Ядерные превращения

 
 

Электронный захват

 
 

Электронный захват, e-захват — один из видов бета-распада атомных ядер. При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Этот процесс характерен для протоноизбыточных ядер.

Если  энергетическая разница между родительским и дочерним атомом (доступная энергия бета-распада) превышает 1,022 МэВ (удвоенную массу электрона), электронный захват всегда конкурирует с другим типом бета-распада, позитронным распадом. Например, рубидий-83 превращается в криптон-83 только посредством электронного захвата (доступная энергия около 0,9 МэВ), тогда как натрий-22 распадается в неон-22 посредством как электронного захвата, так и позитронного распада (доступная энергия около 2,8 МэВ).

Поскольку число протонов в ядре (т.е. заряд  ядра) при электронном захвате уменьшается, этот процесс превращает ядро одного химического элемента в ядро другого элемента, расположенного ближе к началу таблицы Менделеева.

Общая формула электронного захвата

 

Примеры:

 

 
 
 
 
 

 

Изомерный гамма-переход

 

Изомерный переход (гамма-распад) — радиоактивный распад атомного ядра, происходящий из возбуждённого метастабильного состояния с излучением одного или нескольких гамма-квантов.

 

Почти все ядра имеют, кроме основного  квантового состояния, дискретный набор  возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра ¹H, ²H, ³H и ³He). Возбуждённые состояния могут заселяться либо при ядерных реакциях, либо в результате радиоактивного распада других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьи времена жизни измеряются микросекундами, сутками или годами), которые называются ядерными изомерами, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов.

 

Гамма кванты испускаются ядрами, образующимися  после α-или β-распада в возбужденном состоянии. После α-распада обычно испускаются γ-лучи невысокой энергии (E_γ < 0,5 Мэв). Энергия γ-лучей испускаемых дочерним ядром после β-распада может быть больше и достигает 2—2,5 Мэв.

В обоих  рассмотренных примерах ядро, испускающее γ-лучи, имеет сравнительно небольшую энергию возбуждения, недостаточную для испускания нуклона.

Испускание  γ-лучей ядрами, возбужденными значительно  выше энергии отделения частицы, бывает связано с запретом по четности и моменту количества движения для вылета нуклонов (или других частиц), который делает процесс испускания γ-лучей относительно более вероятным. Примером такого рода является испускание γ-лучей с энергией 17 Мэв  в результате реакции , идущей под действием s-протонов.

В процессе испускания γ-кванта ядро переходит  из возбужденного состояния в  состояние с меньшей энергией (радиационный переход). Радиационный переход может быть однократным, когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное состояние, или каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов.

 

 

По своей  физической природе γ-излучение  представляет собой коротковолновое  электромагнитное излучение ядерного происхождения. Обычно энергия ядерных квантов бывает заключена в пределах примерно от 10 кэв до 5 Мэв. Это соответствует интервалу длин волн 10^-8 см  ≥ λ_γ ≥ 10^-11 см.

Величина  энергии γ-кванта  определяется разностью энергий уровней ядра , между которыми происходит радиационный переход.

 

Внутренняя  конверсия

 

Кроме испускания γ-лучей существует еще  один механизм потери энергии возбужденным ядром - испускание электронов внутренней конверсии. В этом процессе, как показывает теория, энергия возбуждения ядра непосредственно (без предварительного испускания γ-кванта) передается орбитальному электрону. Очевидно, что в таком механизме будут освобождаться моноэнергетические электроны, энергия которых определяется энергией ядерного перехода и типом электронной орбиты.

Явление внутренней конверсии состоит в  том, что ядро передает энергии возбуждения  одному из электронов внутренних слоев, который в результате этого удаляется (вырывается) за пределы атома. С наибольшей вероятностью процесс внутренней конверсии идет на K-электронах. Такие электроны получили название электронов внутренней конверсии.

Следовательно, испускаие электронов конверсии  обусловлено непосредственно электромагнитным взаимодействием ядра с электронами оболочки. Конверсионные электроны имеет линейчатый спектр энергии в отличие от электронов бета-распада, дащих сплошной спектр.

Если  энергия возбуждения превосходит 1,022 МэВ, то переход ядра в нормальное состояние может сопровождаться излучением пары «электрон-позитрон» с последующей их аннигиляцией.

После того как произошла внутренняя конверсия, в электронной оболочке атома  появляется вакантное место вырванного электрона конверсии. Один из электронов с более отдаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.

 

Закон смещения

 

Если  на периодическую таблицу элементов  нанести последовательно члены  какого-либо радиоактивного ряда, то окажется, что радионуклиды в этом ряду не смещаются плавно от материнского элемента (урана, тория или нептуния) к свинцу или висмуту, а «прыгают» то вправо, то влево. Так, в ряду урана два нестабильных изотопа свинца (элемент № 82) превращаются в изотопы висмута (элемент № 83), затем – в изотопы полония (элемент № 84), а те – снова в изотопы свинца. В результате радиоактивный элемент часто возвращается назад – в ту же клетку таблицы элементов, однако при этом образуется изотоп с другой массой. Оказалось, что в этих «прыжках» есть определенная закономерность, которую в 1911 заметил Ф.Содди.

Сейчас  известно, что при α-распаде из ядра вылетает α-частица (ядро атома гелия), следовательно, заряд ядра уменьшается на 2 (смещение в периодической таблице на две клетки влево), а массовое число уменьшается на 4, что позволяет предсказать, какой именно изотоп нового элемента образуется.

При β-распаде, наоборот, число протонов в ядре увеличивается на единицу, а масса ядра не изменяется , т.е. происходит смещение в таблице элементов на одну клетку вправо.

Очень часто после α-распада следуют два β-распада, и таким образом образующийся элемент возвращается в исходную клетку таблицы элементов – в виде более легкого изотопа исходного элемента. Благодаря этим фактам стало очевидным, что периодический закон Д.И.Менделеева отражает связь между свойствами элементов и зарядом их ядра, а не их массой (как это было сформулировано первоначально, когда строение атома не было известно).

 
 

 

Закон радиоактивного распада

 
 

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией.

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных  продуктов и исследовали его  активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.из чего учёные сделали вывод:

Скорость  превращения всё время пропорциональна  количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.

 

Закон радиоактивного превращения весьма прост. Для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность λ того, что оно испытывает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt, будет равно

 

 

dN = -λNdt

 

 

Вероятность распада λ входит в это уравнение в качестве коэффициента, который называется постоянной распада. Знак минус соответствует убыванию вещества в процессе распада. Решив уравнение, найдем следующий закон изменения числа радиоактивных ядер со временем:

 

 

N = N₀e ^-λt,

 

 

где N₀ – число атомов вещества до начала распада. Если в полученное уравнение подставить вместо времени t период полураспада T_½, то можно найти связь постоянной распада λ с периодом полураспада T_½. Действительно, так как

 

N(T_½) = N₀ / 2, то

N₀e ^{-λ T½}= N₀/2 и e^{-λ T½} = 1/2,  откуда

 

 
 

Экспоненциальная кривая радиоактивного распада: по оси абсцисс («оси x») — время, по оси ординат («оси y») — количество нераспавшихся ядер или скорость распада в единицу времени.

 

Период полураспада

 

На практике получила большее распространение  другая временная характеристика — период полураспада , равная времени, в течение которого число радиоактивных атомов или скорость распада уменьшаются в 2 раза.

 

Связь этой величины с постоянной распада  можно вывести из соотношения 

 

, откуда: