Jadrová reťazová reakcia
.Pri β+ rozpade sa protón mení na neutrón, pozitrón a neutríno:
.Teda na rozdiel od β- rozpad, β+-rozpad nemôže nastať pri absencii vonkajšej energie, pretože hmotnosť samotného neutrónu je väčšia ako hmotnosť protónu. β+-rozpad môže nastať len vo vnútri jadier, kde je absolútna hodnota väzbovej energie dcérskeho jadra väčšia ako väzbová energia materského jadra. Rozdiel medzi týmito dvoma energiami sa využíva na transformáciu protónu na neutrón, pozitrón a neutríno a na kinetickú energiu výsledných častíc.
Vo všetkých prípadoch, kde je β+ rozpad energeticky možný (a protón je súčasťou jadra s elektrónovými obalmi), je sprevádzaný procesom záchytu elektrónov, pri ktorom je elektrón atómu zachytený jadrom s emisiou a neutríno:
.Ale ak je rozdiel medzi hmotnosťou počiatočného a konečného atómu malý (menej ako dvojnásobok hmotnosti elektrónu, to znamená 1022 keV), potom k záchytu elektrónu dôjde bez toho, aby bol sprevádzaný konkurenčným procesom rozpadu pozitrónu; to druhé v tomto prípade zakazuje zákon zachovania energie.
Keď sú protón a neutrón súčasťou atómového jadra, tieto procesy rozpadu transformujú jeden chemický prvok na druhý. Napríklad:
(β − rozpad), (β + rozpad), (záchyt elektrónov).Beta rozpad nemení počet nukleónov v jadre A, ale mení iba svoj náboj Z. Týmto spôsobom sa vytvorí súbor všetkých nuklidov s rovnakým A; títo izobarický Nuklidy sa môžu navzájom transformovať prostredníctvom beta rozpadu. Medzi nimi sú niektoré nuklidy (aspoň jeden) beta-stabilné, pretože predstavujú lokálne minimá prebytočnej hmoty: ak má takéto jadro ( A, Z) čísla, susedné jadrá ( A, Z−1) a ( A, Z+1) majú väčšiu nadbytočnú hmotu a môžu sa rozkladať prostredníctvom beta rozpadu v ( A, Z), ale nie naopak. Treba poznamenať, že beta-stabilné jadro môže podliehať iným typom rádioaktívneho rozpadu (napríklad rozpadu alfa). Väčšina prirodzene sa vyskytujúcich izotopov na Zemi je beta-stabilná, existuje však niekoľko výnimiek s polčasmi tak dlhými, že nezmizli za približne 4,5 miliardy rokov od nukleosyntézy. Napríklad 40 K, ktorý zažíva všetky tri typy rozpadu beta (beta mínus, beta plus a zachytávanie elektrónov), má polčas rozpadu 1,277 × 10 9 rokov.
Beta rozpad možno považovať za prechod medzi dvoma kvantovo mechanickými stavmi riadený poruchami, takže sa riadi Fermiho zlatým pravidlom.
Curieov graf
Curieov graf (tiež známy ako Fermiho graf) je diagram používaný na štúdium beta rozpadu. Toto je energetická závislosť druhej odmocniny počtu beta častíc emitovaných s danou energiou, delená Fermiho funkciou. Pre povolené (a niektoré zakázané) beta rozpady je Curieho graf lineárny (priamka naklonená smerom k zvyšovaniu energie). Ak majú neutrína konečnú hmotnosť, potom sa Curieho diagram v blízkosti priesečníka s energetickou osou odchyľuje od lineárneho, čo umožňuje zmerať hmotnosť neutrína.
Dvojitý beta rozpad
Niektoré jadrá môžu podstúpiť dvojitý beta rozpad (ββ rozpad), pri ktorom sa jadrový náboj zmení o dve jednotky. V prakticky najzaujímavejších prípadoch sú takéto jadrá beta-stabilné (jednoduchý beta rozpad je energeticky zakázaný), pretože keď sú povolené oba rozpady β a ββ, pravdepodobnosť β rozpadu je (zvyčajne) oveľa väčšia, čo interferuje so štúdiami veľmi zriedkavých ββ sa rozpadá. Rozpad ββ sa teda zvyčajne študuje iba pre beta-stabilné jadrá. Rovnako ako jednoduchý beta rozpad, ani dvojitý beta rozpad sa nemení A; teda aspoň jeden z nuklidov s daným A musia byť stabilné s ohľadom na jednoduchý aj dvojitý beta rozpad.
