Виды радиоактивного распада

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский педагогический государственный университет

Химический факультет

Реферат

Виды радиоактивного распада

Выполнила студентка 2 курса 1 группы

Куприянова М.С.



Содержание

I. История открытия радиоактивности

II. Виды радиоактивного распада

1. Радиоактивный распад и ионизирующее излучение

2. Типы ядерных превращений

2.1 Альфа-распад

2.1.1 Основные особенности

2.1.2 Механизм альфа-распада

2.2 Бета-распад

2.2.1 в^--распад

2.2.2 в⁺-распад

2.2.3 Электронный захват

2.3 Гамма-излучение ядер

2.3.1 Внутренняя конверсия электронов

2.4 Двойной бета-распад

2.5 Спонтанное деление

2.5.1 Самопроизвольное деление тяжелых ядер

2.5.2 Механизм деления

2.5.3 Продукты деления

2.6 Запаздывающее деление

2.7 Протонная радиоактивность

2.8 Нейтронная радиоактивность

2.9 Кластерная радиоактивность

2.10 Бета-распад полностью ионизированного атома

2.11 Двухпротонная радиоактивность

Заключение

Список литературы



I. История открытия радиоактивности

Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 году и последующее изучение ядерных явлений радикально изменило наше представление об окружающем мире, обогатило науку новыми концепциями, явилось началом исследования субатомной структуры материи. Однако само атомное ядро заявило о себе гораздо раньше. В 1896 г. A. Беккерель неожиданно обнаружил неизвестное ранее излучение, которое испускали соли урана. Тогда считалось, что это излучение связано с атомными процессами. Лишь с открытием атомных ядер стало ясно, что это внутриядерный процесс - изменение ядер химических элементов. Так было открыто явление радиоактивности. Анри Беккерель производил опыты с солями урана, так как некоторые из них обладают свойством флуоресцировать. Он получил фотографические оттиски сквозь черную бумагу при помощи флуоресцирующего двойного сульфата уранила и калия. Дальнейшие опыты показали, однако, что наблюдаемое явление никак не связано с флуоресценцией. Оказалось, что освещение соли не является необходимым условием и что на фотографические пластинки действуют и уран и все его, как флуоресцирующие, так и нефлуоресцирующие, соединения, причем наиболее сильно действует металлический уран. Беккерель обнаружил затем, что соединения урана, в течение нескольких лет находившиеся в полной темноте, продолжают действовать на фотографические пластинки сквозь черную бумагу. Тогда он пришел к заключению, что уран и его соединения испускают особые урановые лучи. Эти лучи обладают способностью проходить сквозь тонкие металлические экраны. Проходя через газы, урановые лучи ионизируют их и делают их проводниками электричества. Излучение урана самопроизвольно и постоянно, оно не зависит от таких внешних условий, как освещение и температура.

Исследуя излучение урановой соли, Э. Резерфорд (1898 г.) показал, что оно состоит из двух компонентов:

· Сильно поглощаемое тонкими фольгами излучение, названное б_излучением. Позже было установлено, что оно состоит из ядер атомов ⁴He.

· Более слабо поглощаемое излучение, названное в-излучением. Было установлено, что частицы этого излучения имеют массу электрона. Известны 3 типа в-излучения: в⁺-распад, в^--распад, e-захват.

Через два года (1900 г.) П. Виллард обнаружил ещё одну нейтральную компоненту излучения урановой соли, названную г-излучением. Вслед за открытием радиоактивного урана U (Z = 92) была обнаружена радиоактивность тория Th (Z = 90). В 1898 г. супруги М. и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента - полоний Po (Z = 84) и радий Ra (Z = 88). В 1903 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди выяснили, что испускание б_лучей сопровождается превращением химических элементов. Химический элемент радий Ra превращался в химический элемент радон Rn, уран U превращался в торий Th. В результате исследований, выполненных Э. Резерфордом с сотрудниками, было показано, что в состав атомных ядер входят протоны (1919 г.) и нейтроны (1932 г., Д. Чадвик). В 1932 г. Д. Иваненко и В. Гейзенбергом была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра. В 1940 г. Г. Н. Флеров и К.А. Петржак открыли спонтанное деление ядер урана. В 1984 г. Г. Роуз, Г. Джонс и независимо Д. Александров обнаружили, что при распаде ²²³Ra происходит испускание не только б-частиц, но и более тяжелых фрагментов. Так была открыта кластерная радиоактивность. С тех пор кластерный распад обнаружен более чем на 10 ядрах от Fr до Cm. В 1981 г. была открыта протонная радиоактивность (С. Хофман) и в 2002 г. двухпротонная радиоактивность.



II. Виды радиоактивного распада

1. Радиоактивный распад и ионизирующее излучение

Анализируя проникающую способность радиоактивного излучения урана, Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную б-излучением, и более проникающую, названную в-излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта в 1900 году П.Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом г-излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распадом атомов (значительно позже стало ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом из них определенного типа излучений.

