Типы радиоактивных превращений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

ядерный реакция атом

Введение

1. Радиоактивность

1.1 Типы радиоактивных превращений

2. Механизмы, б-распада и в-распада

2.1 б-распад

2.2 в-распад

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем (А.Н. Becquerel), который обнаружил излучение урана, способное вызывать почернение фотоэмульсии и ионизировать воздух. Кюри-Склодовская (М. Curie-Sklodowska) первая измерила интенсивность излучения урана и одновременно с немецким ученым Шмидтом (G.С. Schmidt) обнаружила радиоактивность у тория. Свойство изотопов самопроизвольно испускать невидимое излучение супруги Кюри назвали радиоактивностью. В июле 1898 г. они сообщили об открытии ими в урановой смоляной руде нового радиоактивного элемента полония. В декабре 1898 г. совместно с Бемоном (G. Bemont) они открыли радий. Все это говорит о том что после того как впервые обнаружили радиоактивность одного из элементов, ученые стали изучать радиоактивность других элементов, все глубже изучая радиоактивность.

В своем реферате я рассмотрел основные виды радиоактивных превращений, историю их открытия, особенности протекания некоторых реакций, Механизмы некоторых распадов, б-распада и в-распада.

1. Радиоактивность

Радиоактивность -- это способность атомов некоторых изотопов самопроизвольно распадаться, испуская излучение. Впервые такое излучение, испускаемое ураном, обнаружил Беккерель, поэтому вначале радиоактивные излучения называли лучами Беккереля. Основной вид радиоактивного распада -- выбрасывание из ядра атома альфа-частицы -- альфа или бета-частицы -- бета-распад.

При радиоактивном распаде исходный атом превращается в атом другого элемента. В результате выбрасывания из ядра атома альфа-частицы, представляющей собой совокупность двух протонов и двух нейтронов, массовое число образующегося атома уменьшается на четыре единицы, и он оказывается сдвинутым в таблице Д.И. Менделеева на две клетки влево, так как порядковый номер элемента в таблице равен числу протонов в ядре атома. При выбрасывании бета-частицы (электрон) происходит превращение в ядре одного нейтрона в протон, вследствие чего образующийся атом оказывается сдвинутым в таблице Д.И. Менделеева на одну клетку вправо. Масса его при этом почти не изменяется. Выбрасывание бета-частицы сопряжено обычно с гамма-излучением.

Распад любого радиоактивного изотопа происходит по следующему закону: число распадающихся в единицу времени атомов (n) пропорционально числу атомов (N), имеющихся в наличии в данный момент времени, т. е. n=лN; коэффициент л, называется постоянной радиоактивного распада и связан с периодом полураспада изотопа (Т) соотношением л= 0,693/T. Указанный закон распада приводит к тому, что за каждый отрезок времени, равный периоду полураспада Т, количество изотопа уменьшается вдвое. Если образующиеся в результате радиоактивного распада атомы оказываются тоже радиоактивными, то происходит их постепенное накопление, пока не установится радиоактивное равновесие между материнским и дочерним изотопами; при этом число атомов дочернего изотопа, образующихся в единицу времени, равно числу атомов, распадающихся за то же время.

Известно свыше 40 естественных радиоактивных изотопов. Большая часть их расположена в трех радиоактивных рядах (семействах): урана-радия, тория и актиния. Все указанные радиоактивные изотопы широко распространены в природе. Присутствие их в горных породах, водах, атмосфере, растительных и живых организмах обусловливает естественную или природную радиоактивность.

Кроме естественных радиоактивных изотопов, сейчас известно около тысячи искусственно радиоактивных. Получают их путем ядерных реакций, в основном в ядерных реакторах. Многие естественные и искусственно радиоактивные изотопы широко используются в медицине для лечения и особенно для диагностики заболеваний. Радиоактивность (от лат. radius -- луч и activus -- действенный) -- способность неустойчивых ядер атомов самопроизвольно превращаться в другие, более устойчивые или стабильные ядра. Такие превращения ядер называются радиоактивными, а сами ядра или соответствующие атомы -- радиоактивными ядрами (атомами). При радиоактивных превращениях ядра испускают энергию либо в виде заряженных частиц, либо в виде гамма-квантов электромагнитного излучения или гамма-излучения.