Príbeh
Historicky, štúdium beta rozpadu viedlo k prvému fyzickému dôkazu o existencii neutrín. V tom roku Lise Meitner a Otto Hahn uskutočnili experiment, ktorý ukázal, že energie elektrónov emitovaných počas beta rozpadu majú skôr spojité ako diskrétne spektrum. To bolo v zjavnom rozpore so zákonom zachovania energie, pretože sa ukázalo, že časť energie sa stratila v procesoch beta rozpadu. Druhým problémom bolo, že rotácia atómu dusíka -14 bola 1, čo bolo v rozpore s Rutherfordovou predpoveďou ½. V slávnom liste napísanom tento rok Wolfgang Pauli navrhol, aby okrem elektrónov a protónov obsahovali atómy veľmi ľahkú neutrálnu časticu, ktorú nazval neutrón. Navrhol, že tento „neutrón“ bol emitovaný počas beta rozpadu a jednoducho nebol predtým pozorovaný. V roku
Podľa druhov rádioaktívneho žiarenia existuje niekoľko typov rádioaktívneho rozpadu (druhy rádioaktívnych premien). Prvky, ktoré majú vo svojich jadrách príliš veľa protónov alebo neutrónov, podliehajú rádioaktívnej transformácii. Uvažujme o typoch rádioaktívneho rozpadu.
1. Alfa rozpad charakteristické pre prírodné rádioaktívne prvky s veľkým atómovým číslom (t. j. s nízkou väzbovou energiou). Je známych asi 160 alfa-aktívnych typov jadier, väčšinou ich sériové číslo je viac ako 82 (Z > 82). Alfa rozpad je sprevádzaný emisiou z jadra nestabilného prvku alfa častice, ktorá je jadrom atómu hélia He (obsahuje 2 protóny a 2 neutróny). Jadrový náboj sa zníži o 2, hmotnostné číslo - o 4.
ZAX → Z-2 A-4 U + 2 4He; 92 238U →24 He + 90 234Th;
88 226Ra→2 4He + 86 222Ra + γ emitované.
Viac ako 10 % rádioaktívnych izotopov podlieha rozpadu alfa.
2. Beta rozpad. Množstvo prírodných a umelých rádioaktívnych izotopov podlieha rozpadu, pričom emitujú elektróny alebo pozitróny:
a) Elektronický beta rozpad. charakteristické pre prírodné aj umelé rádionuklidy, ktoré majú nadbytok neutrónov (t. j. hlavne pre ťažké rádioaktívne izotopy). Približne 46 % všetkých rádioaktívnych izotopov podlieha elektronickému beta rozpadu. V tomto prípade sa jeden z neutrónov zmení na a jadro vyžaruje antineutríno. Náboj jadra a teda aj atómové číslo prvku sa zvýši o jednu, ale hmotnostné číslo zostane nezmenené.
AZ X → AZ+1 Y + e- + v-; 24194Pu→24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.
Pri emisii β-častíc môžu byť atómové jadrá v excitovanom stave, keď je v dcérskom jadre zistený prebytok energie, ktorú korpuskulárne častice nezachytia. Táto prebytočná energia je emitovaná vo forme gama lúčov.
13785Cs → 13756 Ba + e -+ v- + γ emisia;
b) rozpad pozitrónu beta. Pozoruje sa v niektorých umelých rádioaktívnych izotopoch, ktoré majú v jadre prebytok protónov. Je charakteristická pre 11 % rádioaktívnych izotopov nachádzajúcich sa v prvej polovici tabuľky D.I. Mendelejeva (Z<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+.
Pozitron, ktorý vyletí z jadra, odtrhne „extra“ z obalu atómu alebo interaguje s voľným elektrónom, čím vytvorí pár „pozitrón-elektrón“, ktorý sa okamžite zmení na dve gama kvantá s energetickým ekvivalentom. k hmotnosti častíc (e a e). Proces premeny páru pozitrón-elektrón na dve gama kvantá sa nazýva anihilácia (deštrukcia) a výsledné elektromagnetické žiarenie sa nazýva anihilácia. V tomto prípade dochádza k premene jednej formy hmoty (častíc hmoty) na inú – gama fotóny;
c) elektronické snímanie. Ide o typ rádioaktívnej premeny, keď jadro atómu zachytí elektrón z energetickej hladiny K najbližšie k jadru (elektronický záchyt K) alebo menej často 100-krát z hladiny L. Výsledkom je, že jeden z protónov jadra je neutralizovaný elektrónom a mení sa na. Poradové číslo nového jadra sa zníži o jedno, ale hmotnostné číslo sa nezmení. Jadro vyžaruje antineutrína. Uvoľnený priestor, ktorý v hladine K alebo L obsadil zachytený, je vyplnený elektrónom z energetických hladín vzdialenejších od jadra. Prebytočnú energiu uvoľnenú pri tomto prechode vyžaruje atóm vo forme charakteristického röntgenového žiarenia.
