Альфа-распад ядер

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Альфа-частица

Альфа-частица (б-частица), положительно заряженная частица, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Идентично ядру атома гелия-4. Образуется при альфа-распаде ядер. При этом ядро может перейти в возбуждённое состояние, избыток энергии удаляется при выделении гамма-излучения. Однако вероятность перехода ядра при альфа-распаде на возбуждённый уровень, как правило, сильно подавлена, что связано с экспоненциальным уменьшением вероятности альфа-распада при уменьшении кинетической энергии излучаемых альфа-частиц. Альфа-частицы могут вызывать ядерные реакции; впервой искусственно вызванной ядерной реакции (Э. Резерфорд, 1919, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами.

Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8-15 МэВ. При движении альфа-частицы в веществе она создаёт сильную ионизацию и в результате очень быстро теряет энергию. Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно ткани организма, весьма опасно для здоровья. Опасно для здоровья также внешнее облучение высокоэнергичными альфа-частицами, источником которых является ускоритель.

Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжелой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм) или длины, умноженной на плотность (г/см2).

Таблица 1

Таким образом, опасность для человека могут представлять излучение б-частиц с энергиями достаточными для преодоления кожного покрова (10 МэВ и выше). В то же время, большинство исследовательских ускорителей б-частиц работает на энергиях ниже 3 МэВ. Масса альфа-частицы составляет 6,644656·10?27 кг, что эквивалентно энергии 3,72738 ГэВ. Спин и магнитный момент равны нулю. Энергия связи 28,11 МэВ (7,03 МэВ на нуклон).

2. Альфа-распад

Альфа-распад -- вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия 4 альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер -- на 2. Альфа-распад наблюдается только у тяжёлых ядер (атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше 200). Альфа-частица испытывает туннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия, в принципе способны распадаться по этому каналу. Лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима 144Nd) до 23700 км/с у изотопа полония 212mPo. В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом:

.

Пример альфа-распада для изотопа 238U:

.

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Одновременно в Париже французский физик Пол Виллард проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский физик Георгий Гамов.

Все виды радиоактивных превращений ядер удовлетворяют экспоненциальному закону:

N(t) = N(0)exp(-лt),

где N(t) - число радиоактивных ядер, выживших к моменту времени t > 0, если в момент t = 0 их число было N(0). Величина л, совпадает с вероятностью распада радиоактивного ядра в единицу времени. Тогда время Т1/2, называемое периодом полураспада, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в два раза, определяется как:

Т1/2 = (ln2)/л.

Значения Т1/2 для б-излучателей меняются в широком диапазоне от 10-10 секунды до 1020 лет в зависимости от величины энергии Q относительного движения б-частицы и дочернего ядра, которая при использовании законов сохранения энергии и импульса при б-распаде определяется как:

Q = B (A-4, Z-2) + В (4,2) - В (А, Z),

где В (А, Z) - энергия связи родительского ядра. Для всех исследованных б-переходов величина Q > 0 и не превосходит 10 МэВ. В 1910 году Ганс Гейгер и Джордж Нэттол экспериментально обнаружили закон, связывающий период полураспада Т1/2 с энергией Q:

lgТ1/2 = В + СQ-1/2,

где величины В и С не зависят от Q. Рисунок 1 иллюстрирует указанный закон для четно-четных изотопов полония, радона и радия.

Рис. 1. Зависимость lgТ1/2 от Q-1/2 для четно-четных изотопов полония Po, радона Rn и радия Ra

Но тогда появляется очень серьезная проблема. Потенциал взаимодействия V(R) б-частицы и дочернего ядра в зависимости от расстояния R между их центрами тяжести можно качественно представить следующим образом (рис. 2). На больших расстояниях R они взаимодействуют кулоновским образом и потенциал:

На малых же расстояниях R в игру вступают короткодействующие ядерные силы и потенциал V(R) становится притягивающим. Поэтому в потенциале V(R) появляется барьер, положение RB максимума которого VB = V(RB) лежит для тяжелых ядер с Z ? 82 в районе 10-12 см, а величина VB = 25 МэВ. Но тогда возникает вопрос, как а-частица с энергией Q < VB может выйти из радиоактивного ядра, если в под барьерной области величина ее кинетической энергии К = Q - V(R) становится отрицательной и с точки зрения классической механики движение частицы в этой области невозможно. Решение этой проблемы было найдено в 1928 году русским физиком Г.А. Гамовым. Опираясь на незадолго до того времени созданную квантовую механику, Гамов показал, что волновые свойства б-частицы позволяют ей с определенной вероятностью Р просачиваться через потенциальный барьер.

