Правила зміщення, особливості спектрів при радіоактивному розпаді

Радіоактивний розпад відбувається, як і будь-який інший процес в живій та неживій природі, згідно з законами збереження енергії, маси, імпульсу, електричного заряду, спіну тощо.

У відповідності з законом збереження електричного заряду маємо, що заряд вихідного атомного ядра (його називають інколи материнським) повинен дорівнювати сумарному заряду утворених при радіоактивному розпаді частинок і нових ядер (їх називають дочірніми). При ядерних перетвореннях величину заряду умовно характеризують зарядовим числом Z, яке дорівнює відношенню заряду ядра (частинки) q до елементарного заряду е: Z = q/e. Так, для всіх ізотопів урану зарядове число дорівнює Z = 92, а для ізотопів гелію і для a-частинки Z = 2. Тому закон збереження електричного заряду при радіоактивному розпаді можна подати в наступному формулюванні: сума зарядових чисел дочірніх ядер і частинок, які утворилися при розпаді, дорівнює зарядовому числу вихідного (материнського) ядра.

Закон збереження маси при радіоактивному розпаді з врахуванням формули Ейнштейна Е = mc², що зв’язує масу m і енергію Е, можна записати у вигляді:

М_я = , (10.15)

де М_я – маса вихідного (материнського) ядра, М_і – маса утвореного (дочірнього) ядра і частинок, Е – енергія, що виділяється при радіоактивному розпаді.

Типові значення енергії, що виділяється при різних радіоактивних розпадах, не перевищують декількох МеВ (так, при a-розпаді ядра полонія виділяється 5.3 МеВ, при a-розпаді ядра радону – 5.5 МеВ, при b-розпаді ядра – 4.8 МеВ). Ці значення енергії Е значно менші за енергію 931.2 МеВ, що відповідає 1 атомній одиниці маси (а.о.м.) = 1.66×10^–27кг. В такому наближенні (Е/с² <<
1 а.о.м.) закон збереження маси формулюється через масові числа (масове число М – це відношення маси ядра або частинки до а.о.м) наступним чином: сума масових чисел дочірніх ядер і частинок, які утворюються при радіоактивному розпаді, дорівнює масовому числу вихідного (материнського) ядра.

Оскільки при a-розпаді із вихідного (материнського) ядра вилітає ядро гелія , тобто частинка з зарядовим числом 2 і масовим числом 4, то нове утворене дочірнє ядро буде мати зарядове число на дві одиниці менше і масове число на чотири одиниці менше, ніж у вихідного ядра. Позначивши материнське (вихідне) ядро символом Х, а дочірнє (утворене) – символом У, запишемо процес a-розпаду у вигляді схеми:

. (10.16)

Зарядове число визначає місце (номер) елементу в періодичній системі Менделєєва, тому із схеми (10.16) виходить, що в результаті a-розпаду утворюється ядро елемента, який стоїть в періодичній системі Менделєєва на два місця раніше, ніж вихідне ядро.

При b-розпаді із ядра вихідного елемента вилітає електрон або позитрон. Маса електрона у 1836 разів менша маси атому водню, тому масове число електрона приймають рівним нулю. Заряд електрона чисельно дорівнює заряду протона, але цей заряд від’ємний. Тому зарядове число електрона Z = –1. Відповідно, масове число позитрона дорівнює, як і у електрона, нулю, а зарядове число Z = 1.

В зв’язку з викладеним схеми електронного і позитронного b-розпадів будуть мати вигляд

, . (10.17)

Таким чином, в результаті електронного і позитронного b-розпаду утворюються ядра елементів, які розташовані в періодичній таблиці Менделєєва на наступному (попередньому) місці по відношенню до вихідного елемента.

Формули (10.16) і (10.17) називають правилами зміщення.Вони дозволяють розібратися у всіх послідовних перетвореннях ядер, які відбуваються в процесі їх радіоактивного розпаду .

Швидкості, з якими a-частинки вилітають із ядра, типово є дуже великі (~10⁷м/с), а кінетична енегія a-частинок порядку декількох МеВ. Кінетична енергія a-частинок виникає за рахунок надлишку енергії спокою материнського ядра над сумарною енергією спокою дочірнього ядра і a-часточки. Ця надлишкова енергія розподіляється між a-частинкою і дочірнім ядром у відношенні, обернено пропорційному їх масам. Енергія a-частинок, які випускаються даною радіоактивною речовиною, є жорстко визначеною. Тому енергетичний спектр a-частинок є лінійчастий.