AZХ + e- → AZ-1 У + v- + röntgenové žiarenie;
4019K + e- → Ar + v-+ röntgenové žiarenie;
6429Сu + e- → 6428 Ni+v- + röntgenové žiarenie.
Záchyt elektrónu K je charakteristický pre 25 % všetkých rádioaktívnych jadier, ale hlavne pre umelé rádioaktívne izotopy nachádzajúce sa v druhej polovici tabuľky D.I. Mendelejev a majúci prebytok protónov (Z = 45 - 105). Iba tri prírodné prvky podliehajú K-záchytu: draslík-40, lantán-139, lutécium-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).
Niektoré jadrá sa môžu rozkladať dvoma alebo tromi spôsobmi: rozpadom alfa a beta a zachytávaním K.
Draslík-40 podlieha, ako už bolo uvedené, elektronickému rozpadu - 88% a zachytávaniu K - 12%. Meď-64 (6428Сu) sa mení na nikel (pozitrónový rozpad - 19%, K-záchyt - 42%; (elektronický rozpad - 39%).
3. Emisia γ-žiarenia nie je typom rádioaktívneho rozpadu (nedochádza k premene prvkov), ale je to prúd elektromagnetických vĺn vznikajúcich pri alfa a beta rozpade jadier atómov (prírodné aj umelé rádioaktívne izotopy), keď dcérske jadro obsahuje nadbytočnú energiu nezachytenú korpuskulárnym žiarením (častice alfa a beta). Tento prebytok je okamžite osvetlený vo forme gama lúčov.
13153I → 13154Xe + e- +v- +2γ kvantové; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ kvantum.
4. - emisia protónu z jadra v základnom stave. Tento proces možno pozorovať v umelo vyrobených jadrách s veľkým deficitom neutrónov:
lutécium - 151 (15171Lu) - má o 24 neutrónov menej ako stabilný izotop 17671Lu.
Zariadenia na ukladanie ťažkých iónov otvárajú zásadne nové možnosti pri štúdiu vlastností exotických jadier. Umožňujú najmä akumuláciu a dlhodobé používanie plne ionizovaných atómov - „nahých“ jadier. Výsledkom je, že je možné študovať vlastnosti atómových jadier, ktoré nemajú elektronické prostredie a v ktorých neexistuje Coulombov efekt vonkajšieho elektrónového obalu s atómovým jadrom.
Ryža. 3.2 Schéma elektronického zachytenia v izotope (vľavo) a plne ionizovaných atómoch a (vpravo)
Rozpad do viazaného stavu atómu bol prvýkrát objavený v roku 1992. Bol pozorovaný β-prepad plne ionizovaného atómu na viazané atómové stavy. Jadro 163 Dy je na N-Z diagrame atómových jadier označené čiernou farbou. To znamená, že ide o stabilné jadro. Keďže jadro 163 Dy je súčasťou neutrálneho atómu, je stabilné. Jeho základný stav (5/2 +) môže byť osídlený ako výsledok e-capture zo základného stavu (7/2 +) jadra 163 Ho. Jadro 163 Ho obklopené elektrónovým obalom je β - rádioaktívne a jeho polčas rozpadu je ~10 4 rokov. To však platí len vtedy, ak uvažujeme jadro obklopené elektrónovým obalom. Pre plne ionizované atómy je obraz zásadne odlišný. Teraz má základný stav jadra 163 Dy vyššiu energiu ako základný stav jadra 163 Ho a otvára sa možnosť rozpadu 163 Dy (obr. 3.2).
| → + e - + e . | (3.8) |
Elektrón, ktorý je výsledkom rozpadu, môže byť zachytený do prázdneho K alebo L obalu iónu. V dôsledku toho má rozpad (3.8) tvar
→ + e - + e (vo viazanom stave).
Energie β-rozpadov do obalov K a L sa rovnajú (50,3±1) keV a (1,7±1) keV. Na pozorovanie rozpadu do viazaných stavov K- a L-plášťa sa v úložnom kruhu ESR na GSI nahromadilo 108 plne ionizovaných jadier. Počas doby akumulácie sa v dôsledku rozpadu β + vytvorili jadrá (obr. 3.3).