1.1 Типы радиоактивных превращений

Превращения, при которых ядро одного химического элемента превращается в ядро другого элемента с другим значением атомного номера, называют радиоактивным распадом. Радиоактивные изотопы, образовавшиеся и существующие в природных условиях, называют естественно радиоактивными; такие же изотопы, полученные искусственным путем посредством ядерных реакций,-- искусственно радиоактивными. Между естественно и искусственно радиоактивными изотопами нет принципиальной разницы, так как свойства ядер атомов и самих атомов определяются только составом и структурой ядра и не зависят от способа их образования.

Радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем (А.Н. Becquerel), который обнаружил излучение урана, способное вызывать почернение фотоэмульсии и ионизировать воздух. Кюри-Склодовская (М. Curie-Sklodowska) первая измерила интенсивность излучения урана и одновременно с немецким ученым Шмидтом (G.С. Schmidt) обнаружила радиоактивность у тория. Свойство изотопов самопроизвольно испускать невидимое излучение супруги Кюри назвали радиоактивностью. В июле 1898 г. они сообщили об открытии ими в урановой смоляной руде нового радиоактивного элемента полония. В декабре 1898 г. совместно с Бемоном (G. Bemont) они открыли радий.

После открытия радиоактивных элементов ряд авторов (Беккерель, супруги Кюри, Резерфорд и др.) установил, что эти элементы могут испускать три вида лучей, которые по-разному ведут себя в магнитном поле. По предложению Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) эти лучи были названы альфа, бета- и гамма-лучами. Альфа-лучи состоят из положительно заряженных альфа-частиц (дважды ионизированных атомов гелия Не4); бета-лучи-- из отрицательно заряженных частиц малой массы -- электронов; гамма-лучи по природе аналогичны рентгеновым лучам и представляют собой кванты электромагнитного излучения.

В 1902 г. Резерфорд и Содди (F. Soddy) объяснили явление радиоактивности самопроизвольным превращением атомов одного элемента в атомы другого элемента, происходящим по законам случайности и сопровождающимся выделением энергии в виде альфа-, бета-и гамма-лучей.

В 1910 г. М. Кюри-Склодовская вместе с Дебьерном (A. Debierne) получила чистый металлический радий и исследовала его радиоактивные свойства, в частности измерила постоянную распада радия. Вскоре был открыт ряд других радиоактивных элементов. Дебьерн и Гизель (F. Giesel) открыли актиний. Ган (О. Halm) открыл радиоторий и мезоторий, Болтвуд (В.В. Boltwood) открыл ионий, Ган и Майтнер (L. Meitner) открыли протактиний. Все изотопы этих элементов радиоактивны. В 1903 г. Пьер Кюри и Лаборд (С.A. Laborde) показали, что препарат радия имеет всегда повышенную температуру и что 1 г радия с продуктами его распада за 1 час выделяет около 140 ккал. В этом же году Рамзай (W. Ramsay) и Содди установили, что в запаянной ампуле с радием содержится газообразный гелий. Работами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Дебьерна и Гизеля было показано, что среди продуктов распада урана и тория имеются быстрораспадающиеся радиоактивные газы, названные эманациями радия, тория и актиния (радон, торон, актинон). Таким образом, было доказано, что при распаде атомы радия превращаются в атомы гелия и радона. Законы радиоактивных превращений одних элементов в другие при альфа- и бета-распадах (законы смещения) были впервые сформулированы Содди, Фаянсом (К. Fajans) и Расселлом (W.J. Russell).

Эти законы заключаются в следующем. При альфа-распаде всегда из исходного элемента получается другой, который расположен в периодической системе Д.И. Менделеева на две клетки левее исходного элемента (порядковый или атомный номер на 2 меньше исходного); при бета-распаде всегда из исходного элемента получается другой элемент, который расположен в периодической системе на одну клетку правее исходного элемента (атомный номер на единицу больше, чем у исходного элемента).

Изучение превращений радиоактивных элементов привело к открытию изотопов, т. е. атомов, которые обладают одинаковыми химическими свойствами и атомными номерами, но отличаются друг от друга по массе и по физическим свойствам, в частности по радиоактивным свойствам (типу излучения, скорости распада). Из большого количества открытых радиоактивных веществ новыми элементами оказались только радий (Ra), радон (Rn), полоний (Ро) и протактиний (Ра), а остальные -- изотопами ранее известных урана (U), тория (Th), свинца (Pb), таллия (Tl) и висмута (Bi).

