Правила смещения

Под радиоактивным распадом,или просто распадом,понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро испытывающее радиоактивный распад, называется материнским,возникающее ядро дочерним.

Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики. Поскольку отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t + dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t:

dN = – λ N dt , (256.1)

где λ – постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада;знак минус указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.

Разделив переменные и интегрируя, т. е.

,

получим , (256.2)

где N₀ – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0), N – число нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула (256.2) выражает закон радиоактивного распада,согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада Т_½ и среднее время жизни τрадиоактивного ядра. Период полураспадаТ_½ – время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Тогда, согласно (256.2),

, откуда .

Периоды полураспада для естественно-ралиоактивиых элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.

Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна t|dN| = = λN t dt. Проинтегрировав это выражение по всем возможным t (т. е. от 0 до ¥) и разделив на начальное число ядер N₀ получим среднее время жизни t радиоактивного ядра:

(учтено (256.2)). Таким образом, среднее время жизни t радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада l.

Активностью Ануклида(общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z, и нейтронов N) в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в 1 с:

. (256.3)

Единица активности в СИ – беккерель(Бк); 1 Бк – активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. До сих пор в ядерной физике применяется и внесистемная единица активности нуклида в радиоактивном источнике кюри(Ки): 1 Ки = 3,7×10¹⁰ Бк.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения,позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения;

для a-распада

, (256.4)

для b-распада

, (256.5)

где – материнское ядро, Y – символ дочернего ядра, – ядро гелия (a-частица), – символическое обозначение электрона (заряд его равен –1, а массовое число – нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, – сохранения электрическою заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки,или ряда, радиоактивных превращений,заканчивающихся стабильным элементом. Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством.

Из правил смещения (256.4) и (256.5) вытекает, что массовое число при a-распаде уменьшается на 4, а при b-распаде не меняется. Поэтому для всех ядер одного и того же радиоактивного семейства остаток от деления массового числа на 4 одинаков. Таким образом, существует четыре различных радиоактивных семейства, для каждого из которых массовые числа задаются одной из следующих формул:

А = 4п,4 п +1, 4 п + 2. 4 п + 3,

где п — целое положительное число. Семейства называются по наиболее долгоживущему (с наибольшим периодом полураспада) «родоначальнику»: семейства тория (от Th), нептуния (от Np), урана (от U) и актиния (от Ас) . Конечными нуклидами соответственно являются Рb, Вi, Рb, Рb, т. е. единственное семейство нептуния (искусственно-радиоактивные ядра) заканчивается нуклидом Вi, а все остальные (естественно-радиоактивные ядра) нуклидами Рb.

Объяснение a-распада дано квантовой механикой, согласно которой вылет a-частицы из ядра возможен благодаря туннельному эффекту – проникновению a-частицы сквозь потенциальный барьер. Всегда имеется отличная от нуля вероятность того, что частица с энергией, меньшей высоты потенциального барьера, пройдет сквозь него, т. е., действительно, из a-радиоактивного ядра a-частицы могут вылетать с энергией, меньшей высоты потенциального барьера. Этот эффект целиком обусловлен волновой природой a-частиц.

Вероятность прохождения a-частицы сквозь потенциальный барьер определяет- ся его формой и вычисляется на основе уравнения Шредингера.

Механизм происхождения электронов при b ^--распадеследующий.

Электрон не вылетает из ядра и не вырывается из оболочки атома. b-Электрон рождается в результате процессов, происходящих. внутри ядра. Так как при b ^--распаде число нуклонов в ядре не изменяется, а Z/ увеличивается на единицу (см. (256,5) ) , то единственной возможностью одновременного осуществления этих уcловий является превращение одного из нейтронов b ^--активного ядра в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино:

. (258.1)

Этот процесс сопровождается выполнением законов сохранения электрических зарядов, импульса и массовых чисел. Кроме того, данное превращение энергетически возможно, так как масса покоя нейтрона превышает массу атома водорода, т. е. протона и электрона вместе взятых. Данной разности в массах соответствует энергия. равная 0,782 МэВ. За счет этой энергии может происходить самопроизвольное превращение нейтрона в протон; энергия распределяется между электроном и антинейтрино.

Антинейтрино (античастица по отношению к нейтрино) имеет нулевой заряд, спин ħ/2 и нулевую (а скорее < 10 ^–4 m_e) массу покоя; обозначается (нейтрино – ).

Нейтрино единственная частица, не участвующая ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях; единственный вид взаимодействий, в котором может принимать участие нейтрино, — слабое взаимодействие.Поэтому прямое наблюдение нейтрино весьма затруднительно. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится на 500 км пути. Проникающая же способность нейтрино столь огромна (пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет порядка 10¹⁸ м!), что затрудняет удержание этих частиц в приборах.

Введение нейтрино (антинейтрино) позволило не только объяснить кажущееся несохранение спина, но и разобраться с вопросом непрерывности энергетического спектра выбрасываемых электронов. Сплошной спектр b ^--частиц обязан распределению энергии между электронами и антинейтрино, причем сумма энергий обеих частиц равна Е_тах. В одних актах распада большую энергию получает антинейтрино. в других — электрон; в граничной точке кривой (см. рис. 40), где энергия электрона равна Е_тах, вся энергия распада уносится электроном, а энергия антинейтрино равна нулю.

Экспериментально установлено, что γ-излучение (см. §255) не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает α- и β-распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде н т. д. γ -Спектр является линейчатым γ-Спектр – это распределение числа γ-квантов по энергиям (такое же толкование β-спектра дано и § 258). Дискретность γ-спекгра имеет принципиальное значение, так как является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

В настоящее время твердо установлено, что γ-ичлучение, испускается дочерним (а не материнским) ядром. Дочернее ядро а момент своего образования, оказываясь возбужденным, за время примерно 10 ^-13— 10 ^–14 с, значительно меньшее времени жизни возбужденного атома (примерно 10 ^-8 с), переходит в основное состояние с испусканием γ-излучсния. Возвращаясь в основное состояние, возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому γ-излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп γ-квантов, отличающихся одна от другой своей энергией.

При γ-излучении A и Z. ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смещения. γ-Излучение большинства ядер является столь коротковолновым, что его волновые свойства проявляются весьма слабо. Здесь на первый план выступают корпускулярные свойства, поэтому γ-излучение рассматривают как поток частиц — γ-квантов. При радиоактивных распадах различных ядер γ-кванты имеют энергии от 10 кэВ до 5 МэВ.