Ryža. 3.3. Dynamika akumulácie iónov: a - prúd iónov Dy 66+ nahromadených v úložnom prstenci ESR počas rôznych fáz experimentu, β- intenzity iónov Dy 66+ a Ho 67+, merané vonkajšími a vnútornými polohovo citlivými detektormi, resp.
Keďže ióny Ho 66+ majú prakticky rovnaký pomer M/q ako ióny primárneho zväzku Dy 66+, hromadia sa na rovnakej obežnej dráhe. Čas akumulácie bol ~ 30 minút. Aby bolo možné zmerať polčas rozpadu jadra Dy 66+, lúč nahromadený na obežnej dráhe musel byť vyčistený od prímesi Ho 66+ iónov. Na čistenie lúča od iónov sa do komory vstrekol prúd argónu s hustotou 6·1012 atóm/cm2 a priemerom 3 mm, ktorý pretínal nahromadený iónový lúč vo vertikálnom smere. Vďaka tomu, že ióny Ho 66+ zachytili elektróny, opustili rovnovážnu dráhu. Lúč bol čistený približne 500 s. Potom bol prúd plynu zablokovaný a ióny Dy66+ a ióny Ho66+, novovzniknuté (po vypnutí prúdu plynu) v dôsledku rozpadu, pokračovali v cirkulácii v kruhu. Trvanie tejto fázy sa pohybovalo od 10 do 85 minút. Detekcia a identifikácia Ho 66+ bola založená na skutočnosti, že Ho 66+ je možné ďalej ionizovať. Na tento účel sa v poslednej fáze opäť vstrekol prúd plynu do akumulačného prstenca. Posledný elektrón bol odstránený z iónu 163 Ho 66+, výsledkom čoho bol ión 163 Ho 67+. Polohovo citlivý detektor bol umiestnený vedľa prúdu plynu, ktorý zaznamenal 163 Ho 67+ iónov opúšťajúcich lúč. Na obr. Obrázok 3.4 ukazuje závislosť počtu jadier 163 Ho vytvorených v dôsledku β-rozpadu od času akumulácie. Vložka zobrazuje priestorové rozlíšenie polohovo citlivého detektora.
Akumulácia jadier 163 Ho v zväzku 163 Dy bola teda dôkazom možnosti rozpadu
→ + e - + e (vo viazanom stave).
Ryža. 3.4. Pomer dcérskych iónov 163 Ho 66+ k primárnym 163 Dy 66+ v závislosti od času akumulácie. Vložka: vrchol 163 Ho 67+, zaznamenaný interným detektorom
Zmenou časového intervalu medzi čistením lúča od nečistoty Ho 66+ a časom zaznamenania iónov Ho 66+ novo vytvorených v lúči je možné merať polčas rozpadu plne ionizovaného izotopu Dy 66+. Ukázalo sa, že sa rovná ~ 0,1 roka.
Podobný rozpad bol objavený pre 187 Re 75+. Získaný výsledok je mimoriadne dôležitý pre astrofyziku. Faktom je, že neutrálne 187 Re atómy majú polčas rozpadu 4·10 10 rokov a používajú sa ako rádioaktívne hodiny. Polčas rozpadu 187Re 75+ je len 33±2 roky. Preto je potrebné vykonať príslušné korekcie astrofyzikálnych meraní, pretože Vo hviezdach sa 187 Re najčastejšie nachádza v ionizovanom stave.
Štúdium vlastností plne ionizovaných atómov otvára nový smer výskumu exotických vlastností jadier, zbavených Coulombovho vplyvu vonkajšieho elektrónového obalu.
Jadrá väčšiny atómov sú pomerne stabilné útvary. Jadrá atómov rádioaktívnych látok sa však pri procese rádioaktívneho rozpadu spontánne premieňajú na jadrá atómov iných látok. Takže v roku 1903 Rutherford zistil, že rádium umiestnené v nádobe sa po určitom čase zmenilo na radón. A v nádobe sa objavilo ďalšie hélium: (88^226)Ra→(86^222)Rn+(2^4)He. Aby ste pochopili význam písaného výrazu, preštudujte si tému hmotnosti a nábojového čísla jadra atómu.
Bolo možné zistiť, že hlavné typy rádioaktívneho rozpadu: alfa a beta rozpad sa vyskytujú podľa nasledujúceho pravidla posunu:
Alfa rozpad
Počas rozpadu alfa emituje sa alfa častica (jadro atómu hélia). Z látky s počtom protónov Z a neutrónov N v atómovom jadre sa mení na látku s počtom protónov Z-2 a počtom neutrónov N-2 a podľa toho aj atómovou hmotnosťou A-4: (Z ^A)X→(Z-2^ (A-4))Y +(2^4)He. To znamená, že výsledný prvok sa v periodickej tabuľke posunie o dve bunky späť.