Радиоактивный распад-- спонтанное изменение состава (заряда Z, массового числа A) или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактимвностью, а соответствующие ядра (нуклиды, изотопы и химические элементы) радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Позднее было показано, что б-излучение представляет собой поток ядер гелия ⁴Не, а в -излучение состоит из электронов. Наконец, г - излучение

оказывается родственником светового и рентгеновского излучений и является потоком высокочастотных электромагнитных квантов, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния. Гамма-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны л<10-¹⁰ м и вследствие этого - ярко выраженными корпускулярными свойствами.

Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает б-излучение. В воздухе при нормальных условиях б-лучи проходят путь в несколько сантиметров. в-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают г-лучи (проходят через слой свинца толщиной 5-10 см).



2. Типы ядерных превращений

2.1 Альфа-распад

2.1.1 Основные особенности

Альфа-распад (б - распад) - вид радиоактивного распада атомных ядер, когда испускается альфа-частица, заряд ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число - на 4.

б - радиоактивность (альфа-излучение) - поток альфа- частиц, испускаемых при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца или образующихся в ходе ядерных реакций. Альфа-излучение обладает малой проникающей способностью (несколько сантиметров в воздухе и миллиметры в биологической ткани).

Рис. Схематическое изображение б-распада.

б-Распад (т.е. испускание ионов гелия, ₂ ⁴Не²⁺) характерен для радиоактивных элементов с большим атомным номером Z (элементы с Z>83, как правило, б-радиоактивны). Испускаемые б-частицы - моно энергетические. Главными характеристиками б-радиоактивных ядер и испускаемых ими б-частиц являются период полураспада Т_1/2, кинетическая энергия Еб и пробег R.

Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z - 2 и нейтронов N - 2. При этом испускается б-частица - ядро атома гелия He .

При б-распаде исходного ядра атомный номер образовавшегося ядра уменьшается на две единицы, а массовое число уменьшается на 4 единицы, согласно схеме:

б -распад ?Z >Z-2

? A>A-4

Примерами б - распада могут служить распад изотопа урана - 238:

²³⁸ ₉₂U ²³⁴ >₉₀Th+ ₂ ⁴He

и радия-226:

²²⁶ ₈₈Ra >₈₆ ²²²Rn

Здесь проявляется правило сдвига, сформулированное Фаянсом и Содди: элемент, образовавшийся из другого элемента при испускании б-лучей, по своим химическим свойствам занимает в периодической системе элементов место на две группы левее исходного элемента.

2.1.2 Механизм б-распада

Прежде всего напомним об одной странности б-распада: энергия «прямого» процесса - распада в испусканием б-частицы намного меньше энергии «обратного» процесса - синтеза того же материнского нуклида из его же дочернего ядра и б-частицы. Связано это с наличием Кулоновского барьера. радиоактивность ионизирующий протонный кластерный

Электростатический (Кулоновский) потенциал между двумя заряженными ядрами:



V_c=

где Z - атомный номер дочернего элемента и R - расстояние между центрами двух ядер. Согласно грубой оценки, e^2/(4ре)=1.440 МэВ*фм, а R=1.2(A^1/3+4^1/3) фм, где А - массовое число продукта распада. Тогда для

распада ²³⁸U имеем: V_c=28 МэВ.

Полученная величина в 6-7 раз больше энергии распада. Такое соотношение между кулоновским барьером и энергией распада типично для процессов б-распада. Учтя большое различие между кулоновским барьером и наблюдаемой энергией распада, можно понять обе особенности: увеличение энергии распада с увеличением атомного номера Z и уменьшение кинетической энергии с увеличением массы для изотопов

одного элемента. Кулоновский потенциал, т.е. высокий ядерный заряд ускоряет освобождение продуктов, а большая масса позволяет дочернему ядру и б-частице начинать разлёт.

В теории б-распада предполагается, что внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, т.е. б-частица. Материнское ядро является для б-частиц потенциальной ямой, которая ограничена потенциальным барьером. Энергия б-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера. Вылет б-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому

явлению - туннельному эффекту. Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования имеет вероятностный характер



.

Классификация альфа-переходов основывается на структурных факторах, связанных с вероятностью образования б-частицы: б-распад идет на 2-4 порядка быстрее, когда альфа-частица образуется из нейтронных и протонных пар (чётно-чётные ядра), по сравнению с распадом, когда б-частица образуется из неспаренных нуклонов. В первом случае б-распад называется благоприятным, и такими оказываются все б- переходы между основными состояниями четно-четных ядер. Во втором случае б-распад называется неблагоприятным (запрещённые переходы).

К сожалению, детальная теория б-распада ещё далека от завершения.

2.2 Бета-распад

Бета-распад (в - распад) - самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино(частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии). Известны типы бета-распада: электронный распад (превращение нейтрона в протон), позитронный распад (протона в нейтрон) и электронный захват. При электронном бета-распаде заряд ядра увеличивается на 1, при позитронном - уменьшается на 1; массовое число не меняется. К бета распаду относится также спонтанное превращение свободного нейтрона в протон, электрон и антинейтрино.



Бета-распад - спонтанное превращение ядра (A,Z) в ядро-изобар (A,Z+1) в результате испускания лептонов (электрон и антинейтрино, позитрон и нейтрино), либо поглощения электрона с испусканием нейтрино (е-захват).