После открытия Резерфордом ядерной структуры атомов и доказательства, что именно ядро определяет все свойства атома, в частности структуру его электронных оболочек и его химические свойства (см. Атом, Ядро атомное), стало ясно, что радиоактивные превращения связаны с превращением атомных ядер. Дальнейшее изучение строения атомных ядер позволило полностью расшифровать механизм радиоактивных превращений.

Первое искусственное превращение ядер -- ядерная реакция -- было осуществлено Резерфордом в 1919 г. путем бомбардировки ядер атомов азота альфа-частицами полония. При этом ядра азота испускали протоны (см.) и превращались в ядра кислорода О17. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора бомбардируя альфа-частицами атомы Al. Ядра P30 в отличие от ядер естественно радиоактивных изотопов, при распаде испускали не электроны, а позитроны и превращались в стабильные ядра кремния Si30. Таким образом, в 1934 г. были одновременно открыты искусственная радиоактивность и новый вид радиоактивного распада -- позитронный распад, или в+-распад. Супруги Жолио-Кюри высказали мысль о том, что все быстрые частицы (протоны, дейтоны, нейтроны) вызывают ядерные реакции и могут быть использованы для получения естественно радиоактивных изотопов. Ферми (Е. Fermi) бомбардируя нейтронами различные элементы, получил радиоактивные изотопы почти всех химических элементов. В настоящее время при помощи ускоренных заряженных частиц и нейтронов осуществлено большое разнообразие ядерных реакций, в результате которых стало возможным получать любые радиоактивные изотопы.

В 1937 г. Альварес (L. Alvarez) открыл новый вид радиоактивного превращения -- электронный захват. При электронном захвате ядро атома захватывает электрон с оболочки атома и превращается в ядро другого элемента. В 1939 г. Ган и Штрассманн (F. Strassmann) открыли деление ядра урана на более легкие ядра (осколки деления) при бомбардировке его нейтронами. В том же году Флеров и Петржак показали, что процесс деления ядер урана осуществляется и без внешнего воздействия, самопроизвольно. Тем самым они открыли новый вид радиоактивного превращения -- самопроизвольное деление тяжелых ядер.

В настоящее время известны следующие виды радиоактивных превращений, совершающихся без внешних воздействий, самопроизвольно, в силу только внутренних причин, обусловленных структурой атомных ядер.

2. Механизмы б-распада и в-распада

2.1 б-распад

Явление б-распада состоит в том, что ядро самопроизвольно испускает б-частицу и превращается в другое ядро с массовым числом, на 4 единицы меньшим, и с атомным номером, меньшим на 2 единицы:

Исходное ядро часто называют материнским, а получающееся после распада ядро - дочерним. Основными характеристиками б-распада, как и всякого радиоактивного процесса, является область ядер, у которых наблюдается распад, а также периоды полураспада и энергии вылетающих б-частиц.

Перечислим характерные эмпирические особенности б-распада.

а) б-распад идет только для тяжелых ядер, известно более 2000 б-активных ядер. Почти все эти ядра относятся к концу периодической системы ядер и имеют Z>83. Существует еще небольшая группа б-активных ядер в области редких земель, то есть при А=140-160. Z>60.

б) Периоды полураспадов б-активных ядер варьируются в широчайших пределах: 10^-7 с<T<1017лет.

в) С другой стороны, энергии вылетающих б-частиц заключены в довольно жестких пределах, а именно , (4ч9) МэВ для тяжелых ядер и (2ч4,5) МэВ для ядер в области редких земель, причем энергия б-частиц растет с ростом Z.

Пожалуй, самым ярким и удивительным свойством б-распада является очень сильная зависимость Т1/2 от энергии вылетающих частиц. Уменьшение энергии на 1% может увеличить Т1/2 в 10 раз, а уменьшение энергии на 10% изменяет на 2ч3 порядка. Например, самые медленные б-частицы, испускаемые (Th)^232, имеют энергию =4 МэВ, а Т(1/2 для них =1,4*1010 лет. Самые быстрые б-частицы вылетают из ядер ThC^' (Po)^212) с энергией 10,5 МэВ, а Т_1/2 = 3*10^-7 с, то есть в 1024 раз <, чем у Th.

Период полураспада Т1/2 можно измерить непосредственно по убыванию активности со временем, а также определить по количеству распадов в единицу времени или векового равновесия. Пробеги б-частиц в разных средах измеряют различными методами, с помощью камеры Вильсона, пузырьковых камер, фотографической эмульсии. Энергия б-частиц в первых опытах определялась по их пробегу.