У більшості випадків радіоактивна речовина випускає декілька груп “моноенергетичних” a-частинок. Це обумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати як в нормальному (незбудженому), так і в збудженому стані. Переходячи в нормальний або більш низький збуджений стан, дочірнє ядро випускає g-фотон. Через це a-розпад може супроводжуватися g-випромінюванням. Утворене в результаті a-розпаду збуджене ядро може віддати надлишок енергії безпосередньо (без попереднього випускання g-кванта) одному із електронів К-, L- або М- шару атому, в результаті чого електрон вилітає з атому. Цей процес називають внутрішньою конверсією. Утворене в результаті вильоту електрона вакантне місце буде заповнюватися електронами з вище розташованих енергетичних рівнів. Тому внутрішня конверсія завжди супроводжується випусканням характеристичних рентгенівських променів.

Бета-частинки (електрони і позитрони), які випромінюються при радіоактивному b-розпаді, володіють різними значеннями енергії від 0 до Е_max(мал. 10.6). Випромінювання такого енергетичного спектру b-частинок відіграло важливу роль в поясненні природи b-розпаду, про що вже говорилося в параграфі 10.2.1.

Загальні властивості b-спектрів: неперервність і наявність максимальної енергії Е_max – верхньої границі b-спектру. Бета-випромінювання з енергією від 0.05 МеВ до Е_maxназивають м’яким, а від Е_max до декількох МеВ – жорстким. Максимальна швидкість b-частинок у випадку жорсткого b-випромінювання наближається до швидкості світла і має бути розрахованою за формулами спеціальної теорії відносності А. Ейнштейна.

Безпосередній експериментальний доказ існування нейтрино і антинейтрино було отримано лише в 1956 р., приблизно через чверть століття після його теоретичного відкриття В. Паулі та Е. Фермі. Нейтрино було відкрито
Р. Девісом, який реалізував теоретичну ідею Б. Понтекорво, в реакції перетворення хлору в аргон:

, (10.18)

а антинейтрино Ф. Райнісом і К Коеном в реакції перетворення протона в нейтрон

. (10.19)

Нейтрино і антинейтрино, які беруть участь в ядерних реакціях (10.5), (10.6) і (10.18), (10.19) називаються електронними (інколи їх позначають через n_e і ). Відомі ще інші типи нейтрино і антинейтрино – мезонні (n_m і ), тау (n_t і ). Принципово важливим з точки зору проблеми еволюції Всесвіту є питання про нульову або ненульову масу спокою нейтрино. Якщо нейтрино має ненульову масу спокою (для цього зараз є певні експериментальні підстави), то згідно з сучасною космологією – наукою про еволюцію Всесвіту – галактики, які в наш час розбігаються внаслідок розширення Всесвіту, через деякий час (зрозуміло, дуже великий в масштабі тривалості життя окремої людини) почнуть збігатися. Це означає, що Всесвіт буде поступово стискатися і такий процес, згідно з загальними законами термодинаміки, буде супроводжуватися зростанням середньої густини і температури речовини у Всесвіті.

Оцінка віку організмів через вимірювання концентрації радіовуглецю. Під дією нейтронів космічного випромінювання в повітрі з азоту постійно утворюється ізотоп вуглецю за реакцією

. (10.20)

Цей ізотоп є b-активним з періодом напіврозпаду
Т_1/2 » 5600 років. Через радіоактивні властивості ізотопу його називають радіовуглецем. За проміжок часу dt внаслідок реакції (10.20) з азоту повітря в одиниці об’єму утворюється певна кількість радіоактивних ядер . І за той же час внаслідок радіоактивного розпаду кількість ядер зменшується на величину dN = –l N dt. Виявляється, що ці два процеси (збільшення радіовуглецю під дією космічного випромінювання і його зменшення через радіоактивний b-розпад) взаємно компенсують один одного, тобто виконується умова dN₊ = dN_–. Внаслідок цього в різних місцях земної кулі середня концентрація радіовуглецю однакова. Вона відповідає такій активності, при якій на кожний грам радіовуглецю відбувається 14 розпадів за хвилину.

Радіовуглець засвоюється при фотосинтезі рослинами і бере участь в колообігу речовин в природі. Поки органічна речовина жива, зменшення в ньому через b-розпад відновлюється за рахунок участі в колообігу речовин в природі. В момент смерті організму надходження радіовуглецю із навколишнього середовища зупиняється, і концентрація починає спадати за законом радіоактивного розпаду. Вимірявши концентрацію в залишках організмів (в деревині, кістках тощо) можна визначити дату їх смерті або, як говорять, їх вік.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