в - радиоактивность (бета-излучение) представляет собой поток частиц с массой, равной 1/1837 массы протона, образующихся при бета-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых (радий-228). Отрицательно заряженная бета-частица фактически представляет собой электрон, положительно заряженная - позитрон. Бета-излучение обладает большей проникающей способностью по сравнению с б-излучением, но все равно может быть остановлено сравнительно тонким (несколько сантиметров) слоем металла или пластика.

в^--распад характерен для нейтроноизбыточных изотопов, в которых число нейтронов больше, чем в устойчивых (а для элементов с Z?83 - больше, чем в в-стабильных, испытывающих только б-распад); напротив, в⁺-распад и электронный захват свойственны нейтронодефицитным изотопам, более лёгким, чем устойчивые или в-стабильные.

Теория в-распада была создана в 1933 Э. Ферми, который использовал гипотезу В. Паули о рождении в в - распаде нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной нейтрино н. Ферми показал, что в-распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе «слабым» взаимодействием и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона е^- и антинейтрино н (в^--распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е⁺ и нейтрино н (в⁺- распад), а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино (электронный захват).

2.2.1 Электронный в-- распад

в^--Распад характерен для большого числа радиоактивных изотопов.

в^--лучи - поток электронов, движущихся со скоростью, составляющей от 0,1 до 0,99 скорости света. Внутри ядер электронов нет, они возникают при в-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами.

При бета-распаде из ядра вылетает электрон. В этом процессе наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 В.Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии.

Новая частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно

обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица с нулевой массой покоя, которая называется электронным антинейтрино. Она обозначается символом н ^~ .

₀¹n ₁¹p + >_-1⁰e + н ^~

в^--Распад имеет место при относительном избытке нейтронов в ядре. Поскольку число нуклонов при в^--распаде не меняется, массовое число ядра остается тем же. Согласно правилу сдвига Фаянса и Содди, при в^--распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным.



в^- -распад ? Z>Z+1

? A>A

Например,

₅₆¹⁴⁰Ba> ₅₇¹⁴⁰La

Энергетическое условие возможности в^- - распада с массовым числом А и зарядом Z записывается так:

M(A,Z)>M(A,Z+1)+m_e

Масса исходного (в^- - радиоактивного) ядра должна быть больше суммы масс конечного ядра и электрона.

На схемах электронный в^--распад изображается стрелкой, направленной вправо.

2.2.2 Позитронный в⁺-распад

Наряду с электронным в^--распадом обнаружен так называемый позитронный в⁺-распад, при котором из ядра вылетают позитрон и нейтрино. Позитрон - это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П.Дираком в 1928. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей.

Позитрон, (е⁺) - античастица электрона. Позитрон стабилен, но в веществе из-за аннигиляции с электронами (е^-) существует очень короткое время. Позитрон образуется в процессах рождения пар е⁺е^- гамма квантами, при распаде мюонов и т.д.

в⁺-Распад наблюдается преимущественно у искусственных радиоактивных изотопов. Позитрон отличается от электрона только положительным знаком заряда. Этот вид распада характерен для ядер, содержащих избыточное число протонов; протон ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино (v):

₁¹p ₀¹n +> ₊₁⁰e + v

При в⁺-распаде атомный номер вновь образованного ядра уменьшается на единицу, а массовое число практически не изменяется:

в⁺-распад ?Z >Z-1

?A>A

Например,

₇¹³N >₆¹³C

Схематически в⁺-распад изображается стрелкой, направленной влево.

2.2.3 Электронный захват

Электронный захват - вариант в- распада, при котором захват ядром электрона происходит с одной из атомных оболочек, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват), реже - со следующих, L- и М-оболочек (соответственно, L и М-захват).

Электронный захват так же, как и в⁺-распад, наблюдается при избыточном числе протонов в ядре. Если энергия ядра недостаточна для излучения позитрона, то оно может захватить периферический электрон атома, обычно с внутренней К-оболочки. Для таких электронов вероятность нахождения внутри ядра наибольшая. Процесс захвата электрона часто называют КС-захватом и обозначают буквами «Э. 3.» или «К».

Электронному захвату соответствует превращение протона ядра в нейтрон:

₁¹p+ _-1⁰eРазмещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

₀¹n + v

При этом атомный номер нового радиоактивного ядра, как и при позитронном распаде, уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется, т.е. число нуклонов остаётся постоянным, в ядре меняется соотношение нейтронов и протонов:

К-захват ?Z Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Z-1

? A Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

A

Например,

₂₉⁶⁴Cu Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

₂₈⁶⁴Ni

В случае захвата ядром орбитального электрона образуются два продукта: конечное ядро и нейтрино. Распределение энергий между ними является однозначным - практически вся она уносится нейтрино. Таким образом, спектр нейтрино при e-захвате при фиксированных состояниях начального и конечного ядра будет монохроматическим в отличие от бета-распада.

В результате электронного захвата в К-оболочке атома образуется вакантное место, которое занимает один из внешних орбитальных электронов. Этот переход сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения образующегося дочернего атома, что и позволяет установить наличие К-захвата.

При электронном захвате возможно возникновение электронов Оже.

