Reacția nucleară în lanț
.În dezintegrarea β+, un proton se transformă într-un neutron, pozitron și neutrin:
.Astfel, spre deosebire de β− dezintegrare, β+-degradare nu poate apărea în absența energiei externe, deoarece masa neutronului în sine este mai mare decât masa protonului. β+-degradare se poate întâmpla numai în interiorul nucleelor unde valoarea absolută a energiei de legare a nucleului fiu este mai mare decât energia de legare a nucleului mamă. Diferența dintre aceste două energii este folosită pentru a transforma un proton într-un neutron, pozitron și neutrin și la energia cinetică a particulelor rezultate.
În toate cazurile în care dezintegrarea β+ este posibilă din punct de vedere energetic (și protonul face parte dintr-un nucleu cu învelișuri de electroni), aceasta este însoțită de un proces de captare a electronilor, în care un electron al atomului este captat de nucleu cu emisia unui neutrini:
.Dar dacă diferența dintre masele atomilor inițial și final este mică (mai puțin de două ori masa electronului, adică 1022 keV), atunci captarea electronilor are loc fără a fi însoțită de un proces concurent de dezintegrare a pozitronilor; acesta din urmă în acest caz este interzis de legea conservării energiei.
Când un proton și un neutron fac parte dintr-un nucleu atomic, aceste procese de dezintegrare transformă un element chimic în altul. De exemplu:
(β − dezintegrare), (β + dezintegrare), (captură de electroni).Dezintegrarea beta nu modifică numărul de nucleoni din nucleu A, dar își schimbă doar încărcarea Z. În acest fel, un set de toți nuclizii cu același A; aceste izobaric Nuclizii se pot transforma unul în altul prin dezintegrare beta. Dintre aceștia, unii nuclizi (cel puțin unul) sunt beta-stabili deoarece reprezintă minime locale ale excesului de masă: dacă un astfel de nucleu are ( A, Z) numere, nuclee vecine ( A, Z−1) și ( A, Z+1) au un exces de masă mai mare și se pot descompune prin dezintegrare beta în ( A, Z), dar nu invers. Trebuie remarcat faptul că un nucleu beta-stabil poate suferi alte tipuri de dezintegrare radioactivă (dezintegrare alfa, de exemplu). Majoritatea izotopilor naturali de pe Pământ sunt beta-stabili, dar există câteva excepții cu timpi de înjumătățire atât de lungi încât nu au dispărut în cei aproximativ 4,5 miliarde de ani de la nucleosinteză. De exemplu, 40 K, care experimentează toate cele trei tipuri de dezintegrare beta (beta minus, beta plus și captură de electroni), are un timp de înjumătățire de 1,277×109 ani.
Dezintegrarea beta poate fi considerată ca o tranziție determinată de perturbații între două stări mecanice cuantice, așa că se supune regulii de aur a lui Fermi.
Graficul Curie
Diagrama Curie (cunoscută și sub numele de diagrama Fermi) este o diagramă folosită pentru a studia dezintegrarea beta. Aceasta este dependența energetică a rădăcinii pătrate a numărului de particule beta emise cu o energie dată, împărțită la funcția Fermi. Pentru dezintegrarile beta permise (și unele interzise), diagrama Curie este liniară (linie dreaptă înclinată spre creșterea energiei). Dacă neutrinii au o masă finită, atunci graficul Curie în apropierea punctului de intersecție cu axa energiei se abate de la liniar, făcând posibilă măsurarea masei neutrinilor.
Dezintegrare dublă beta
Unele nuclee pot suferi dezintegrare beta dublă (desintegrare ββ), în care sarcina nucleară se modifică cu două unități. În cazurile cele mai interesante din punct de vedere practic, astfel de nuclee sunt beta-stabile (dezintegrarea beta simplă este interzisă din punct de vedere energetic), deoarece atunci când dezintegrarea β și ββ sunt ambele permise, probabilitatea dezintegrarii β este (de obicei) mult mai mare, interferând cu studiile foarte rare. ββ se descompune. Astfel, dezintegrarea ββ este de obicei studiată numai pentru nucleele beta-stabile. La fel ca dezintegrarea beta single, dezintegrarea beta dublă nu se modifică A; prin urmare, cel puțin unul dintre nuclizii cu un dat A trebuie să fie stabil în ceea ce privește atât dezintegrarea beta simplă cât și dublă.
