1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.4. β-распад
Виды и свойства бета- распада. Элементы теории бета-распада. Радиоактивные семейства
Бета-распадом
ядра называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар в результате испускания электрона (позитрона) или захвата электрона. Известно около 900 бета-радиоактивных ядер. Из них только 20 являются естественными, остальные получены искусственным путем.
Виды и свойства бета-распада
Существует три вида β -распада: электронный β – -распад, позитронный β + -распад и электронный захват(е -захват). Основным видом является первый.
При электронном β – -распаде один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино.
Примеры: распад свободного нейтрона
, Т
1/2 =11,7 мин;
распад трития
, Т
1/2 = 12 лет.
При позитронном β + -распаде один из протонов ядра превращается в нейтрон с испусканием положительно заряженного электрона (позитрона) и электронного нейтрино
. (1.41б)
Пример
·
Из сравнения периодов полураспада родоначальников семейств с геологическим временем жизни Земли (4,5 млрд. лет) видно, что в веществе Земли торий-232 сохранился почти весь, уран-238 распался примерно наполовину, уран-235 – большей частью, нептуний-237 практически весь.
Альфа-распад (а-распад) - вид радиоактивного распада атомных ядер, когда испускается альфа-частица, заряд ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число - на 4. Альфа-распад характерен для радиоактивных элементов с большим атомным номером Z.
Рис. 1. Схематическое изображение а-распада.
Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z -2 и нейтронов N- 2. При этом испускается а-частица - ядро атома гелия 4//^+ .
При а-распаде исходного ядра атомный номер образовавшегося ядра уменьшается на две единицы, а массовое число уменьшается на 4 единицы, согласно схеме:
Примерами а-распада могут служить распад изотопа урана-238:
(при этом распаде ядро тория и а-частица разлетаются с кинетическими энергиями 0.07 МэВ и 4.18 МэВ) и радия-226:
Здесь проявляется правило сдвига, сформулированное Фаянсом и Содди: элемент, образовавшийся из другого элемента при испускании а-лучей, занимает в периодической системе место на две группы левее исходного элемента.
Степень неустойчивости ядер характеризуется величиной периода полураспада - промежутка времени, в течение которого распадается половина ядер данного радиоактивного изотопа. Большинство радиоактивных изотопов имеет сложные схемы распада. В таких случаях на схемах указывают процент данного вида излучения по отношению к общему числу переходов (рис. 1 и 2).
Рис. 2. Схема распада 230 Th.
Полная энергия а-распада:
где Е а - энергия а-частицы, Е тл - энергия атома отдачи и Я„шб - энергия возбуждения дочернего ядра.
Для более лёгких чётночётных нуклидов (Л
Кинетическая энергия а-частиц при альфа-распаде (Е и) определяется массами исходного и конечного ядра и а-частицы. Эта энергия может несколько уменьшаться, если конечное ядро образуется в возбуждённом состоянии и, напротив, несколько увеличиваться, если возбуждённым было испускающее а-частицу ядро (такие а-частицы с увеличенной энергией называются длиннопробежными). Однако во всех случаях энергия а-распада всегда связана с разностью масс и уровнями возбуждения исходного и конечного ядер, а потому спектр испускаемых а-частиц всегда является не сплошным, а линейчатым.
Энергия, выделившаяся при а-распаде
где Ма и М А -4 - массы материнского и дочернего ядер, М а - масса а-частицы. Энергия Е делится между а-частицей и дочерним ядром обратно пропорционально их массам, откуда энергия а-частиц:
Энергия отдачи:
Энергия отдачи дочернего ядра обычно находится в области о,1 МэВ, что соответствует длине пробега в воздухе, равной нескольким миллиметрам.
В земных условиях существует около 40 а-радиоактивных изотопов. Они объединены в три радиоактивных ряда, которые начинаются с 2 3 6 U (А = 477), 2 3 8 U (А = 477+2), 2 35U (А = 477+3). К ним можно условно (т.к. изотопы этого ряда успели распасться за время существования Земли), отнести четвёртый ряд, который начинается с 2 3?Np (Л = 477+1). После ряда последовательных распадов образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z=82, N=126) соответственно 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2 ° 7 РЬ, 2 °9Bi. Времена жизни «-активных ядер лежат в пределах от ю 17 лет (2 °4РЬ) до 3-ю* 7 с (212 Ро). Долгоживущими являются нуклиды и 2 Се, *44Ne, 17 4Hf, периоды полураспада которых составляют
(2+5) 10*5 лет.
