Введение в радиоактивность (2) (С.Н. Калмыков - Лекции)

Введение в радиоактивностьСтепан Николаевич Калмыковтел. 939-32-20stepan@radio.chem.msu.ruhttp://radiochemistry-msu.ru/leaders/102-kalmykovhttp://lanbook.com/Радиоактивность• Альфа-распад• Бета-распад• Гамма-переход•Спонтанное деление••Испускание протона (147Tm, 151Lu)Испускание кластеров (223Ra1 Беккерель=1 распад/с1 Кюри=3,7х1010 Бк14C+209Pb)Стабильные и радиоактивные ядраРадионуклиды в природеПриродныеПервичные238U, 235U, 232Th,40K, и др.ИскусственныеКосмогенные14C, 7Be, 10Be, 32P и др.Радиоактивность – самопроизвольное изменение энергетическогосостояния ядра или его нуклонного составаРаспад – выгодный процесс, его энергия равна разности масспродуктов распада и исходных ядерМасса ядра всегда меньше, чем сумма масс составляющих егонуклоновДефект массы (Δm) соответствует энергии связи ядра.Если дефект массы выражен в атомных единицах, а энергия связив МэВ, то: ΔE=931.5ΔmПримерРассчитаем энергию связи ядра 16O.Масса 8 протонов: 8×1,00727 а.е.м.=8,05816 а.е.м.Масса 8 нейтронов 8×1,00866 а.е.м.=8,06928 а.е.м.Масса 8 электронов 8×0,00055 а.е.м.=0,00440 а.е.м.Итого – 16,13184 а.е.м.Масса атома 16O (экспериментально определенная величина) –15,99492 а.е.м.Дефект массы = 16,13184 - 15,99492 = 0,13692 (а.е.м.)Энергия связи 16O = 0,13692 а.е.м.

× 931,5 МэВ/а.е.м. = 127,5 МэВ.В пересчете на один нуклон 127,5 МэВ/16=7,97 МэВ.Определенное соотношение N/Z:N/Z ≈ 0,98 + 0,015A2/3легкие ядра: N/Z ≈ 1,Модель жидкой каплиEb  k1 A  k2 A2/3объемповерхность1/ 3 k3 Z A2КулоновскоеотталкиваниепротоновСпонтанное деление - один из видов радиоактивного распада1940 г.

Флеров и Петржак252CfМассовое распределение осколков деления различных ядерО. Ган, Ф. Штрасман235U+ nтепл → [236U]*Компаунд ядро:T1/2 ≈ 10-14 c[236U]* → 2 осколка + n[236U]* → 236U + γНаблюдениеСреди стабильных ядер:60 % с четным числом протонов и четным числом нейтронов в ядрах (четно-четные),40 % четно-нечетные или нечетно-четные,261410лишь 4 нечетно-нечетных ядра стабильны: 1 H 3 Li 5 B 7 NЭлементы с четными атомными номерами имеют больше стабильных изотопов, чемэлементы с нечетными атомными номерами:Числостабильныхизотопов47Ag48Cd49In28150Sn1051Sb52Te2853I135%Д оля в природ ной см ес и30%25%20%15%10%5%0%112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124AСодержание изотопов олова в природной смеси. Видно, что четных изотоповв природе большеОболочечная теория строения ядраНуклоны в ядре движутсясвободно, ядро представляетсяпотенциальной ямой (потенциалтрехмерного гармоническогоосциллятора, либо прямоугольнаяяма с бесконечными стенками).Спин-орбитальноевзаимодействие приводит красщеплению энергетическихсостояний начиная с p- на дваподуровня.

Уровни заполняютсяотдельно протонами инейтронами.Магические числа:2, 8, 20, 28, 50, 82, 126магические ядра:4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 208PbКларки земной коры и каменныхметеоритов по А.П.ВиноградовуO100FeSiK CaTi1земная кораКларккаменные метеоритыBaSr0,01PbTh0,0001USe0,000001TeReПреобладают легкие элементы, у четных кларки выше, чем унечетных соседей (Г.Оддо (1914) – В.Гаркинс (1915-1928)). Ядратипа 4N составляют 86,3% земной коры (А.Е.Ферсман)Общее содержание элемента на Земле определяетсястроением ядра атома.AcAtTlIrTaTmTbPmLaIInRhNbRbAsCuMnScClAlFBH0,00000001Поиск острова стабильностиЛАБОРАТОРИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ им. Г.Н.ФЛЕРОВАОснована в 1957 году17ЦИКЛОТРОН У40018Слайд С.Н. ДмитриеваЧисло протоновКАРТА НУКЛИДОВЧисло нейтроновСлайд С.Н. ДмитриеваCompound Hg(Au)Reaction:242Pu(48Ca,3n)287114[0.5s]→α→283112[3.6s]and 112(Au)Слайд С.Н.