Poveste
Din punct de vedere istoric, studiul dezintegrarii beta a condus la primele dovezi fizice ale existenței neutrinilor. În acel an, Lise Meitner și Otto Hahn au efectuat un experiment care a arătat că energiile electronilor emise în timpul dezintegrarii beta au un spectru continuu mai degrabă decât discret. Acest lucru era în contradicție evidentă cu legea conservării energiei, deoarece s-a dovedit că o parte din energie a fost pierdută în procesele de dezintegrare beta. A doua problemă a fost că spin-ul atomului de azot -14 a fost 1, ceea ce a contrazis predicția lui Rutherford de ½. Într-o scrisoare celebră scrisă anul acesta, Wolfgang Pauli a propus că, pe lângă electroni și protoni, atomii conțin o particulă neutră foarte ușoară, pe care el a numit-o neutron. El a sugerat că acest „neutron” a fost emis în timpul dezintegrarii beta și pur și simplu nu a fost observat înainte. În anul
După tipurile de radiații radioactive, există mai multe tipuri de dezintegrare radioactivă (tipuri de transformări radioactive). Elementele care au prea mulți protoni sau neutroni în nuclee suferă o transformare radioactivă. Să luăm în considerare tipurile de dezintegrare radioactivă.
1. Dezintegrarea alfa caracteristice elementelor radioactive naturale cu un număr atomic mare (adică, cu energii de legare scăzute). Sunt cunoscute aproximativ 160 de tipuri de nuclee alfa-active, majoritatea numărului lor de serie este mai mare de 82 (Z > 82). Dezintegrarea alfa este însoțită de emisia din nucleu a unui element instabil al unei particule alfa, care este nucleul unui atom de heliu He (conține 2 protoni și 2 neutroni). Sarcina nucleară scade cu 2, numărul de masă - cu 4.
ZAX → Z-2 A-4 U + 2 4He; 92 238U →24 He + 90 234Th;
88 226Ra→2 4He + 86 222Ra + γ emis.
Mai mult de 10% dintre izotopii radioactivi suferă dezintegrare alfa.
2. Dezintegrarea beta. O serie de izotopi radioactivi naturali și artificiali suferă dezintegrare, emitând electroni sau pozitroni:
a) Dezintegrarea beta electronică. caracteristică atât radionuclizilor naturali, cât și artificiali, care au un exces de neutroni (adică, în principal pentru izotopii radioactivi grei). Aproximativ 46% din toți izotopii radioactivi suferă dezintegrare beta electronică. În acest caz, unul dintre neutroni se transformă în , iar nucleul emite un antineutrin. Sarcina nucleului și, în consecință, numărul atomic al elementului crește cu unu, dar numărul de masă rămâne neschimbat.
AZ X → AZ+1 Y + e- + v-; 24194Pu→24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.
Atunci când emit particule β, nucleii atomici pot fi într-o stare excitată atunci când este detectat un exces de energie în nucleul fiu, care nu este captat de particulele corpusculare. Această energie în exces este iluminată sub formă de cuante gamma.
13785Cs → 13756 Ba + e -+ v- + emisie γ;
b) dezintegrarea beta a pozitronilor. Se observă la unii izotopi radioactivi artificiali care au un exces de protoni în nucleu. Este caracteristic pentru 11% din izotopii radioactivi găsiți în prima jumătate a tabelului lui D.I<45). При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в , заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.
AZX → AZ-1У + e+ + v+; 3015P → 3014Si + e+ + v+; 6428Ni + e+ + v+.
Un pozitron, care a zburat din nucleu, îl smulge pe cel „în plus” din învelișul atomului sau interacționează cu un electron liber, formând o pereche „pozitron-electron”, care se transformă instantaneu în două cuante gamma cu un echivalent de energie. la masa particulelor (e și e). Procesul de transformare a unei perechi pozitron-electron în două cuante gamma se numește anihilare (distrugere), iar radiația electromagnetică rezultată se numește anihilare. În acest caz, există o transformare a unei forme de materie (particule de materie) în alta - fotoni gamma;
c) captarea electronică. Acesta este un tip de transformare radioactivă atunci când nucleul unui atom captează un electron de la nivelul de energie K cel mai apropiat de nucleu (captură electronică K) sau, mai rar de 100 de ori, de la nivelul L. Ca urmare, unul dintre protonii nucleului este neutralizat de un electron, transformându-se în. Numărul de serie al noului nucleu devine cu unul mai puțin, dar numărul de masă nu se modifică. Nucleul emite antineutrini. Spațiul eliberat care a fost ocupat la nivelul K sau L de cel capturat este umplut cu un electron de la niveluri de energie mai îndepărtate de nucleu. Excesul de energie eliberat în timpul acestei tranziții este emis de atom sub formă de radiație caracteristică de raze X.