Рис. 3. Плоские пучки а-лучей от источника малых размеров: а - источник 210 Ро, одна группа а-лучей; б - источник 227 Th, две группы с близкими по длине пробегами; в - источник 2u Bi+ 2n Po, видны две а-частицы 211Р0; г - источник ~ 8 Th с продуктами его распада ^Ra, 2 3-Th, 21б Ро, 212 Bi+ 212 Po 6 групп.
Альфа-распад возможен, если энергия связи а-частицы относительно материнского ядра отрицательна. Для того, чтобы ядро было а-радиоактивным необходимо выполнение условия, являющегося следствием закона сохранения энергии
М(А?) >М(Л-4^-2) + М а, (9)
где M(A,Z) и М(А- 4,Z-2) - массы покоя исходного и конечного ядер соответственно, М а - масса а-частицы. При этом в результате распада конечное ядро и а-частица приобретают суммарную кинетическую энергию Е.
Кинетические энергии а-частиц изменяются от 1,83 МэВ (*44Nd) до 11,65 МэВ (изомер 212ш Ро). Энергия а-частиц, испускаемых тяжёлыми рами из основных состояний, составляет 4+9 МэВ, а испускаемая ми редкоземельных элементов 2+4.5 МэВ. Пробег а-частицы с типичной энергией Е а =6 МэВ составляет -5 см в воздухе при нормальных условиях и ~о,05 мм в А1.
Рис. 4. Экспериментальный а- спектр изотопов плутония.
Спектра -частиц, возникающих при распаде материнского ядра, часто состоит из нескольких моно- энергетических линий, соответствующих квантовых переходам на различные энергетические уровни дочернего ядра.
Так как а-частица не имеет спина, правила отбора по моменту количества движения I-L и чётности, которые вытекают из соответствующих законов сохранения, оказываются простыми. Угловой момент L or-частицы может принимать значения в интервале:
где /, и If - угловые моменты начального и конечного состояния ядер (материнского и дочернего). При этом разрешены только чётные значения L, если чётности обоих состояний совпадают, и нечётные, если четности не совпадают.
Рис. 5. Зависимость lgТ от Е а " 1/2 для чётно-чётных изотопов полония, радона и радия.
Свойством а-распада является наличие определённой и притом весьма сильной зависимости между энергией испускаемых «-частиц и периодом полураспада «-радиоактивных ядер. При небольшом изменении энергии а-частиц периоды полураспада (Т) меняются на многие порядки. Так у 2 з 2 ТЪ?„=4.08 МэВ, 7=1.41 10 ю л, а у 2l8 Th Е а = 9.85 МэВ, Т =ю мкс. Изменению энергии в два раза соответствует изменение в периоде полураспада на 24 порядка.
Для чётно-чётных изотопов одного элемента зависимость периода полураспада от энергии а-распада хорошо описывается соотношением (закон Гейгера-Неттолла):
где Ci и с 2 - константы, слабо зависящие от Z.
Для постоянной распада закон Гейгера-Нетолла имеет вид:
где binb 2 - константы, причём b 2 - общая, а Ь - индивидуальная для каждого природного ряда, R - длина пробега а-частицы в воздухе, Е а - энергия а-частицы.
Зависимость подобного рода была эмпирически установлена в 1912 г. Г.Гейгером и Дж.Нетоллом и теоретически обоснована в 1928 г. Г.Гамовым в результате квантовомеханического рассмотрения процесса а-распада, происходящего путём туннельного перехода. Теория хорошо описывает переходы между основными состояниями чётно-чётных ядер. Для нечётно-чётных, чётно-нечётных и нечётно-нечётных ядер общая тенденция сохраняется, но их периоды полураспада в 2-1000 раз больше, чем для чётно-чётных ядер с данными Z и Е а.
Распространённость а-радиоактивности в значительной мере определяется именно сильной зависимостью времени жизни таких ядер от энергии их распада. Эта энергия положительна, если период полураспада находится в пределах кг 12 секТ=ю 1в лет активность 1 г изотопа с А =200 составляет всего 1,810 м2 Ки).
Для изотопов элементов с Z
Известно более 200 a-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за свинцом (Z>82), которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z=82. Альфа-распад связан с
кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z 2), чем ядерные силы притяжения, которые увеличиваются линейно с ростом массового числа А.