ДмитриеваElement 112 is a noble metal – like Hgroom temperatureСлайд С.Н. ДмитриеваThe Bk-249 was producedat ORNL (USA) by irradiation:of Cm and Am targets forapproximately 250 daysby thermal-neutron flux of2.5  1015 neutrons/cm²·sin the HFIR(High Flux Isotope Reactor).Слайд С.Н. ДмитриеваАльфа-распадХарактерный для ядра в целом – испускается кластер – альфа-частица, ядро гелия , 24 He1,00E+16PoT1/2, с1,00E+131,00E+10Pu1,00E+07Ra241Am951,00E+041,00E+011,00E-021,00E-051,00E-083000500070009000E, кэВ5389 (1,0%)0,1565443 (12,5%)5486 (86,0%)0,1025545 (0,3%)0,0590,00237Np93221217Fr53·10At213PoИмпульсы225Ac52·101·105221Fr04000500060007000E, кэВ8000900010000Эффект отдачи при альфа-распадеME Я  EMЯХимические последствия альфа-распадаБета-распадβ- распад:Характерен для нейтронно-избыточных ядер:10n p  e  e11β+ распад и электронный захват:Характерен для нейтронно-дефицитных ядер11p01n     e40K19 (89,5%)Emax=1,33 МэВK-захват(10,5%)E=1,46 МэВ40Ar1840Ca20Паули – придумал нейтрино (Ферми, «нейтрончик»)Детектирование нейтрино – Коуэн  p  e  nаннигиляцияe  e  2Cd  n Cd  108109«Кто умеет ждать, тот дождется»История открытия нейтрино описана ФредерикомРайнесом в Нобелевской лекции «The Neutrino:from poltergeist to particle», прочитанной им 8декабря 1995, спустя почти сорок лет послеоткрытияhttp://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1995/reines-lecture.pdfЭлектронный захват11p 1eорб 01n  eИспусканиехарактеристическогорентгеновскогоизлученияИспускание ОжеэлектроновГамма-переход и электронная конверсия• Обычно время жизнивозбужденного состояния ядра10-7 – 10-11 с,Импульсы100000• Встречаются долгоживущиевозбужденные состояния –ядерные изомеры,1063,7100001000100020040060080010001200E, кэВ9761000482Импульсы• Переход в основное состояниеможет сопровождатьсяиспусканием орбитальногоэлектрона (с последующимиспусканием характеристическогорентгеновского излучения).569,710485541001002004006008001000E, кэВСпектр γ-квантов (вверху) иконверсионных электронов (внизу)висмута-2071200nP+ЭЗN••••Альфа-распадБета-распадГамма-переходСпонтанноеделение••Испускание протона (147Tm, 151Lu)Испускание кластеров (223Ra14C+209Pb)РадионуклидыПриродныеКосмогенныеИскусственныеПервичныеКосмогенные радионуклидыПервичное космическое излучение: протоны (90%), -частицы (около 10%) итяжелые ядра (около 1%)Вторичное излучение: нейтроны, мюоны (80 %)Зависимость мощности эквивалентной дозы, создаваемой космическим излучением, отвысоты над уровнем моря (для средних широт)Высота,кмМощность эквивалентнойдозы, мкЗв/часСреднегодоваядоза*, мкЗв00,03530040,21750102,92012,7Космогенные радионуклиды, образующиеся в атмосфереРадионуклидПериодполураспадаХарактер распада, энергиячастиц, МэВ14С5720 лет12,25 лет53 сут2,6106 лет (0,155) (0,018) (11%)(0,39) (0,553) (0,48) (0,189) (1,708) (0,208)+ (95%)(0,54)Э.з.

(5%);  (1,28) (1,37; 4,17) (1,37; 2,75)Э.з.,  (0,815) (1,245; 2,55)Э.з.,  (0,716) (1,11; 2,77; 4,81) (1,60; 2,12) (1,65; 2,90) (0,36; 1,31) (0,15; 0,7) (0,15; 0,54)3H7Be10Be22Na87,1 сут14,3 сут25 сут2,6 лет24Na14,7 ч37Ar38Cl35 сут100 мин4105 лет37,2 мин39Cl55,6 мин85Kr10,27 лет35S32P33P41Ar36ClУдельнаяактивностьв воздухе,Бк/103м3Концентрацияв атмосферныхвыпадениях,Бк/103л0,02 – 0,200-40200 – 4000400 – 4000(4 – 40) 10-50,008 – 1,00,008 – 1,00,008 – 1,0(2 – 8) 10-420 – 20020 – 20020 – 2000,004 – 0,04(2 – 8) 10-34 – 40-200 – 3000-400 – 4000--Углерод-1414N(n,p)14CЯдра 14С распадаются с испусканием -частиц с максимальной энергией 156 кэВ.Период полураспада углерода-14 равен 5730  30 лет.В смеси природных изотопов углерода на долю 14C приходится 1,8х10-10 %, чтосоответствует 0,23 Бк/г.Бериллий-7, Бериллий-1014N(p,2)7BСредняя удельная активность 7Ве в дождевой водеравна 0,7 Бк/л.Бериллий-10 – реакции скалывания на ядрах кислородаСкорость образования ядер 10Ве в стратосфере 0,08 ат/(см2с)Основные первичные радионуклидыРадионуклидT1/2, летДоля в природной смеси изотопов, %238U4,510999,27235U7,01080,72232Th1,4101010040K1,31090,011787Rb4,9101027,8150Nd510105,6147Sm1,6101115,07176Lu3,610102,6138La110110,089Основной законрадиоактивного распадаdN NdtdN dtNNtdNN N   t dt00Nln tN0N  N 0e tN0ln tNln 2  T1/ 2dNA Ndt tA  A0 e7Beи 7BeF27Be@C6052,680,05 сут7Li(p,n)7Be710-47Be53,120,05 сутМасса --- активность;Определение периодов полураспада.Вероятности Р (т) того, что в течение промежутка времени t произойдет т актовраспада, если среднее число актов распада за время t равно μ:P(m)  me Распределение Пуассонаm!2пуасс пуасс ( N )  N  NiNIt пуасс ( I )  пуасс ( N )tNtItIitT1/2Уд.

активность, Бк/гU-2384,47 млрд лет12400Pa-234m1,17 мин2,5х1019Sr-9028,78 лет1,9х1012.