AZХ + e- → AZ-1 У + v- + radiație cu raze X;
4019K + e- → Ar + v-+ radiație cu raze X;
6429Сu + e- → 6428 Ni+v- + radiație cu raze X.
Captarea electronilor K este caracteristică pentru 25% din toate nucleele radioactive, dar în principal pentru izotopii radioactivi artificiali localizați în cealaltă jumătate a tabelului lui D.I. Mendeleev și având un exces de protoni (Z = 45 - 105). Doar trei elemente naturale sunt supuse captării K: potasiu-40, lantan-139, lutețiu-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).
Unele nuclee se pot descompune în două sau trei moduri: prin descompunere alfa și beta și prin captare K.
Potasiul-40 suferă, după cum sa menționat deja, dezintegrare electronică - 88% și K-capture - 12%. Cuprul-64 (6428Сu) se transformă în nichel (desintegrarea pozitronilor - 19%, captarea K - 42%; (desintegrarea electronică - 39%).
3. Emisia de radiații γ nu este un tip de dezintegrare radioactivă (nu există transformare a elementelor), ci este un flux de unde electromagnetice care decurg din dezintegrarea alfa și beta a nucleelor atomice (atât izotopi radioactivi naturali, cât și artificiali), când nucleul fiică conține energie în exces necaptată de radiația corpusculară (particule alfa și beta). Acest exces este iluminat instantaneu sub formă de raze gamma.
13153I → 13154Xe + e- +v- +2γ quantum; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ quantum.
4. - emisia unui proton din nucleu în starea fundamentală. Acest proces poate fi observat în nucleele produse artificial cu un deficit mare de neutroni:
lutețiu - 151 (15171Lu) - are cu 24 de neutroni mai puțini decât izotopul stabil 17671Lu.
Dispozitivele de stocare cu ioni grei deschid oportunități fundamental noi în studierea proprietăților nucleelor exotice. În special, ele permit acumularea și utilizarea pe termen lung a atomilor complet ionizați - nuclee „goale”. Ca urmare, devine posibil să se studieze proprietățile nucleelor atomice care nu au un mediu electronic și în care nu există nici un efect Coulomb al învelișului electronului exterior cu nucleul atomic.
Orez. 3.2 Schema de captare electronică într-un izotop (stânga) și atomi complet ionizați și (dreapta)
Dezintegrarea într-o stare legată a unui atom a fost descoperită pentru prima dată în 1992. S-a observat dezintegrarea β a unui atom complet ionizat în stări atomice legate. Nucleul 163 Dy este marcat cu negru pe diagrama N-Z a nucleelor atomice. Aceasta înseamnă că este un nucleu stabil. Într-adevăr, fiind parte a unui atom neutru, nucleul 163 Dy este stabil. Starea sa fundamentală (5/2 +) poate fi populată ca urmare a captării electronice din starea fundamentală (7/2 +) a nucleului de 163 Ho. Nucleul de 163 Ho, înconjurat de un înveliș de electroni, este β - radioactiv și timpul său de înjumătățire este de ~104 ani. Totuși, acest lucru este adevărat numai dacă luăm în considerare nucleul înconjurat de o înveliș de electroni. Pentru atomii complet ionizați imaginea este fundamental diferită. Acum starea fundamentală a nucleului 163 Dy este mai mare ca energie decât starea fundamentală a nucleului 163 Ho și se deschide posibilitatea dezintegrarii lui 163 Dy (Fig. 3.2)
| → + e - + e . | (3.8) |
Electronul rezultat din dezintegrare poate fi captat în învelișul liber K sau L al ionului. Ca urmare, dezintegrarea (3.8) are forma
→ + e - + e (în stare legată).
Energiile dezintegrarii β în învelișurile K și L sunt egale cu (50,3±1) keV și, respectiv, (1,7±1) keV. Pentru a observa dezintegrarea în stările legate ale învelișului K și L, au fost acumulate 108 nuclee complet ionizate în inelul de stocare ESR la GSI. În timpul de acumulare, nucleele s-au format ca urmare a dezintegrarii β + (Fig. 3.3).