Рис. 6. Зависимость энергии а-распада изотопов элементов начиная с полония (Z=84) до фермия (Z=ioo) от числа нейтронов в ядрах.
Имеется также около 20 а-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов (A=i40-ri6o). Здесь а-распад наиболее характерен для ядер с N= 84, которые при испускании а-частиц превращаются в ядра с заполненной нейтронной оболочкой (N= 82). Существует также небольшая группаа -излучателей в промежутке между редкоземельными и тяжелыми ядрами и есть несколько а- излучающих нейтронно-дефицитных ядер с А~по.
Времена жизни a-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3-10-" сек (для 2,2 Ро) до (2-5)-10*5 л (природные изотопы ‘4 2 Се, *44Nd, WHO. Энергия а-распада лежит в пределах 44-9 МэВ (за исключением случая длиннопробежных а-частиц) для всех тяжёлых ядер и 24-4,5 МэВ для редкоземельных элементов. Сводка данных об энергиях а-распада а-радиоактивных изотопов элементов с Z= 84-100 представлена на рис. 6.
В теории а-распада предполагается, что материнское ядро является для а -частиц потенциальной ямой, которая ограничена потенциальным барьером. Энергия а-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера. Вылет а-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому явлению, которое называется туннельным эффектом. Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер. Явление туннелирования имеет вероятностный характер.
Туннельный эффект (туннелирование) - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект - явление квантовой природы, невозможное в классической механике; аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннельного эффекта лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т.д. В конечном счёте, туннелирование объясняется соотношением неопределенностей.
Рис. 7.
Основным фактором, определяющим вероятность а-распада и ее зависимость от энергии а-частицы и заряда ядра, является кулоновский барьер. Простейшая теория а-распада сводится к описанию движения а-частицы в потенциальной яме с барьером (рис. 7). Так как энергия а-частиц составляет 5-гю МэВ, а высота кулоновского барьера у тяжёлых ядер 254-30 МэВ, то вылет а-частицы из ядра может происходить только за счёт туннельного эффекта, вероятность которого определяется проницаемостью барьера. Вероятность а-распада экспоненциально зависит от энергии а-частицы.
На рис. 7 показана зависимость потенциальной энергии взаимодействия а-частицы с остаточным ядром в зависимости от расстояния между их центрами. Кулоновский потенциал обрезается на расстоянии R, которое приблизительно равно радиусу остаточного ядра. Высота кулоновского барьера прямо пропорциональна заряду ядра, заряду а-частицы и обратно пропорциональна R=r (A 1/s , г 0 - радиус ядра. Она довольно значительна, например, для 2 з**и кулоновский барьер имеет высоту 30 МэВ, поэтому согласно классическим представлениям, а-частица с энергией 4,5 МэВ такой барьер преодолеть не может. Однако благодаря своим волновым свойствам, а-частица такой барьер всё же преодолевает.
На энергетической диаграмме ядра можно выделить три области:
i" - сферическая потенциальная яма глубиной V. В классической механике а-частица с кинетической энергией E a +V 0 может двигаться в этой области, но не способна её покинуть. В этой области существует сильное взаимодействие между а-частицей и остаточным ядром.
R область потенциального барьера, в которой потенциальная энергия больше энергии а-частицы, т.е. это область, запрещённая для классической частицы.
7*>г е - область вне потенциального барьера. В квантовой механике возможно прохождение а-частицы сквозь барьер (туннелирование), однако вероятность этого весьма мала.
Теория туннелирования Гамова объяснила сильную зависимость периода полураспада а-излучающих нуклидов от энергии а-частицы. Однако величины периодов полураспада для многих ядер были предсказаны с большими погрешностями. Поэтому теория Гамова неоднократно усовершенствовалась. Была учтена, как возможность распада ядер с ненулевым орбитальным моментом, так и сильная деформация ядер (а-частицы охотнее вылетают вдоль большой оси эллипсоида, а средняя вероятность вылета отличается от таковой для сферического ядра) и т.п. В теории Гамова не учитывались структура состояний начального и конечного ядер и проблема образования а-частицы в ядре, вероятность которой полагалась равной 1. Для чётно-чётных ядер это приближение довольно хорошо описывает эксперимент. Однако если перестройка структуры исходных ядер в конечные заметно затруднена, то расчётные значения периодов полураспада могут измениться на два порядка.