Príklad rozpadu α:(92^238)U→(90^234)Th+(2^4)He.
Alfa rozpad je vnútrojadrový proces. Ako súčasť ťažkého jadra v dôsledku komplexnej kombinácie jadrových a elektrostatických síl vzniká nezávislá α-častica, ktorá je vytláčaná coulombovskými silami oveľa aktívnejšie ako iné nukleóny. Za určitých podmienok dokáže prekonať sily jadrovej interakcie a vyletieť z jadra.
Beta rozpad
Počas beta rozpadu je emitovaný elektrón (β častica). V dôsledku rozpadu jedného neutrónu na protón, elektrón a antineutríno sa zloženie jadra zväčší o jeden protón a elektrón a antineutríno sú emitované smerom von: (Z^A)X→(Z+1^A) Y+(-1^0)e+(0^0)v. V súlade s tým je výsledný prvok posunutý o jednu bunku dopredu v periodickej tabuľke.
Príklad β rozpadu:(19^40)K→(20^40)Ca+(-1^0)e+(0^0)v.
Beta rozpad je intranukleónový proces. Neutrón prechádza transformáciou. Je tu tiež beta plus rozpad alebo rozpad pozitrónu beta. Pri rozpade pozitrónu jadro emituje pozitrón a neutríno a prvok sa v periodickej tabuľke posunie o jednu bunku späť. Rozpad pozitrónu beta je zvyčajne sprevádzaný záchytom elektrónov.
Gama rozpad
Okrem alfa a beta rozpadu existuje aj gama rozpad. Gama rozpad je emisia gama kvánt jadrami v excitovanom stave, v ktorom majú vysokú energiu v porovnaní s neexcitovaným stavom. Jadrá sa môžu dostať do excitovaného stavu počas jadrových reakcií alebo počas rádioaktívnych rozpadov iných jadier. Väčšina excitovaných stavov jadier má veľmi krátku životnosť - menej ako nanosekundu.
Existujú aj rozpady s emisiou neutrónu, protónu, klastrovej rádioaktivity a niektoré ďalšie, veľmi zriedkavé typy rozpadov. Ale prevládajúci
Beta rozpad jadro je proces spontánnej premeny nestabilného jadra na jadro izobary v dôsledku emisie elektrónu (pozitrónu) alebo záchytu elektrónu. Je známych asi 900 beta rádioaktívnych jadier. Z nich je len 20 prírodných, zvyšok sa získava umelo.
Existujú tri typy β-rozpadu: elektrón β - rozpad, pozitrón β + rozpad a záchyt elektrónov (e-záchyt). Hlavným typom je prvý.
O elektronický β - rozpad jeden z neutrónov jadra sa emisiou elektrónu a elektrónového antineutrína zmení na protón.
Príklady: rozpad voľného neutrónu
Ti/2 = 10,7 min;
rozpad trícia
T1/2 = 12 rokov.
O rozpad pozitrónu β+ jeden z protónov jadra sa mení na neutrón s emisiou kladne nabitého elektrónu (pozitrónu) a elektrónového neutrína
Kedy elektronický e-capture jadro zachytí elektrón z elektrónového obalu (zvyčajne K-obalu) vlastného atómu.
Beta rozpad je možný. keď rozdiel hmotností počiatočného a konečného jadra presahuje súčet hmotností elektrónu a neutrína. Kedykoľvek je rozpad β+ energeticky možný, je tiež možný e- zachytiť. Beta rozpad sa pozoruje v jadrách s akýmkoľvek hmotnostným číslom. Pozorovateľnými charakteristikami beta rozpadov sú polčas rozpadu T 1/2, tvary energetických β-spektier a ďalšie charakteristiky.
Energia rozpadu β - - leží v rozmedzí
()0,02 Mev < Е β < 13,4 Mev ().
Energia uvoľnená počas beta rozpadu sa distribuuje medzi elektrón, neutríno a dcérske jadro. Spektrum emitovaných β-častíc nepretržitý od nuly po maximálnu hodnotu. Výpočtové vzorce maximálna energia beta rozpadov:
kde je hmotnosť materského jadra, je hmotnosť dcérskeho jadra. m e- hmotnosť elektrónov.
Polovičný život T 1/2 spojené s pravdepodobnosťou vzťah beta rozpadu
Pravdepodobnosť rozpadu beta silne závisí od energie rozpadu beta ( ~ Ep 5 at Ep >> m e c 2) teda polčas rozpadu T 1/2 sa značne líši
Načítava...