Оже - электроны - электроны, возникающие в результате возбуждения (ионизации) атомов с передачей безызлучательным образом энергии другому электрону (т.н. Оже - электрону), который может выйти в вакуум. Оже-эффект (открыт французом П.Оже в 1923) - явление, в котором возбуждённый атом возвращается в исходное невозбуждённое состояние

путём испускания электрона с энергией, характерной для данного элемента -

используется в Оже - спектроскопии.

На схемах электронный захват обозначают пунктирной стрелкой, направленной влево.

2.3 Гамма-излучение ядер

Гамма-излучение иногда также рассматривается как особый вид радиоактивности, хотя оно и не приводит к изменению состава ядра - ядро лишь переходит при этом с одного энергетического уровня на другой.

г-лучи испускаются ядрами, образовавшимися после б- или в- распада в возбуждённом состоянии. После б-распада обычно испускаются г-лучи невысокой энергии (Ег<0,5 МэВ), т.к. б-распад, сопровождающийся образованием дочернего ядра в сильно возбуждённом состоянии, затруднён малой прозрачностью барьера для б-частиц с пониженной энергией. Энергия г-лучей, испускаемых дочерним ядром после в-распада, может быть больше и достигает 2-2,5 МэВ.

В обоих рассмотренных примерах ядро, испускающее г-лучи, имеет небольшую энергию возбуждения, недостаточную для испускания нуклона. В тех случаях, когда энергия возбуждения ядра-продукта оказывается равной энергии отделения нуклона или больше её, испускание г -лучей также может быть преобладающим эффектом, если испускание нуклона почему-либо затруднено (например, запретом по чётности и моменту количества движения).

2.3.1 Внутренняя конверсия электронов

Кроме испускания г-лучей существует ещё один механизм потери энергии возбуждённым ядром - испускание электронов внутренней конверсии. В этом процессе энергия возбуждения ядра непосредственно (без испускания г-кванта) передаётся орбитальному электрону, который вылетает из атома.

Внутренняя конверсия (ВК) конкурирует с г-эмиссией. Этот процесс отличается от процесса выбивания электрона из атома г-квантом. Он также отличается от в-распада, так как испускаемый электрон до этого был одним из орбитальных электронов, тогда как в в-распаде электрон возникает при распаде нейтрона.

Внутренняя конверсия может быть легко обнаружена, так как конверсионные электроны (е^-) имеют линейчатый спектр в отличие от непрерывного спектра ядерных в^--частиц. Внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Конверсионное излучение может наблюдаться как вместе с г-излучением, так и без него. Отношение числа испущенных конверсионных электронов к числу испускаемых г-квантов называется коэффициентом внутренней конверсии. Коэффициент конверсии сильно зависит от энергии перехода (уменьшается с ростом Е), атомного номера ядра (растёт с ростом Z), оболочки, из которой выбивается электрон (уменьшается с ростом радиуса оболочки) и характера (электрического или магнитного).

2.4 Двойной бета-распад

В 1934 Э.Ферми сформулировал теорию бета-распада. Уже через год М.Гепперт - Майер указала на возможность существования двойного бета-распада. Последующее развитие ядерной физики показало, что если число ядер, распадающихся по обычным каналам одиночных электронного и позитронного бета- превращений очень велико, то примеров двойного бета-распада, известных к настоящему моменту, всего несколько. В некоторых случаях, когда для четно-четных ядер невозможен бета-распад на нечетно-нечетное ядро, оказывается энергетически возможным переход с изменением Z на две единицы - двойной бета-распад. Ожидали, что у радионуклидов, распадающихся по двойному бета-распаду будут иметь очень большие периоды полураспада. Эксперимент подтвердил это предположение.

Теория предсказывает возможность двух видов двойного в-распада. Первый - обычный тип с испусканием антинейтрино (нейтральная элементарная частица с нулевой массой, являющаяся античастицей по отношению к нейтрино):

^АZ>^А(Z ? 2)+ 2e^- + 2н

Второй - более экзотический - безнейтринный:

^АZ>^А(Z ? 2)+ 2e^-

Изучение двойного бета-распада - один из способов установления наличия или отсутствия массы покоя у нейтрино. Качественный вопрос об этой массе не менее важен, чем количественный.

Одними из наиболее продуктивных считаются эксперименты с изотопом ⁷⁶Ge., схема распада которого приведена на Рис.

2.5 Спонтанное деление

2.5.1 Самопроизвольное деление тяжелых ядер

Деление ядра - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами).

Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Четвертым видом радиоактивности, открытым в 1940 Г.Н.Флеровым и К.А.Петржаком под руководством И.В.Курчатова, оказалось самопроизвольное (спонтанное) деление ядер, в процессе которого некоторые достаточно тяжелые ядра распадаются на два осколка с примерно равными массами. Спонтанное (самопроизвольное) деление впервые было обнаружено для природного урана. Ядра урана могут делиться различным образом, давая два осколка (например, ₅₆Ba-₃₆Kr, ₅₄Xe-₃₈Sr и т.п.).

Спонтанное деление (f-распад) - самопроизвольный распад тяжёлых ядер на два (редко - три или четыре) осколка , при котором ядро расщепляется без всякого внешнего вмешательства, т.е. без привнесения энергии.

Как и любой другой вид радиоактивного распада, спонтанное деление характеризуется периодом полураспада (периодом деления).