Альфа-частица не существует в а-распадающемся ядре всё время, а с некоторой конечной вероятностью возникает на его поверхности перед вылетом. В поверхностном слое тяжёлых ядер существуют а-частичные группировки нуклонов, состоящие из двух протонов и двух нейтронов (a-кластеры). Известно, что а-распад идёт на 2-^4 порядка быстрее, когда а-частица образуется из нейтронных и протонных пар, по сравнению с распадом, когда а-частица образуется из неспаренных нуклонов. В первом случае а-распад называется благоприятным, и такими оказываются все a-переходы между основными состояниями чётно-чётных ядер. Во втором случае а-распад называется неблагоприятным.
Бета-распад
β-распад, радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо нейтрона (n) в протон (p), либо протона в нейтрон. В первом случае из ядра вылетает электрон (е -) - происходит так называемый β - -распад. Во втором случае из ядра вылетает позитрон (е +) - происходит β + -распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы - нейтрино (ν
) в случае β+-распада или антинейтрино А, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядропродукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. Наоборот, при β + -распаде число протонов уменьшается на единицу, а число нейтронов увеличивается на единицу и образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. Символически оба процесса Б.-р. записываются в следующем виде: где -Z нейтронов. Простейшим примером (β - -распада является превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (период полураспада нейтрона ≈ 13 мин
): Более сложный пример (β - -распада - распад тяжёлого изотопа водорода - трития, состоящего из двух нейтронов (n) и одного протона (p): Очевидно,что этот процесс сводится к β - -распаду связанного (ядерного) нейтрона. В этом случае β-радиоактивное ядро трития превращается в ядро следующего в периодической таблице элемента - ядро лёгкого изотопа гелия 3 2 Не. Примером β + -распада может служить распад изотопа углерода 11 С по следующей схеме: Превращение протона в нейтрон внутри ядра может происходить и в результате захвата протоном одного из электронов с электронной оболочки атома. Чаще всего происходит захват электрона Б.-р. наблюдается как у естественно-радиоактивных, так и у искусственно-радиоактивных изотопов. Для того чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов β-превращения (т. е. могло испытать Б.-р.), сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при Б.-р. происходит выделение энергии. Энергию Б.-р. Е
β можно вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е
= mc2,
где с -
скорость света в вакууме. В случае β-распада где М -
массы нейтральных атомов. В случае β+-распада нейтральный атом теряет один из электронов в своей оболочке, энергия Б.-р. равна: где me -
масса электрона. Энергия Б.-р. распределяется между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из лёгких частиц может уносить практически любую энергию от 0 до E β т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию. Итак, при β - -распаде масса исходного атома превышает массу конечного атома, а при β + -распаде это превышение составляет не менее двух электронных масс. Исследование Б.-р. ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности явление Б.-р. долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой (см. Ядро атомное). Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при Б.-р., даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы - нейтрино - спасло не только закон сохранения энергии, но и другой важнейший закон физики - закон сохранения момента количества движения. Поскольку Спин ы (т. е. собственные моменты) нейтрона и протона равны 1 / 2 , то для сохранения спина в правой части уравнений Б.-р. может находиться лишь нечётное число частиц со спином 1 / 2 . В частности, при β - -распаде свободного нейтрона n → p + e - + ν только появление антинейтрино исключает нарушение закона сохранения момента количества движения. Б.-р. имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости. Т. о., тенденция к β + -распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к β - -распаду - для нейтроноизбыточных изотопов. Известно около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102). Энергия Б.-р. ныне известных изотопов лежит в пределах от периоды полураспада заключены в широком интервале от 1,3 · 10 -2 сек