Переход от пробегов к энергии производится при помощи эмпирических или теоретических формул. В первом приближении пробег б-частиц в воздухе связан с ее энергией степенной функцией вида:

R(см)?0,3T_б^(3/2) (МэВ)

В 1911 г Гейгер и Нэттол нашли экспериментально, что для б-радиоактивных элементов всех 3-х радиоактивных семейств существует зависимость между постоянной распада - л и пробегом б-частицы Rб:

lgл=AlgR_б+B

Так как пробег и энергия б-частицы связаны степенной функцией, то закон Гейгера-Нэттола можно записать в другой форме:

lgл=A'lgT_б+B'

В логарифмических координатах он приблизительно передается 3-мя параллельными прямыми. Прямая 1 соответствует семейству U, 2 -семейству Th и 3 - семейству AсU. Значение закона Гейгера-Нэттола заключается в том, что с его помощью можно найти л таких ядер, для которых неприменим непосредственный метод определение Т_1/2 (например, для длиннопробежных б-частиц).

б-частицы для ядер определенного сорта имеют одну и ту же определенную энергию рассматриваемую в рисунке 1. Более прецизионные измерения показывают, однако, что спектр вылетающих б-частиц обычно имеет тонкую структуру, то есть состоит из нескольких близких друг к другу энергий. Существует два случая б-распада интересные тем, что соответствующие ядра (ThC' и RaC') наряду с основной группой б-частиц испускают очень небольшое количество, так называемых длиннопробежных б-частиц с большей энергией.

Рисунок 1. Энергия частицы

2.2 в-распад

в-распадом называют процесс превращения нестабильного ядра в изобару - ядро с зарядом, отличным от исходного на , сопровождаемый испусканием e^- (e ⁺) или захватом e^- с оболочки атома. Одновременно ядро испускает или .

Таким образом известны 3 вида в-распада: в^-, в⁺ и e-захват (к-захват):

Простейшим примером в-распада является распад свободного нейтронапо схеме .

За счет этого процесса и рождается электрон внутри ядра.

Распад свободного протона невозможен энергетически, так как m_p<m_n. Внутри же ядра такой процесс может идти за счет энергии ядра.

К в-распадным явлениям относится также электронный захват, при котором ядро захватывает электроны с атомной оболочки и испускает нейтрино .

Чаще всего захват происходит с к-оболочки и поэтому процесс называется К-захватом, но он возможен и для других оболочек. При .

Явление К-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, возникающим, когда освободившееся место (K,L) заполняется электронами, находящимся на более высоких уровнях. При таком переходе должен испуститься рентгеновский квант. Это заполнение вакантного места может произойти и с передачей энергии электрону последней оболочки (вылет из атома одного из электронов наружных оболочек за счет освобождения энергии при переходе другого электрона на К-оболочку из менее связанной оболочки без испускания рентгеновского кванта), то есть возникновением электронов Оже с энергией, равной разности энергии последней оболочки и К-оболочки.

Поскольку электроны и н не входят в состав ядра, они рождаются в процессе самого распада. Главной особенностью в-распада является то, что он обусловлен не ядерными и не электромагнитными силами, а третьим из четырех типов фундаментальных взаимодействий в природе - слабыми взаимодействиями. Бета-распад - процесс не внутриядерный, а внутрикулонный. В ядре распадается одиночный нуклон. С другой стороны, для того, чтобы выполнились законы сохранения энергии и момента, ядро при в-распаде должно перестраиваться. Поэтому , а так же другие характеристики в-распада в сильнейшей степени зависят от того, насколько сложна эта перестройка. В результате периоды в-распада варьируются в столь же широких пределах, как и периоды б-распада. Таким образом, если б-распад представляет собой чисто ядерное явление, то в-активные процессы - явление гораздо более сложное, связанное с теорией слабых взаимодействий, так и со структурой ядра.

Кулоновский барьер при в-распаде можно не обсуждать. Он есть лишь для позитронов, образовавшихся внутри ядра. Главное то, что соотношение неопределенностей запрещает долго оставаться внутри ядра. Покажем это.

