24 (Полностью все 26 лекций в пдф), страница 2

В основе электронногоβ-распада лежит превращение в ядре нейтрона в протон:3Семестр 4. Лекция 24.n → p + e− + ν e .Поэтому можно определить β− - распад как процесс самопроизвольного превращениянейтрона в протон внутри атомного ядра.Как показывают экспериментальные исследования, электроны, образующиеся при β−распаде, имеют широкий энергетический спектр от нуля до некоторого максимального значения. Первоначально, до открытия нейтрино, казалось, что β--распад протекает с нарушениемзакона сохранения энергии. Паули в 1932 г. выдвинул гипотезу, согласно которой при β−- распаде испускается еще одна частица, которая уносит часть энергии. Так как эта частица никаксебя не проявляла, то следовало предположить, что она электронейтральна и обладает оченьмалой массой.

Эта частица, названная Э. Ферми нейтрино, что дословно означает «маленькийнейтрон», была экспериментально обнаружена лишь в 1956 г.Установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное, мюонное, таулептонное и их античастицы. Тип нейтрино определяется заряженной частицей, вместе с которой нейтрино рождается и с которой взаимодействует.

β− -распад сопровождается испусканиемэлектронного антинейтрино.2. Позитронный β-распад (β+-распад). В случае позитронного β+-распада ядро испускает позитрон, в результате чего его зарядовое число Z уменьшается на единицу. Позитронный β+-распадосуществляется по схемеAA0Z X → Z −1Y + 1 e + ν e .Позитронный β+-распад сопровождается испусканием позитрона е+ и нейтрино νe, т. е. тех частиц, которые представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым приэлектронном β−-распаде . В основе β+-распада лежит превращение в ядре протона в нейтрон:p → n + e+ + ν e .Поскольку масса протона меньше массы нейтрона, то для свободного протона такой процессневозможен по энергетическим соображениям.

Однако протон, находящийся в ядре, может получать необходимую энергию от других нуклонов ядра.3. Электронный захват. Третий вид β-распада - электронный захват - представляет собой поглощение ядром одного из электронов электронной оболочки своего атома. Чаще всего поглощается электрон из К-оболочки, поэтому электронный захват называют еще К-захватом. Режепоглощаются электроны из L- или М-оболочек. В результате К-захвата происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон, сопровождающееся испусканием нейтрино:p + e+ → n + ν e .Схема К-захвата имеет следующий вид:A0AZ X + −1 e → Z −1Y + ν e .На освободившееся в результате К-захвата место в электронной оболочке атома могут переходить электроны из вышележащих слоев, в результате чего возникает рентгеновское излучение.Подводя итог описанию α- и β-распадов, следует отметить, что α-распад наблюдаетсятолько у тяжелых ядер и некоторых ядер редкоземельных элементов.

Напротив, β-активные ядра более многочисленны. Практически для каждого атомного номера Z существуют нестабильные изотопы, обладающие β-активностью.Спонтанное деление тяжелых ядер.Самопроизвольное деление тяжелых ядер было впервые обнаружено советскими физикамиГ.Н. Флеровым и К.А. Петржаком в 1940 г. у ядер урана.Спонтанное деление, так же как и α-распад, происходит за счет туннельного эффекта. Каки при всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильно зависит отвысоты барьера деления ∆U. Для изотопов урана и соседних с ним элементов высота барьераделения составляет ∆U ~ 6 МэВ.4Семестр 4. Лекция 24.Спонтанное деление является основным каналом распада сверхтяжелых ядер.

Осколкиделения ядер урана U и плутония Рu асимметричны по массе. С ростом массового числа распадающегося ядра осколки деления становятся более симметричными.Протонная радиоактивность.При протонной радиоактивности ядро испытывает превращения, испуская при этом одинили два протона. Протонная радиоактивность впервые была обнаружена в 1963 г.

группой советских физиков под руководством Н. Флерова.Протонная радиоактивность возможна лишь у небольшого числа искусственно получаемых легких ядер, которые характеризуются относительно короткими временами жизни и большим избытком протонов. Однако при проведении эксперимента протонную радиоактивностьочень трудно обнаружить из-за сильного фона конкурирующих α- и β+ -распадов, приводящихк образованию изотопов таких же химических элементов.Радиоактивные ряды.Ядра, возникающие в результате радиоактивных превращений, могут сами оказаться радиоактивными.