(12 N) до Бета-распад 2 10 13 лет (природный радиоактивный изотоп 180 W). В дальнейшем изучение Б.-р. неоднократно приводило физиков к крушению старых представлений. Было установлено, что Б.-р. управляют силы совершенно новой природы. Несмотря на длительный период, прошедший со времени открытия Б.-р., природа взаимодействия, обусловливающего Б.-р., исследована далеко не полностью. Это взаимодействие назвали «слабым», т.к. оно в 10 12 раз слабее ядерного и в 10 9 раз слабее электромагнитного (оно превосходит лишь гравитационное взаимодействие; см. Слабые взаимодействия). Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам (См. Элементарные частицы) (кроме фотона). Прошло почти полвека, прежде чем физики обнаружили, что в Б.-р. может нарушаться симметрия между «правым» и «левым». Это несохранение пространственной чётности было приписано свойствам слабых взаимодействий. Изучение Б.-р. имело и ещё одну важную сторону. Время жизни ядра относительно Б.-р. и форма спектра β-частиц зависят от тех состояний, в которых находятся внутри ядра исходный нуклон и нуклон-продукт. Поэтому изучение Б.-р., помимо информации о природе и свойствах слабых взаимодействий, значительно пополнило представления о структуре атомных ядер. Вероятность Б.-р. существенно зависит от того, насколько близки друг к другу состояния нуклонов в начальном и конечном ядрах. Если состояние нуклона не меняется (нуклон как бы остаётся на прежнем месте), то вероятность максимальна и соответствующий переход начального состояния в конечное называется разрешённым. Такие переходы характерны для Б.-р. лёгких ядер. Лёгкие ядра содержат почти одинаковое число нейтронов и протонов. У более тяжёлых ядер число нейтронов больше числа протонов. Состояния нуклонов разного сорта существенно отличны между собой. Это затрудняет Б.-р.; появляются переходы, при которых Б.-р. происходит с малой вероятностью. Переход затрудняется также из-за необходимости изменения спина ядра. Такие переходы называются запрещёнными. Характер перехода сказывается и на форме энергетического спектра β-частиц. Экспериментальное исследование энергетического распределения электронов, испускаемых β-радиоактивными ядрами (бета-спектра), производится с помощью Бета-спектрометр ов. Примеры β-спектров приведены на рис. 1
и рис. 2
. Лит.:
Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 4, М., 1969, гл. 22-24; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961. Е. М. Лейкин.
Бета-спектр нейтрона. На оси абсцисс отложена кинетич. энергия электронов Е в кэв
, на оси ординат - число электронов N (Е) в относительных единицах (вертикальными чёрточками обозначены пределы ошибок измерений электронов с данной энергиией). Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия
.
1969-1978
.
Бета распад, радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе к рьхх ядра испускают электроны и антинейтрино (бета распад) либо позитроны и нейтрино (бета+ распад). Вылетающие при Б. р. электроны и позитроны носят общее назв. бета частиц. При… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Современная энциклопедия
Бета-распад - (b распад), вид радиоактивности, при котором распадающееся ядро испускает электроны или позитроны. При электронном бета распаде (b) нейтрон (внутриядерный или свободный) превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино (смотри… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Бета-распад - (β распад) радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе которых ядра испускают электроны и антинейтрино (β распад) либо позитроны и нейтрино (β+ распад). Вылетающие при Б. р. электроны и позитроны носят общее название бета частиц (β частиц) … Российская энциклопедия по охране труда
- (b распад). самопроизвольные (спонтанные) превращения нейтрона n в протон р и протона в нейтрон внутри ат. ядра (а также превращение в протон свободного нейтрона), сопровождающиеся испусканием эл на е или позитрона е+ и электронных антинейтрино… … Физическая энциклопедия
Самопроизвольные превращения нейтрона в протон и протона в нейтрон внутри атомного ядра, а также превращение свободного нейтрона в протон, сопровождающееся испусканием электрона или позитрона и нейтрино или антинейтрино. двойной бета распад… … Термины атомной энергетики
- (см. бета) радиоактивное превращение атомного ядра, при котором испускаются электрон и антинейтрино или позитрон, и нейтрино; при бета распаде электрический заряд атомного ядра изменяется на единицу, массовое число не меняется. Новый словарь… … Словарь иностранных слов русского языка
бета-распад - бета лучи, бета распад, бета частицы. Первая часть произносится [бэта] … Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке
Сущ., кол во синонимов: 1 распад (28) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
Бета распад, бета распада … Орфографический словарь-справочник
БЕТА-РАСПАД - (ß распад) радиоактивное превращение атомного ядра (слабое взаимодействие), при котором испускаются электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино; при Б. р. электрический заряд атомного ядра изменяется на единицу, массовое (см.) не меняется … Большая политехническая энциклопедия
Альфа и бета-излучения в общем случае называются радиоактивными распадами. Это процесс, представляющий собой испускание из ядра, происходящий с огромной скоростью. В результате атом или его изотоп может превратиться из одного химического элемента в другой. Альфа и бета-распады ядер характерны для нестабильных элементов. К ним относятся все атомы с зарядовым числом больше 83 и массовым числом, превышающим 209.