Период полураспада для спонтанного деления меняется для разных ядер в

очень широких пределах (от 10¹⁸ лет для ₉₃Np²³⁷ до нескольких десятых долей секунды для далёких трансурановых элементов). Период полураспада уменьшается с ростом параметра делимости Z²/A (Рис. 1а - деление чётно-чётных ядер) и числа нейтронов в ядре (Рис. 1б). При изменении Z²/A от 34,3 для ²³²Th до 41,5 для ²⁶⁰Ku период спонтанного деления уменьшается ~ в 10³⁰ раз.



При делении ядер высвобождается несколько нейтронов и значительное количество энергии (около 210 МэВ). Эта энергия освобождается в основном в форме кинетической энергии (около 170 МэВ) двух фрагментов ядра, которые разлетаются в противоположном направлении с большой скоростью и несут высокий положительный заряд. При прохождении через кристаллическую решетку твердого вещества эти фрагменты и формируют линейные дефекты, называемые треками . Треки от атомов отдачи при делении образуются и в других материалах: слюдах, полимерных плёнках и т.п.

Способность спонтанного деления характерна только для нуклидов с атомным номером Z?90 и атомной массой А?230, это Th, Pa, U, Np, Pu, и др. Но только ²³²Th и два изотопа урана (²³⁵U и ²³⁸U) встречаются в природных материалах в концентрациях, которые могут быть измерены. Природный уран содержит 99,3 % ²³⁸U и лишь 0,7 % ²³⁵U. Треки спонтанного деления, наблюдаемые в природных материалах, в основном сформированы за счет деления ²³⁸U. Два других изотопа урана и торий имеют слишком низкое содержание и/или гораздо более длинный период полураспада, чтобы производить количество треков спонтанного деления сравнимое с количеством треков распада ²³⁸U.

2.5.2 Механизм деления

Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом A>90. Однако, даже самые тяжёлые ядра самопроизвольно делятся с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер, препятствующий делению. Этот барьер W_f равен разности между максимальным значением потенциальной энергии и её значением для исходного состояния, именно он препятствует самопроизвольному делению тяжёлых ядер. Разность между начальным значением потенциальной энергии и её минимальным конечным значением равна энергии реакции деления Q_f.

В процессе деления ядро изменяет форму - последовательно проходит через следующие стадии : шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка.

Рис. Процесс деления ядра в рамках капельной модели

Начальная стадия деления - медленное изменение формы ядра, при котором появляется шейка, соединяющая два ещё не полностью сформированных осколка. Время прохождения этой стадии (10^-14 - 10^-18 сек) зависит от того, насколько сильно возбуждено делящееся ядро. Постепенно шейка утоньшается, и в некоторый момент происходит её разрыв. Образующиеся осколки с большой энергией разлетаются в противоположные стороны. После того как деление произошло, и осколки находятся друг от друга на расстоянии, много большем их радиуса, потенциальную энергию осколков, определяемую кулоновским взаимодействием между ними, можно считать равной нулю.

Деформация ядра при делении сопровождается изменением его потенциальной энергии. Для того чтобы ядро достигло формы, предшествующей его разрыву, необходима затрата определённой энергии для преодоления потенциального барьера, называемого барьером деления. Эту энергию обычно ядро получает извне, в результате той или иной ядерной реакции (например, при захвате нейтрона).

Рис. Изменение потенциальной энергии в ходе деформации ядра

Описание на основе капельной модели не в состоянии объяснить некоторые существенные особенности процесса деления, в частности, асимметрию масс осколков. Кроме того, параметры спонтанно делящихся ядерных изомеров и характер зависимости сечения реакции деления от энергии вызывающих её нейтронов свидетельствуют о том, что барьер деления тяжёлых ядер имеет не один, а два максимума (двугорбый барьер деления), между которыми находится вторая потенциальная яма.

Эти особенности деления получают своё объяснение при учёте оболочечных поправок к энергии, вычисляемой с помощью капельной модели. Оболочечные эффекты выражаются в увеличении или уменьшении плотности уровней энергии ядра; они присущи как сферически симметричным, так и деформированным состояниям ядер. Учёт этих эффектов усложняет зависимость энергии от параметра деформации по сравнению с капельной моделью. Для большинства ядер актиноидов в этой зависимости появляется вторая потенциальная яма, соответствующая сильной деформации ядра. Глубина этой ямы меньше глубины первой ямы (соответствующей основному состоянию ядра) на 2-4 МэВ.

2.5.3 Продукты деления

Образующиеся при делении осколки должны быть в-радиоактивными и могут испускать нейтроны. Это следует из того, что по мере увеличения заряда ядра отношение числа нейтронов в ядре к числу протонов увеличивается из-за увеличения кулоновской энергии протонов. Поэтому ядра-осколки будут иметь при делении такое же отношение N/Z, как, скажем, у урана, т. е. будут перегружены нейтронами, а такие ядра испытывают в-распад (ввиду большой перегрузки нейтронами продукты этого распада также в- активны, так что осколки деления дают начало достаточно длинным цепочкам из радиоактивных ядер). Кроме того, часть энергии может уноситься в результате непосредственного испускания нейтронов деления или вторичных нейтронов.