Они распадаются со скоростью, которая характеризуется их постоянной распада. Новые продукты распада, в свою очередь, могут быть радиоактивными и т. д. В итоге возникает целый ряд радиоактивных превращений.Все α- и β-радиоактивные элементы можно объединить в четыре радиоактивных ряда,или радиоактивных семейства. Каждый из членов такого ряда получается из предыдущего элемента за счет α- или β-распадов. Каждый ряд имеет своего родоначальника - ядро с наибольшим периодом полураспада. Внутри ряда массовые числа ядер А могут либо быть одинаковыми(при β-распаде), либо отличаться на число, кратное четырем (при α-распаде).Если для всех членов ряда А = 4n+С, где n - целое число, то этот ряд называется рядом(4n+С).

Выделяют три естественных радиоактивных ряда и один искусственный.Естественные ряды: ряд тория (4n) - начинается с нуклида уран 23692 U ; ряд радия (4n+2) начинается с23892U ; ряд актиния (4n+3) - начинается сстабильными изотопами свинца20882Pb ,20682Pb ,2078223592U . Все они заканчиваются различнымиPb соответственно.Искусственный ряд - ряд нептуния (4n+1) - начинается стом2098323793Np и заканчивается висму-Bi .Радиоизотопный метод датировкиДля установки возраста археологических находок, растительных и животных ископаемых остатков и минералов широко используется радиоизотопный анализ.

Он основан на постоянной долевой скорости распада слаборадиоактивных изотопов, независимой от температуры,давления и химических реакций.В определении возраста горных пород используются в основном радиоактивные ряды,начинающиеся с изотопов урана 238U - наиболее стабильного изотопа урана с периодом полураспада 4,51⋅109 лет, 235U с периодом 7,13⋅105 лет и изотопа тория 232Th с периодом 1,41⋅1010 лети заканчивающиеся различными изотопами свинца. В расплаве исходной горной породы до застывания уран и свинец разделены вследствие различия массы.

После застывания горной породы продукты распада урана оказываются перемешенными вместе с остатками урана. По количественному соотношению изотопов урана и свинца можно относительно точно установитьвремя, прошедшее с момента застывания породы.Для определения возраста растительных и животных останков и археологических находок в основном используется более короткопериодный метод - радиоуглеродный анализ. Он основывается на определении соотношения радиоактивного изотопа углерода 14С, который образуется в верхних слоях атмосферы из изотопа азота 14N под воздействием нейтронов космических лучей5Семестр 4.

Лекция 24.147N + n → 146 C + p .Радиоизотоп углерода 14C подвержен β−-распаду с периодом полураспада T1/2 = 5730±40 лет−14146 С → 7 N + e + νe .14Соотношение радиоактивного С и стабильных изотопов углерода 12С в атмосфере и вбиосфере примерно одинаково из-за активного перемешивания атмосферы, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене, получая углерод из окружающейсреды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом.

При радиоуглеродном анализе возраст определяется поудельной остаточной активности радиоактивного изотопа.Гамма-излучение ядер.Это излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое ядрами при переходе из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией.Поскольку ядро является квантовой системой с дискретным набором энергетических уровней,то и спектр γ-излучения также дискретен.Энергия у-квантов Еγ, испускаемых различными ядрами, лежит в диапазоне10 кэВ < Еγ < 5 МэВ.Соответствующая длина волны γ-излучения составляет 2⋅10-13 м <λ<10-10 м.Замечание. Изолированный свободный нуклон не может испустить или поглотить γ-квант, таккак при этом были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса. Это означает, что прииспускании γ-излучения ядром γ-квант обменивается импульсом не с одним, а с несколькиминуклонами.

Таким образом, испускание γ-излучения является внутриядерным процессом.γ-излучение сопровождает α- и β-распады ядер. Это происходит в тех случаях, когдараспад с переходом материнского ядра в основное состояние дочернего ядра либо маловероятен, либо запрещен правилами отбора. Среднее время жизни ядра в возбужденном состоянииразлично для разных ядер и обычно находится в пределах 10-15 с < τ <10-7с. За это время ядропереходит на более низкий энергетический уровень, испуская при этом γ-излучение.Возможен и другой канал перехода ядра в состояние с меньшей энергией - передача избытка энергии непосредственно одному из атомных электронов. Такой процесс называетсявнутренней конверсией электронов, а сами электроны - электронами внутренней конверсии(конверсионными электронами).Конверсионный электрон (обычно это электрон К- или L-оболочки), получив энергию отядра, вырывается из атома, поскольку энергия, передаваемая ему ядром, как правило, заметнопревышает энергию связи электронов в атоме.