Распад, подобно другим радиоактивным превращениям, бывает естественным и искусственным. Последний происходит из-за попадания в ядро какой-либо посторонней частицы. Сколько альфа и бета-распада способен претерпеть атом - зависит лишь от того, как скоро будет достигнуто стабильное состояние.
При естественных обстоятельствах встречается альфа и бета-минус распады.
При искусственных условиях присутствует нейтронный, позитронный, протонный и другие, более редкие разновидности распадов и превращений ядер.
Данные названия дал занимавшийся изучением радиоактивного излучения.
Способность к распаду напрямую зависит от состояния атома. Так называемое "стабильное" или нерадиоактивное ядро свойственно нераспадающимся атомам. В теории наблюдение за такими элементами можно вести до бесконечности, чтобы окончательно убедиться в их стабильности. Требуется это для того, чтобы отделить такие ядра от нестабильных, которые имеют крайне долгий период полураспада.
По ошибке такой "замедленный" атом можно принять за стабильный. Однако ярким примером может стать теллур, а конкретнее, его изотоп с номером 128, имеющий в 2,2·10 24 лет. Этот случай не единичный. Лантан-138 подвержен полураспаду, срок которого составляет 10 11 лет. Этот срок в тридцать раз превышает возраст существующей вселенной.
Данный процесс происходит произвольно. Каждый распадающийся радионуклид приобретает скорость, являющуюся константой для каждого случая. Скорость распада не может измениться под влиянием внешних факторов. Неважно, будет происходить реакция под воздействием огромной гравитационной силы, при абсолютном нуле, в электрическом и магнитном поле, во время какой-либо химической реакции и прочее. Повлиять на процесс можно только прямым воздействием на внутренность атомного ядра, что практически невозможно. Реакция спонтанная и зависит лишь от атома, в котором протекает, и его внутреннего состояния.
При упоминании радиоактивных распадов часто встречается термин "радионуклид". Тем, кто не знаком с ним, следует знать, что данное слово обозначает группу атомов, которые имеют радиоактивные свойства, собственное массовое число, атомный номер и энергетический статус.
Различные радионуклиды применяются в технических, научных и прочих сферах жизнедеятельности человека. К примеру, в медицине данные элементы используются при диагностировании заболеваний, обработке лекарств, инструментов и прочих предметов. Имеется даже ряд лечебных и прогностических радиопрепаратов.
Не менее важным является и определение изотопа. Этим словом называют особую разновидность атомов. Они имеют одинаковый атомный номер, как у обычного элемента, однако отличное массовое число. Вызвано это различие количеством нейтронов, которые не влияют на заряд, как протоны и электроны, но меняют массу. К примеру, у простого водорода их имеется целых 3. Это единственный элемент, изотопам которого были присвоены названия: дейтерий, тритий (единственный радиоактивный) и протий. В остальных случаях имена даются в соответствии с атомными массами и основным элементом.
Это вид радиоактивной реакции. Характерен для естественных элементов из шестого и седьмого периода таблицы химических элементов Менделеева. В особенности для искусственных или трансурановых элементов.
В число металлов, для которых характерен данный распад, относят торий, уран и прочие элементы шестого и седьмого периода из периодической таблицы химических элементов, считая от висмута. Также процессу подвергаются изотопы из числа тяжелых элементов.
При альфа-распаде начинается испускание из ядра частиц, состоящих из 2 протонов и пары нейтронов. Сама выделяемая частица является ядром атома гелия, с массой 4 единицы и зарядом +2.
В итоге появляется новый элемент, который расположен на две клетки левее исходного в периодической таблице. Такое расположение определяется тем, что исходный атом потерял 2 протона и вместе с этим - начальный заряд. В итоге масса возникшего изотопа на 4 массовые единицы уменьшается по сравнению с первоначальным состоянием.
Во время такого распада из урана образуется торий. Из тория появляется радий, из него - радон, который в итоге дает полоний, и в конце - свинец. При этом в процессе возникают изотопы этих элементов, а не они сами. Так, получается уран-238, торий-234, радий-230, радон-236 и далее, вплоть до возникновения стабильного элемента. Формула такой реакции выглядит следующим образом:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Скорость выделенной альфа-частицы в момент испускания составляет от 12 до 20 тыс. км/сек. Находясь в вакууме, такая частица обогнула бы земной шар за 2 секунды, двигаясь по экватору.