В момент разрыва ядра осколки сильно деформированы, но по мере их удаления друг от друга деформация уменьшается, что приводит к увеличению их внутренней энергии. В дальнейшем энергия возбуждения осколков уменьшается в результате испускания ими нейтронов и г-квантов. Когда энергия возбуждения осколков становится меньше энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, эмиссия нейтронов прекращается и начинается интенсивное испускание г-квантов. В среднем наблюдается 8-10 г-квантов на 1 акт деления. Так как разрыв шейки ядра может происходить по-разному, то масса, заряд и энергия возбуждения осколков колеблются от одного акта деления к другому. Число нейтронов н, испущенных при делении, также колеблется.

При делении ядра обычно образуются два осколка с массовыми числами А₁ и А₂ и зарядами Z₁ и Z₂, а также г -излучение, нейтрино и в среднем от двух до трех нейтронов. Примером может служить реакция:

²⁵²Cf ¹⁰⁸Ru + ¹⁴⁰Xe + 4n + Q

Деление тяжёлых ядер сопровождается выделением энергии.

В тяжёлых ядрах из-за больших сил электростатического расталкивания нуклоны связаны друг с другом слабее, чем в осколках - ядрах середины периодической системы элементов. Поэтому масса тяжёлого ядра больше суммы масс образующихся осколков. Разница в массах соответствует

энергии, выделяемой при делении. Значительная часть этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков, равной энергии электростатического отталкивания двух соприкасающихся осколков в момент разрыва ядра на две части. Суммарная кинетическая энергия осколков несколько увеличивается по мере возрастания Z делящегося ядра и составляет для ядер урана и трансурановых элементов величину ~ 200 МэВ.

Осколки быстро тормозятся в среде, вызывая её нагревание, ионизацию и нарушая её структуру. Преобразование кинетической энергии осколков деления в тепловую энергию (нагревание ими окружающей среды) является основой использования ядерной энергии.

2.6 Запаздывающее деление

Запаздывающее деление наблюдается в случае, когда делению ядра предшествует в-распад.



На Рис. показано, как изменяется полная энергия ядра в зависимости от деформации в модели жидкой капли (штриховая кривая) и с учетом оболочечных эффектов (сплошная кривая). Существенным является то, что появляются две потенциальные ямы, разделенные барьером.

Рассмотрим разные случаи, приводящие к запаздывающему делению.

1. Энергия уровня E_i меньше энергии отделения нейтрона B_n (E_i<B_n). В этом случае произойдет деление ядра, так как ширина радиационных переходов в низшие свободные состояния Г_г значительно меньше делительной ширины Г_f (Г_г<<Г_f).

2. В случае если E_i>B_n, то вероятность деления с уровня E_i будет определяться конкуренцией между испусканием запаздывающих нейтронов и запаздывающим делением

W_f(E_i) = Г_f(E_i)/( Г_г (E_i) +Г_f(E_i)).

3. Энергия уровня E_i расположена между энергией второго барьера E_b и энергией второго минимума E_min. В этом случае деление происходит из состояний во второй потенциальной яме. При этом если ядро в результате в-распада сразу оказывается в состояниях второй потенциальной ямы, то вероятность запаздывающего деления будут зависеть от вероятности прохождения через барьер второй потенциальной ямы. Если ядро после в-распада оказывается в состоянии первой потенциальной ямы, то вначале оно должно в результате г-перехода перейти в состояние второй потенциальной ямы и затем только происходит деление.

В результате исследований механизма запаздывающего деления сформировалось современное представление о двугорбом барьере деления, зависимости его параметров от N и Z, существенном влиянии ядерных оболочек на энергию деформации ядра.

2.7 Протонная радиоактивность

В открытии новых типов распада существенную роль сыграли пучки радиоактивных ядер.

Начиная с 50-х годов, физики методично приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того, чтобы ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была положительной. Протонную

радиоактивность открыли в 1982 немецкие физики в Дармштадте, использовавшие самый мощный в мире ускоритель многозарядных ионов. Испускание протонов из основного состояния впервые наблюдалось для ядер ¹⁴⁷Tm и ¹⁵¹Lu.

Протонная радиоактивность - самопроизвольный распад нейтронодефицитных ядер с испусканием протона, проникающего сквозь кулоновский электростатический барьер путём туннельного эффекта. Этот вид распада приводит к уменьшению заряда и массового числа на единицу.

Для очень нейтронодефицитного (то есть, обогащённого протонами) ядра, значения энергии распада с эмиссией протона, Q_p, становятся положительными. Основанная на капельной модели линия, описывающая местоположение ядер, где Q_p становится положительным для распада из основного состояния, показана на Рис.

Ядра, расположенные слева от этой линии способны к протонной радиоактивности.

Протонный распад похож на б-распад, но в каком-то смысле проще, поскольку б-частица, прежде чем вылететь из ядра, должна сформироваться в нём, а протону это не нужно.

Измерения протонного распада затруднены из-за низких энергий и коротких периодов полураспада. Часто, к протонному распаду примешиваются

б -распады, что ещё больше усложняет ситуацию.

В последнее время (2005) появились сообщения, что у некоторых протонообогащенных (нейтронодефицитных) ядер наблюдается распад с вылетом нескольких протонов и более тяжелых заряженных частиц.