Orez. 3.3. Dinamica acumulării ionilor: a - curentul ionilor Dy 66+ acumulat în inelul de stocare ESR în timpul diferitelor etape ale experimentului, β- intensitățile ionilor Dy 66+ și Ho 67+, măsurate prin detectoare externe și respectiv interne sensibile la poziție
Deoarece ionii Ho 66+ au practic același raport M/q ca ionii fasciculului primar Dy 66+, ei se acumulează pe aceeași orbită. Timpul de acumulare a fost de ~30 min. Pentru a măsura timpul de înjumătățire al nucleului Dy 66+, fasciculul acumulat pe orbită a trebuit să fie curățat de amestecul de ioni Ho 66+. Pentru a curăța fasciculul de ioni, s-a injectat în cameră un jet de gaz argon cu o densitate de 6·10 12 atomi/cm2 și un diametru de 3 mm, care a traversat fasciculul de ioni acumulat în direcția verticală. Datorită faptului că ionii Ho 66+ au capturat electroni, aceștia au părăsit orbita de echilibru. Grinda a fost curățată timp de aproximativ 500 s. După care fluxul de gaz a fost blocat și ionii Dy 66+ și ionii Ho 66+, nou formați (după oprirea fluxului de gaz) ca urmare a degradarii, au continuat să circule în inel. Durata acestei etape a variat de la 10 la 85 de minute. Detectarea și identificarea Ho 66+ sa bazat pe faptul că Ho 66+ poate fi ionizat în continuare. Pentru a face acest lucru, în ultima etapă, un jet de gaz a fost din nou injectat în inelul de stocare. Ultimul electron a fost scos din ionul 163 Ho 66+, rezultând ionul 163 Ho 67+. Un detector sensibil la poziție a fost amplasat lângă jetul de gaz, care a înregistrat cei 163 de ioni Ho 67+ care părăsesc fasciculul. În fig. Figura 3.4 arată dependența numărului de 163 de nuclee Ho formate ca urmare a dezintegrarii β de timpul de acumulare. Insertul arată rezoluția spațială a detectorului sensibil la poziție.
Astfel, acumularea de 163 de nuclee Ho în fasciculul de 163 Dy a fost dovada posibilității de dezintegrare.
→ + e - + e (în stare legată).
Orez. 3.4. Raportul dintre ionii fii 163 Ho 66+ la primari 163 Dy 66+ în funcție de timpul de acumulare. În interior, vârful 163 Ho 67+, înregistrat de detectorul intern
Variând intervalul de timp dintre curățarea fasciculului de impuritățile Ho 66+ și momentul înregistrării ionilor Ho 66+ nou formați în fascicul, este posibil să se măsoare timpul de înjumătățire al izotopului Dy 66+ complet ionizat. S-a dovedit a fi egal cu ~ 0,1 an.
O degradare similară a fost descoperită pentru 187 Re 75+. Rezultatul obţinut este extrem de important pentru astrofizică. Faptul este că atomii neutri de 187 Re au un timp de înjumătățire de 4·10 10 ani și sunt folosiți ca ceasuri radioactive. Timpul de înjumătățire al lui 187 Re 75+ este de numai 33±2 ani. Prin urmare, este necesar să se facă corecții corespunzătoare măsurătorilor astrofizice, deoarece În stele, 187 Re este cel mai adesea într-o stare ionizată.
Studiul proprietăților atomilor complet ionizați deschide o nouă direcție de cercetare a proprietăților exotice ale nucleelor lipsite de influența coulombiană a învelișului exterior al electronilor.
Nucleele majorității atomilor sunt formațiuni destul de stabile. Cu toate acestea, nucleele atomilor de substanțe radioactive în timpul procesului de dezintegrare radioactivă se transformă spontan în nucleele atomilor altor substanțe. Așa că în 1903, Rutherford a descoperit că radiul plasat într-un vas după un timp s-a transformat în radon. Și a apărut heliu suplimentar în vas: (88^226)Ra→(86^222)Rn+(2^4)He. Pentru a înțelege semnificația expresiei scrise, studiați subiectul masei și numărului de sarcină al nucleului unui atom.
S-a putut stabili că principalele tipuri de dezintegrare radioactivă: dezintegrarea alfa și beta au loc conform următoarei reguli de deplasare:
Dezintegrarea alfa
În timpul dezintegrarii alfa este emisă o particulă alfa (nucleul unui atom de heliu). Dintr-o substanță cu numărul de protoni Z și neutroni N în nucleul atomic, se transformă într-o substanță cu numărul de protoni Z-2 și numărul de neutroni N-2 și, în consecință, masa atomică A-4: (Z ^A)X→(Z-2^ (A-4))Y +(2^4)He. Adică, elementul rezultat este mutat cu două celule înapoi în tabelul periodic.