Отличие этой частицы от электрона - в месте появления. Распад бета возникает в ядре атома, а не электронной оболочке, окружающей его. Чаще всего встречается из всех существующих радиоактивных превращений. Его можно наблюдать практически у всех существующих в настоящее время химических элементов. Из этого следует, что у каждого элемента имеется хотя бы один подверженный распаду изотоп. В большинстве случаев в результате бета-распадапроисходит бета-минус разложение.
При данном процессе происходит выбрасывание из ядра электрона, возникшего из-за самопроизвольного превращения нейтрона в электрон и протон. При этом протоны за счет большей массы остаются в ядре, а электрон, называемый бета-минус частицей, покидает атом. И поскольку протонов стало больше на единицу, ядро самого элемента меняется в большую сторону и располагается справа от исходного в периодической таблице.
Распад бета с калием-40 превращает его в изотоп кальция, который расположен справа. Радиоактивный кальций-47 становится скандием-47, который может превратиться в стабильный титан-47. Как выглядит такой бета-распад? Формула:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Скорость вылета бета-частицы составляет 0,9 от скорости света, равной 270 тыс. км/сек.
В природе бета-активных нуклидов не слишком много. Значимых из них довольно мало. Примером может послужить калий-40, которого в естественной смеси содержится лишь 119/10000. Также естественными бета-минус-активными радионуклидами из числа значимых являются продукты альфа и бета-распад урана и тория.
Распад бета имеет типичный пример: торий-234, который при альфа-распаде превращается в протактиний-234, а затем таким же образом становится ураном, но другим его изотопом под номером 234. Этот уран-234 вновь из-за альфа-распада становится торием, но уже иной его разновидностью. Затем этот торий-230 становится радием-226, который превращается в радон. И в той же последовательности, вплоть до таллия, лишь с различными бета-переходами назад. Заканчивается этот радиоактивный бета-распад возникновением стабильного свинца-206. Это превращение имеет следующую формулу:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206
Естественными и значимыми бета-активными радионуклидами являются К-40 и элементы от таллия до урана.
Также существует бета-плюс превращение. Оно также называется позитронный бета-распад. В нем происходит испускание из ядра частицы под названием позитрон. Результатом становится превращение исходного элемента в стоящий слева, который имеет меньший номер.
Когда происходит электронный бета-распад, магний-23 становится стабильным изотопом натрия. Радиоактивный европий-150 становится самарием-150.
Возникшая реакция бета-распада может создать бета+ и бета- испускания. Скорость вылета частиц в обоих случаях равна 0,9 от скорости света.
Не считая таких реакций, как альфа-распад и бета-распад, формула которых широко известна, существуют и другие, более редкие и характерные для искусственных радионуклидов процессы.
Нейтронный распад . Происходит испускание нейтральной частицы 1 единицы массы. Во время него один изотоп превращается в другой с меньшим массовым числом. Примером может стать превращение лития-9 в литий-8, гелия-5 в гелий-4.
При облучении гамма-квантами стабильного изотопа йода-127 он становится изотопом с номером 126 и приобретает радиоактивность.
Протонный распад . Встречается крайне редко. Во время него происходит испускание протона, имеющего заряд +1 и 1 единицу массы. Атомный вес становится меньше на одно значение.
Любое радиоактивное превращение, в частности, радиоактивные распады, сопровождаются выделением энергии в форме гамма-излучения. Его называют гамма-квантами. В некоторых случаях наблюдается рентгеновское излучение, имеющее меньшую энергию.
Представляет собой поток гамма-квантов. Является электромагнитным излучением, более жестким, чем рентгеновское, которое применяется в медицине. В результате появляются гамма-кванты, или потоки энергии из атомного ядра. Рентгеновское излучение также является электромагнитным, но возникает из электронных оболочек атома.
Альфа-частицы с массой от 4 атомных единиц и зарядом +2 движутся прямолинейно. Из-за этого можно говорить о пробеге альфа-частиц.
Значение пробега зависит от изначальной энергии и колеблется от 3 до 7 (иногда 13) см в воздухе. В плотной среде составляет сотую долю от миллиметра. Подобное излучение не может пробить лист бумаги и человеческую кожу.