Характерные энергии в-распада таковы, что , где - относительный импульс лептонной пары при в-распаде, а - радиус ядра. Таким образом, имеем неравенство . В то же время, поскольку неопределенность в импульсе электрона и неопределенность в его координате , то из этого неравенства следует , что противоречит соотношению неопределенностей . Таким образом, электрон в-распада не может долго оставаться в ядре, не нарушая соотношения неопределенностей. Времена в-распада лежат в интервале 0,1с10¹⁷ лет. б-распад, за который ответственны ядерные силы, может происходить за короткие(до 3*10^-7с). На малую интенсивность слабых взаимодействий и большое время жизни нейтрона ( 15 мин)указывает то, что г-распад со сравнимой энергией выделения (0,78 МэВ) идет в среднем за 10^-12 с. За счет того что интенсивность слабых взаимодействии на 24 порядка < ядерных, в-активных ядер в среднем имеют порядок минут и часов, а пределы изменения от 10^-2с дол 10¹⁸ лет (2*10¹⁵ лет). Для в-распада, как правило несуществен кулоновский барьер, несмотря на то, что вылетающие позитроны положительно заряжены, а их энергии часто < энергий распадных б-частиц. Это связано с тем, что у позитрона очень мала масса и, следовательно, велик импульс. Поэтому позитрон не может долго находится в ядре без нарушения соотношения неопределенностей.

Если б-распад наблюдается только у самых тяжелых ядер и некоторых редкоземельных, то в-активные ядра гораздо более многочисленны и имеются во всей области значений массового числа А, начиная от 1 (свободный нейтрон) и кончая массовыми числами самых тяжелых ядер. Энергия в-распада заключена в пределах от 18 кэВ (для ) до 16,6 МэВ (для ).

Энергетические соотношения (баланс энергии) при в-распаде.

Будем считать, что масса нейтрино равна или близка к 0. в-распад энергетически возможен, если:

Удобнее записать это условие для полных масс атомов вместе с электронными оболочками, так как в масс-спектроскопических измерениях определяются не массы ядер, а массы атомов и в справочных таблицах приводятся массы атомов.

Иными словами, в^--распад возможен, если предыдущий изобар тяжелее своего соседа (по таблице Менделеева) справа. Разница масс исходного и конечного атомов должна переходить в кинетическую энергию e^-и .

Законы сохранения энергии и импульса для в-распада будут:

Позитронный или в⁺-распад. Энергетическое условие:

Электронный захват:

При в⁺-распаде и электронном захвате ядро претерпевает один и тот же процесс превращения протона в нейтрон. Поэтому оба эти процесса могут идти для одного и того же ядра и часто конкурируют друг с другом. Из сравнения условий видно, что электронный захват может идти при меньшей разности масс, чем позитронный распад, то есть с энергетической точки зрения более выгоден. В частности, если: , то электронный захват разрешен, а в⁺-распад запрещен.

Если энергетически разрешены оба конкурирующих процесса, то позитронный распад для легких и средних ядер обычно преобладает над электронным захватом и часто практически полностью его подавляет. Дело в том, что е-захват сильно затруднен тем, что захватываемый электрон находится далеко от ядра (10^-10 м). Вероятность для К-электрона находится внутри ядра по порядку величины равна отношению объема ядра к объему, занимаемому атомной оболочкой.

,

где , а - радиус К-оболочки. Радиус К-оболочки уменьшается при переходе к тяжелым ядрам, для которых соответственно увеличивается вероятность К-захвата. Для тяжелых ядер, перегруженных протонами, обычно основным в^- процессом является е-захват.

Заключение

Итак, в данном реферате были рассмотрены основные виды ядерных превращений, история их открытия, особенности протекания некоторых реакций, основные сферы применения деления ядер и остальных видов превращений. Были освещены также такие темы, как механизм деления ядер и составляющие этого процесса, например: стадии деления, энергия деления, продукты деления и др.

Несмотря на относительно недавний срок изучения (менее ста лет), данная тема вызывает большой интерес, что вполне объяснимо, учитывая потенциал исследований ядерных превращений. Доля энергии, вырабатываемой на АЭС, с каждым годом растет, применение ядерных превращений в медицине тоже оправдывает себя. А наличие в данной области сфер, еще не получивших практическое применение, таких как, например, термоядерный синтез, будет и дальше приковывать к себе интерес ученых.

Список используемой литературы

1. Б.Г. Ахметова, Ф.Б. Белисарова, А.С. Таукенова ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА Учебное пособие Алматы 2013 г. 121 стр.

2. К.Н. Мухин «Экспериментальная ядерная физика», 5е изд. 1996 г. 246 стр.

Размещено на Allbest.ru