Закономерности и происхождение излучений

Закон радиоактивного распада

Явление самопроизвольного превращения атомных ядер неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или ядер и излучением энергии называется радиоактивностью. Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях называется естественной.

Основными видами естественной радиоактивности являются: α –излучение - это испускание α-частиц – ядер гелия с Z= 2 и А = 4; β-излучение – это испускание электронов и позитронов; γ-излучение – это испускание квантов электромагнитного излучения чрезвычайно малых длин волн.

Радиоактивность представляет собой внутриядерный процесс, на него не воздействуют процессы, которые могут изменить состояние электронной оболочки (химический состав, агрегатное состояние, давление, температура и т.п.).

Распад ядра является случайным событием, поэтому изменение радиоактивности со временем подчиняется статистической закономерности. Можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за промежуток времениdt, пропорционально промежутку времениdtи числуNне распавшихся ядер к моменту времениt.

dN= - λNdt,

где λ – постоянная радиоактивного распада,

знак “-“ указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается. Разделив переменные и интегрируя, получим выражение закона радиоактивного распада

N=N₀ ,

где N₀- первоначальное число не распавшихся ядер приt= 0,

N- число ядер, не претерпевших распада к моменту времениt,

(N₀–N) - число ядер, распавшихся за времяt,

λ - постоянная распада, характеризующая вероятность распада ядер данного элемента за 1 с.

Время Т, по истечении которого число распавшихся частиц уменьшается вдвое называют периодом полураспада.

Если t=T, то; откуда λТ =ln2, и Т =.

Число ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

ΔN=N₀–N=N₀(1-).

Активностью радиоактивного вещества называется число ядер, распавшихся в единицу времени:

.

Единицей активности является кюри, т.е. активность, соответствующая 3,7 10¹⁰распадов в секунду. Величинаназывается средней продолжительностью жизни радиоактивного изотопа.

Закономерности радиоактивного распада

α – распад– представляет собой превращение атомных ядер с испусканием α-частицы (ядра гелия) и протекает по следующей схеме

→+

- материнское ядро; - дочернее ядро, - ядро гелия.

α – распад свойствен тяжелым ядрам с А > 200 и Z> 82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных α-частиц (чему способствует насыщение ядерных сил), которые подвержены действию кулоновских сил больше, чем отдельные протоны.

В ядре урана α-частицы покидают его с максимальной энергией 4,2 МэВ, тогда как высота потенциального барьера равна 28,1 МэВ. В результате туннельного эффекта α-частица может покинуть пределы ядра (что обусловлено волновой природой α-частиц). У одного и того же α-радиоактивного элемента имеется несколько групп α-частиц, обладающих различными энергиями порядка нескольких МэВ и соответственно различными длинами пробегов. Это свидетельствует о дискретности энергетических уровней ядер.

Протекая через вещество, -частица расходует свою энергию на ионизацию атомов и молекул вещества.

На пути пробега порядка нескольких сантиметров в воздухе α-частица образует порядка 10⁵пар ионов; на один акт ионизации расходуется около 35 эВ энергии. Примером - распада может служить распад ядра изотопа урана, который происходит по схеме с образованием тория

→+ .

Если дочернее ядро окажется возбужденным, то оно испускает γ – квант излучения. Образовавшееся дочерние ядро тория имеет зарядовое число на Zединицы. А массовое число на 4 единицы меньше, чем у материнского ядра урана.

Бетта-распад. Ядерное превращение, сопровождаемое испусканием электрона, позитрона или захватом электрона (к-захват) называется бетта-распадом. Беттас-распад происходит по схеме

В результате распада испускается электрон и антинейтрино , а дочернее ядро увеличивает свой заряд на единицу. Примером-распада является превращение тория протактиний

Бета-плюс распад происходит по схеме

В результате -распада испускается позитрон и антинейтрино, а дочернее ядро уменьшает свой заряд на единицу. В качестве примера можно привести превращение азотав углерод.

Третий вид -распада (к-захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино. К-захват происходит по схеме

Примером к-захвата может служить превращение калия в аргон

.

Если дочернее ядро в результате β-распада оказывается в возбужденном состоянии, то при переходе в состояние с меньшей энергией ядро высвечивает γ -квант, - антинейтрино или ν - нейтрино.

Гамма-радиоактивность – это испускание электромагнитных волн в виде γ –квантов с малой длиной волны (большими частотами) очень высоких энергий. Оно не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает α– и β- распады, а также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т.д. гамма-спектр является линейчатым. Дискретность γ-спектра свидетельствует о дискретности энергетических состояний атомных ядер.

Гамма-излучение испускается не материнским, а дочерним ядром. Гамма-кванты, проходя через вещество, могут взаимодействовать с электронами атомов, а также с их ядрами. Ослабление γ-излучения в веществе происходит в основном в результате трех процессов: фотоэффекта, комптоновского рассеяния и эффекта образования пар.

Фотоэффект – это процесс, при котором атом поглощает γ-квант и испускает электрон. Если электрон выбивается из одной из внутренних оболочек, то фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект происходит на связанных электронах при малых энергиях (≤ 100 кэВ) γ-фотонов.

Комптоновское рассеяние является преимущественным механизмом взаимодействия γ-квантов с веществом при их энергии 0,5 МэВ.

При энергиях > 1,02 МэВ = 2m₀c²возможен процесс образования электронно-позитронных пар.

Ослабление интенсивности γ-излучения в веществе описывается экспоненциальным законом Бугера-Ламберта

I=I₀ 

I₀иI- интенсивности излучения на входе и выходе из слоя поглощающего вещества толщиной х, μ – линейный коэффициент поглощения.

Правило смещения при радиоактивном распаде

При радиоактивном распаде происходит превращение ядер одних элементов в другие, которое подчиняются правилусмещения. Согласно этому правилу при α – распаде массовое число А уменьшается на 4, а зарядовое числоZна 2 единицы; при-распаде А не изменяется, аZвозрастает на 1; в ядре 1 нейтрон превращается в протон; при β⁺- распаде А не изменяется, аZубывает на 1; в ядре один протон превращается в нейтрон.

Символическая запись такого смещения следующая:

→ + - образовалось ядро нового элемента с массовым числом равным (А– 4) и зарядовым числом (Z– 2), т.е. ядро элемента, находящегося в периодической таблице на 2 клетки влево от исходного.

→ +- образовалось ядро нового элемента сZна 1 больше, т.е. ядро элемента из следующей клетки таблицы Менделеева.

→ +- образовалось ядро нового элемента сZна 1 меньше, т.е. ядро химического элемента находящегося в таблице Менделеева на 1 клетку влево.

Возникающие в результате распада ядра могут быть радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, или ряда радиоактивных превращений.

Цепочка последовательных превращений элементов называется радиоактивным семейством или радиоактивным рядом. В природе существует 4 радиоактивных ряда или семейства, родоначальника которых является уран, торий и нептуний

ряд урана включает превращения от до , ряд тория включает превращения отдо, ряд актиния включает превращения от до, ряд нептуния включает превращения отдо.