2.8 Нейтронная радиоактивность

Испускание нейтрона может происходить в цепочке распада, когда энергия возбуждения дочернего ядра превышает энергию связи нейтрона. При этом массовое число уменьшается на единицу.

Пример испускания запаздывающих нейтронов:

¹⁷NРазмещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

¹⁷O^*Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

¹⁶O + n



Бета-распад может приводить к образованию ядер в возбужденных состояниях с энергией больше энергии отделения нейтрона. Распад этих состояний может происходить с эмиссией нейтронов. В настоящее время известно свыше 150 ядер излучателей запаздывающих нейтронов.

Область ядер, в которой могут располагаться излучатели запаздывающих нейтронов оценивается на основе масс атомных ядер. Она простирается от самых легких ядер до тяжелых. Вероятность испускания запаздывающих нейтронов P_n зависит от степени заселения в ядре (Z+1,N-1) состояний выше нейтронного порога B_n и конкуренции между распадами этих состояний с испусканием нейтронов и г-квантов.

Двунейтронная радиоактивность - не предел: у ядер, сильно обогащенных нейтронами, таких, как ¹¹Li, ¹⁷B, наблюдается распад с вылетом 2, 3 и даже 4-х нейтронов! Такие экзотические распады сейчас активно исследуют в поисках систем из связанных 2, 3 и 4-х нейтронов.

2.9 Кластерная радиоактивность

Кламстерная радиоактимвность, кластерный распад -- явление самопроизвольного испускания ядрами ядерных фрагментов (кластеров) тяжелее, чем б-частица.

В настоящее время экспериментально обнаружено 25 ядер от ¹¹⁴Ba до ²⁴¹Аm (почти все они -- тяжёлые), испускающих из основных состояний кластеры типа ¹⁴С, ²⁰О, ²⁴Ne, ²⁶Ne, ²⁸Mg, ³⁰Mg, ³²Si и ³⁴Si. Энергии относительного движения вылетающего кластера и дочернего ядра Q меняются от 28 до 94 МэВ и во всех случаях оказываются заметно меньшими высоты потенциального барьера V_B. Таким образом, кластерный распад, как и альфа-распад, обусловлен туннельным эффектом -- запрещённым в классической физике прохождением частицы сквозь потенциальный барьер.

Кластерный распад можно рассматривать как процесс, промежуточный между альфа- распадом и спонтанным делением ядра.

Кластерная радиоактивность была открыта в 1984 году исследователями Оксфордского университета, которые зарегистрировали испускание ядра углерода ¹⁴C ядром радия ²²³Ra, происходившее в среднем один раз на миллиард (10⁹) альфа-распадов.

²²³Ra > ¹⁴C + ²⁰⁹Pb

2.10 Бета-распад полностью ионизированного атома

Необычный распад был впервые обнаружен в 1992 году. Речь идёт о в^--распаде полностью ионизированного атома на связанные атомные состояния. Ядро диспрозия, ¹⁶³Dy, на N-Z диаграмме атомных ядер помечено черным цветом. Это означает, что оно является стабильным ядром. Действительно, входя в состав нейтрального атома, ядро ¹⁶³Dy стабильно. Его основное состояние (5/2⁺) может заселяться в результате e-захвата из основного состояния (7/2⁺) ядра гольмия, ¹⁶³Ho. Ядро ¹⁶³Ho, окруженное электронной

оболочкой, в-радиоактивно и его период полураспада составляет ~10⁴ лет. Однако это справедливо только если рассматривать ядро в окружении электронной оболочки. Для полностью ионизированных атомов

картина принципиально другая. Теперь основное состояние ядра ¹⁶³Dy оказывается по энергии выше основного состояния ядра ¹⁶³Ho и открывается возможность для распада ¹⁶³Dy (Рис).



Рис. Схема в-распада полностью ионизованного ¹⁶³Dy.

Процесс эквивалентен электронному захвату:

₆₆¹⁶³Dy⁶⁶⁺Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

₆₇¹⁶³Ho⁶⁷⁺ + e^- + н^-

Образующийся в результате распада электрон может быть захвачен на вакантную К или L-оболочку иона ₆₇¹⁶³Ho⁶⁷⁺ .

В результате распад диспрозия-163 можно записать в виде:

₆₆¹⁶³Dy⁶⁶⁺Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

₆₇¹⁶³Ho⁶⁶⁺ + н^- + e^-

2.11 Двухпротонная радиоактивность

Новый тип радиоактивного распада -- двухпротонная радиоактивность -- был предсказан В.И. Гольданским в 1960 г., а открыт лишь в 2002г. Явление двухпротонной радиоактивности состоит в том, что атомное ядро спонтанно испускает два протона из основного состояния. Этот тип радиоактивного распада обусловлен спариванием протонов в атомных ядрах. В некоторых случаях от ядра с чётным числом протонов Z оказывается легче оторвать сразу два протона, чем один «чётный» протон. Двухпротонная радиоактивность должна наблюдаться вблизи границы протонной радиоактивности в атомных ядрах , имеющих чётное число протонов.

Рис. Энергетические диаграммы испускания ядром (A,Z) одного и двух протонов.

