерных сил. На расстояниях порядка атомных радиусов (10^-8 см) слабые силы практически не проявляются.

 

Большинство изотопов, существующих в природных  условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с  такими большими периодами полураспада, что они не успели исчезнуть за примерно 4,5 млрд лет, прошедшие с момента нуклеосинтеза. Например, ⁴⁰K, который испытывает все три типа бета-распада (бета-минус, бета-плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1.277×10⁹ лет.