Рис. 2. Зависимость потенциала взаимодействия V(R) - частицы и дочернего ядра от расстояния

ядерный квантовый радиоактивный изотопный

Тогда, если принять, что б-частица существует в полностью сформированном виде внутри ядра, для вероятности его б-распада в единицу времени А, возникает формула:

л = 2нP,

где 2н - число ударов б-частицы о внутреннюю стенку барьера, определяемое частотой н колебаний б-частицы внутри родительского ядра. Тогда, рассчитав квантово-механически величину Р и оценив v в простейших приближениях, Гамов получил для lgТ1/2 закон Гейгера-Нэттола. Результат Гамова имел громадный резонанс в среде физиков, поскольку он продемонстрировал, что атомное ядро описывается законами квантовой механики.

3. Альфа-излучение

Обычно источником б-частиц является слой какого-либо нелетучего и долгоживущего б-излучающего элемента, отложенный на металлическую подложку (в нейтрализаторах статического электричества применяются эмалевые источники б-излучения). Промышленность выпускает источники альфа-излучения на основе таких радионуклидов, как америций-241,америций-243, кюрий-244, уран-234, плутоний-238, плутоний-239, Кюрий-244 и др.

Естественное альфа-излучение как результат радиоактивного распада ядра, характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более 83, т. е. для естественных радионуклидов рядов урана, и тория, а также, для полученных искусственным путем трансурановых элементов. Возможность б- распада связана с тем, что масса (а, значит, и суммарная энергия ионов) б- радиоактивного ядра больше суммы масс б-частицы и образующегося после б-распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии б-частицы и отдачи дочернего ядра. б-частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия и вылетают из ядра со скоростью 15-20 тыс. км/сек. На своём пути они производят сильную ионизацию среды, вырывая электроны из орбит атомов. Пробег б-частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде - 30-50 микрон, в металлах - 10-20 микрон. При ионизации б- лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел.

Так как между б-частицей и ядром существует электростатическое отталкивание, вероятность ядерных реакций под действием б-частиц природных радионуклидов (максимальная энергия 8,78 МэВ у 214Ро) очень мала, и наблюдается лишь на легких ядрах (Li, Ве, В, С, N, Na, Al) с образованием радиоактивных изотопов и свободных нейтронов.

Чистые альфа-излучатели (например, полоний-210) являются великолепными источниками энергии. Удельная мощность излучателя на базе 210 Ро (период полураспада 138 дней) составляет более 1200 Ватт на кубический сантиметр. Полоний-210 послужил в качестве обогревателя советского «Лунохода-2», поддерживая температурные условия, необходимые для работы научной аппаратуры. В качестве источников энергии (а в паре с бериллием - и нейтронов), полоний-210 широко задействовано в качестве источников питания удалённых маяков. Применяется он также для удаления статического электричества на текстильных фабриках, и ионизации воздуха для лучшего горения топлива в мартеновских печах, и даже для удаления пыли с фотоплёнок. Полоний-бериллиевые источники нейтронов применялись в первых атомных зарядах.

Для моделирования одновременного воздействия б-частиц и тяжелых заряженных частиц космического пространства на конструкционные материалы ракетных материалов и компоненты радиоэлектроники может, используется изотопная установка б-частиц и осколков деления «Калифорний-252» на базе изотопа 252Cf (период полураспада 2,2 года).

Параметры изотопной установки «Калифорний-252».

Изотоп излучателя 252Cf.

Активность 4·104 Бк.

Энергия осколков деления спектр от 40 до 130 МэВ.

Давление в рабочей камере от 1 до 105 Па.

На базе америция 241 (период полураспада 458 лет) выпускаются источники б-излучения АИА активностью 3*104 Бк.

Выпускаются и низкоактивные источники, используемые в качестве эталонов альфа-излучения для калибровки радиометров и прочей дозиметрической или измерительной аппаратуры. Например, в России образцовые источники б-излучения изготавливаются на базе изотопов уран-234 и 238, плутоний-239.

Источником пучка ионов гелия, протонов или тяжелых ионов может быть ускоритель, например, циклотрон.

Циклотрон - ускоритель протонов (или ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля и магнитное поле постоянны во времени. Частицы движутся в циклотроне по плоской развертывающейся спирали. Максимальная энергия ускоренных протонов 20 МэВ, в изохронном циклотроне до 1 ГэВ.

Размещено на Allbest.ru