Exemplu de dezintegrare α:(92^238)U→(90^234)Th+(2^4)He.
Dezintegrarea alfa este proces intranuclear. Ca parte a unui nucleu greu, datorită unei combinații complexe de forțe nucleare și electrostatice, se formează o particulă α independentă, care este împinsă de forțele Coulomb mult mai activ decât alți nucleoni. În anumite condiții, poate depăși forțele interacțiunii nucleare și poate zbura din nucleu.
Dezintegrare beta
În timpul dezintegrarii beta este emis un electron (particulă β). Ca urmare a dezintegrarii unui neutron într-un proton, electron și antineutrin, compoziția nucleului crește cu un proton, iar electronul și antineutrino sunt emise în exterior: (Z^A)X→(Z+1^A) Y+(-1^0)e+(0 ^0)v. În consecință, elementul rezultat este deplasat cu o celulă înainte în tabelul periodic.
Exemplu de dezintegrare β:(19^40)K→(20^40)Ca+(-1^0)e+(0^0)v.
Dezintegrarea beta este proces intranucleon. Neutronul suferă transformarea. De asemenea este si beta plus dezintegrare sau dezintegrarea beta a pozitronilor. În dezintegrarea pozitronilor, nucleul emite un pozitron și un neutrin, iar elementul se deplasează înapoi cu o celulă pe tabelul periodic. Dezintegrarea beta a pozitronilor este de obicei însoțită de captarea electronilor.
Dezintegrarea gamma
Pe lângă degradarea alfa și beta, există și degradarea gamma. Dezintegrarea gamma este emisia de cuante gamma de către nuclee într-o stare excitată, în care au energie mare în comparație cu starea neexcitată. Nucleii pot ajunge la o stare excitată în timpul reacțiilor nucleare sau în timpul descompunerilor radioactive ale altor nuclee. Cele mai multe stări excitate ale nucleelor au o durată de viață foarte scurtă - mai puțin de o nanosecundă.
Există, de asemenea, descompuneri cu emisia unui neutron, proton, radioactivitate în cluster și alte tipuri de descompunere, foarte rare. Dar predominând
Dezintegrare beta nucleul este procesul de transformare spontană a unui nucleu instabil într-un nucleu izobar ca urmare a emisiei unui electron (pozitron) sau a captării unui electron. Se cunosc aproximativ 900 de nuclee beta radioactive. Dintre acestea, doar 20 sunt naturale, restul sunt obținute artificial.
Există trei tipuri de dezintegrare β: electron β - dezintegrare, pozitron β + dezintegrare și captură de electroni (e-capture). Tipul principal este primul.
La β electronic - dezintegrare unul dintre neutronii nucleului se transformă într-un proton cu emisia unui electron și a unui electron antineutrin.
Exemple: dezintegrarea neutronilor liberi
T1/2 = 10,7 min;
dezintegrarea tritiului
T 1/2 = 12 ani.
La dezintegrarea pozitronului β+ unul dintre protonii nucleului se transformă într-un neutron cu emisia unui electron încărcat pozitiv (pozitron) și a unui neutrin electronic
Când e-captură electronică nucleul captează un electron din învelișul de electroni (de obicei, învelișul K) al propriului atom.
Dezintegrarea beta este posibilă. când diferența dintre masele nucleului inițial și final depășește suma maselor electronului și neutrinului. Ori de câte ori dezintegrarea β+ este posibilă din punct de vedere energetic, este și posibilă e-captură. Dezintegrarea beta este observată în nuclee cu orice număr de masă. Caracteristicile observabile ale dezintegrarilor beta sunt timpul de înjumătățire T 1/2, forme ale spectrelor β de energie și alte caracteristici.
Energia dezintegrarii β - se află în interval
()0,02 Mev < Е β < 13,4 Mev ().
Energia eliberată în timpul dezintegrarii beta este distribuită între electroni, neutrini și nucleul fiu. Spectrul particulelor β emise continuu de la zero la valoarea maximă. Formule de calcul energia maximă a beta scade:
unde este masa nucleului mamă, este masa nucleului fiică. pe mine– masa electronilor.
Jumătate de viață T 1/2 asociat cu probabilitatea relația de dezintegrare beta
Probabilitatea dezintegrarii beta depinde puternic de energia de dezintegrare beta ( ~ Eβ 5 la Eβ >> m e c 2) deci timpul de înjumătățire T 1/2 variază larg
Se încarcă...