Создание пучков радиоактивных ядер позволило исследовать атомные ядра с существенно иным соотношением между числом протонов Z и числом нейтронов N в ядре N/Z, чем в области стабильных ядер. Для ядер, удаленных от полосы в-стабильности обнаруживаются новые явления. В ядрах, расположенных вблизи границы протонной радиоактивности, где сильные взаимодействия нуклонов уже не в состоянии удержать протон, для нечетных по Z ядер имеет место протонная радиоактивность, в то время как для четных по Z ядер среднего массового числа A и тяжелых ядер в результате спаривания протонов становится возможным испускание двух протонов.

На рис. показаны возможные энергетические диаграммы испускания ядром (A,Z) одного и двух протонов. На рис.а показан случай, когда исходное ядро (A,Z) неустойчиво как к испусканию одного, так и к испусканию двух протонов. На рис.б показан случай, когда ядро (A,Z) может непосредственно распадаться как с испусканием двух протонов так и в результате цепочки последовательных распадов (A,Z) > (A-1,Z-1) + p > (A-2,Z-2) + 2p. В этом случае в конечном состоянии также образуются два протона, но необходимо, чтобы образовавшееся в результате испускания первичного протона промежуточное ядро (A-1,Z-1) было неустойчиво к испусканию второго протона.

В случае, показанном на рис.в, возможен прямой распад ядра (A,Z) с испусканием двух протонов и образованием конечного ядра (A-2,Z-2). Распад ядра (A,Z) на состояния ядра (A-1,Z-1) энергетически запрещён. Т.е. в этом случае может происходить прямой распад с испусканием двух протонов из основного состояния ядра (A,Z).

Какой из рассмотренных случаев приводит к двухпротонной радиоактивности зависит не только от соотношения масс ядер (A,Z),

(A-1,Z-1), (A-2,Z-2), но и от ширин основных состояний ядер (A,Z),

(A-1,Z-1).

Из теоретических работ, выполненных к 2000 г., следовало, что наилучшими кандидатами для поиска двухпротонной радиоактивности являются изотопы ⁴⁵Fe, ⁴⁸Ni и ⁵⁴Zn, т.к. их энергии двухпротонного распада составляют 1.1-1.8 МэВ, а однопротонный распад подавлен по энергии из-за узкой ширины основных состояний, образующихся при испускании одного протона.

Явление двухпротонной радиоактивности было впервые обнаружено в изотопе ⁴⁵Fe. Для надежной идентификации двухпротонной радиоактивности было необходимо надежно отделить эти события от однопротонного распада и двухпротонного распада, сопровождающего в-распад. Двухпротонный распад является основным каналом распада изотопа ⁴⁵Fe. На рис. приведена энергетическая диаграмма распада изотопа ⁴⁵Fe.



Рис.. Схема распада изотопа ⁴⁵Fe, на котором впервые была обнаружена двухпротонная радиоактивность

Для исследования процессов, происходящих при распаде ядер вблизи границы протонной радиоактивности, необходимо было создать новые типы детекторов, имеющих большую эффективность регистрации продуктов распада и высокое пространственное разрешение.

Первые эксперименты по обнаружению двухпротонного распада из основного состояния были выполнены на телескопах из кремниевых детекторов. С помощью этой методики можно было надёжно измерять:

· суммарную энергию двух протонов

· период полураспада изотопа

· долю канала 2p-распада из основного состояния

· убедиться в том, что нет совпадений с в-распадом, т.е. 2p-распад происходит из основного состояния ядра, а не является испусканием двух запаздывающих протонов в2p.

Однако для более надёжной идентификации канала 2p-распада было желательно измерить энергии каждого из протонов. Для решения этой задачи были созданы:

· оптическая время-проекционная камера OTPC

· временная проекционная камера TPC

Заключение

В данной работе были рассмотрены различные виды радиоактивного распада. Исследования видов радиоактивных распадов атомных ядер продолжается и в настоящее время. Особый интерес проявляется к изучению протонного распада, поскольку в этом случае удается получить уникальную информацию о структуре ядер, лежащих за пределами границ нуклонной устойчивости ядер.

Приведенный выше обзор, иллюстрирующий развитие представлений о природе радиоактивности атомных ядер за целое столетие, демонстрирует явное ускорение темпов получения новых знаний в этой области особенно в последние 25 лет.



Список литературы

1. Кирсанова З.В. «Радиоактивность: открытие, виды радиоактивности, основные закономерности и количественные характеристики»: Учебное пособие. Изд.: Издательство МГОУ, 2006 г.

2. Профессор И.Н.Бекман «Ядерная физика» :Издательство МГУ ,2010 г., ст 511

3. Журнал «Наука и Жизнь»

4. Михайлов М.А. «Ядерная физика и физика элементарных частиц»: В 2-х ч. Ч. 1: Учебное пособие, Издательство: МПГУ, 2011 г.

5. Несмеянов Ан.Н. «Радиохимия». М., 1978.

6. Вдовенко В.М. «Современная радиохимия». М., 1969.

7. Ракобольская И.В. «Ядерная физика», Издательство Московского университета,1971г.

Электронно-библиотечные системы (ЭБС)

1. КнигаФонд - www.knigafund.ru

2. Университетская библиотека онлайн - www.biblioclub.ru

3. Ibooks - http://ibooks.ru

Размещено на Allbest.ru

...