Из-за собственной массы и зарядового числа альфа-частица имеет наибольшую ионизирующую способность и разрушает все на пути. В связи с этим альфа-радионуклиды наиболее опасны для людей и животных при воздействии на организм.
В связи с малым массовым числом, которое в 1836 раз меньше протона, отрицательным зарядом и размером, бета-излучение оказывает слабое действие на вещество, через которое пролетает, но притом полет дольше. Также путь частицы не прямолинейный. В связи с этим говорят о проникающейся способности, которая зависит от полученной энергии.
Проникающие способности у бета-частиц, возникших во время радиоактивного распада, в воздухе достигают 2,3 м, в жидкостях подсчет ведется в сантиметрах, а в твердых телах - в долях от сантиметра. Ткани организма человека пропускают излучение на 1,2 см в глубину. Для защиты от бета-излучения может послужить простой слой воды до 10 см. Поток частиц с достаточно большой энергией распада в 10 Мэв почти весь поглощается такими слоями: воздух - 4 м; алюминий - 2,2 см; железо - 7,55 мм; свинец - 5,2 мм.
Учитывая малые размеры, частицы бета-излучения имеют малую ионизирующую способность по сравнении с альфа-частицами. Однако при попадании внутрь они намного опаснее, чем во время внешнего облучения.
Наибольшие проникающие показатели среди всех видов излучений в настоящее время имеет нейтронное и гамма. Пробег этих излучений в воздухе иногда достигает десятков и сотен метров, но с меньшими ионизирующими показателями.
Большинство изотопов гамма-квантов по энергии не превышают показателей в 1,3 МэВ. Изредка достигаются значения в 6,7 МэВ. В связи с этим для защиты от такого излучения используются слои из стали, бетона и свинца для кратности ослабления.
К примеру, чтобы десятикратно ослабить гамма-излучения кобальта, необходима свинцовая защита толщиной около 5 см, для 100-кратного ослабления потребуется 9,5 см. Бетонная защита составит 33 и 55 см, а водная - 70 и 115 см.
Ионизирующие показатели нейтронов зависят от их энергетических показателей.
При любой ситуации лучшим защитным методом от излучения станет максимальное отдаление от источника и как можно меньшее времяпрепровождение в зоне высокой радиации.
Под атомов подразумевается самопроизвольное, или под влиянием нейтронов, на две части, примерно равные по размерам.
Эти две части становятся радиоактивными изотопами элементов из основной части таблицы химических элементов. Начинаются от меди до лантаноидов.
Во время выделения вырывается пара лишних нейтронов и возникает избыток энергии в форме гамма-квантов, который гораздо больше, чем при радиоактивном распаде. Так, при одном акте радиоактивного распада возникает один гамма-квант, а во время акта деления появляется 8,10 гамма-квантов. Также разлетевшиеся осколки имеют большую кинетическую энергию, переходящую в тепловые показатели.
Высвободившиеся нейтроны способны спровоцировать разделение пары аналогичных ядер, если они расположены вблизи и нейтроны в них попали.
В связи с этим возникает вероятность возникновения разветвляющей, ускоряющейся цепной реакции разделения атомных ядер и создания большого количества энергии.
Когда такая цепная реакция находится под контролем, то её можно использовать в определённых целях. К примеру, для отопления или электроэнергии. Такие процессы проводятся на атомных электростанциях и реакторах.
Если потерять контроль над реакцией, то случится атомный взрыв. Подобное применяется в ядерном оружии.
В естественных условиях имеется только один элемент - уран, имеющий лишь один делящийся изотоп с номером 235. Он является оружейным.
В обыкновенном урановом атомном реакторе из урана-238 под влиянием нейтронов образуют новый изотоп под номером 239, а из него - плутоний, который является искусственным и не встречается в естественных условиях. При этом возникший плутоний-239 применяется в оружейных целях. Этот процесс деления атомных ядер является сутью всего атомного оружия и энергетики.
Такие явления, как альфа-распад и бета-распад, формула которых изучается в школе, широко распространенны в наше время. Благодаря данным реакциям, существуют атомные электростанции и многие другие производства, основанные на ядерной физике. Однако не стоит забывать про радиоактивность многих таких элементов. При работе с ними требуется специальная защита и соблюдение всех мер предосторожности. В противном случае это может привести к непоправимой катастрофе.
