Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 111
Текст из файла (страница 111)
При 14 -распаде из ядра вылетают электрон и электронное антинейтрино Р, (см. 3 74,п. 8). Массовое число ядра не меняется, а зарядовое число возрастает на единицу (сдвиг в периодической системе вправо на одну клетку). При 13е-распаде из ядра вылетают позитрон с~ и электронное нейтрино Р, (сдвиг в периодической системе влево на одну клетку без изменения массового числа).
Позитронная радиоактивность была открыта в 1934 г. И. и Ф. УКолио-Кюри практически одновременно с открыл ием искусственной радиоактивности. Прн электронном захвате ядро захватывает электрон из электронной оболочки атома; зарядовое число, как и при 13 5-распаде, уменьшается на единицу, а массовое число не меняется. Если электрон захватывается с К-оболочки атома, то электронный захват называют также К-захватоль В 1940 г. Г.И. Флеровым и К.А. Пстржаком было открыто спонтанное деление ядер урана. Примером может служить процесс 28811 -э '49Хе+ 8" яг+ 3 гп.
92 54 88 9 У ядер с большим избытком протонов, в принципе, возможна протонна и даже двухпротоннал радиоактивности., но эти процессы очень трудно обнаружить из-за сильного фона конкурирующих пи Вэ-распадов, приводящих к образованию изотопов таких же химических элементов. Протонная радиоактивность возможна лишь у небольшого числа искусственно получаемых легких ядер с относительно корогкими временами жизни, которые обладают большим избытком протонов. Тем не менее, протонная и двухпротонная радиоактивности обнаружены.
По мнению В.И. Гольданского (р. 1923), двухпротонная радиоактивность даже более вероятна, чем однопротонная. Дело в том, что между протонами действуют силы спаривания. В результате из ядра может вылететь не только одиночный протон, но и бипротон, т.е. два спаренных протона с противоположно направленными спинами. Из ядра могут вылетать и нуклоны, объединенные в более крупные частицы, чем ядра Не (о-частицы), например ядра углерода. Такой процесс затруднен тем, что в исходном ядре нет готовых ядер углерода.
Впрочем, и готовых о-частиц в ядре также нет — они образуются перед самым вылетом нз ядра. Только формирование сг-частиц несравненно более вероятно., чем формирование ядер углерода. Тем не менее, в 1984 г, в Оксфордском университете было зафиксировано самопроизвольное превращение нестабильных изотопов радия в свинец с испусканием ядер изотопа утлерода ~~С: эггар г гвзр1 + ыО 88 82 6 ггзо 209р1 + 14О 88 82 8 224На г мер1 + 244О 88 82 6 [Гл.
1Х Радиоактивность 444 Все ядра изотопов гггйа, гггйа и 224йа радиоактивны с периодами полураспадов соответственно 39 с, 11,7 дня и 3,6 дня. Вероятность вылета ядра 14С примерно в 1010 раз меньше вероятности вылета о-частицы. Поэтому экспериментально зафиксировать распад рассматриваемых ядер радия с вылетом ядер С необычайно трудно.
То обстоятельство, что одним из продуктов распада является изотоп углерода 14С, а не 12С, можно объяснить тем, что энергетически выгодно, чтобы Образовалось дважды магич ..Кое ядро 20828РЬ или соседние с ним ядра (см. 3 78). В 1985 г. в Дубне, а также группой американских физиков были открыты распады с излучением еще более тяжелых ядер ядер неона: 23311 1 209р1 + 24к1 23311 208р~ + 23р 92 82 10' ) 92 82 10 23211 1 208 р~ + 24К10 23111 1 207Т~ + 24р10 92 82 10 'Е Ш ш ш Вероятность первых трех процессов примерно в 10, а последнего— 12 в 10" раз меньше вероятности 49-распада.
В результате радиоактивного распада ядер, образующихся при делении материнского ядра, образуются нейтроноизбыточные возбужденные ядра. При их распаде образуются твк называемые вапавдываюи1ие нейтроны. 'Гакой процесс соблазнительно назвать нейтронной радиоактивнвсгпью. Однако это не делается, так как снятие возбуждения путем испускания нейтронов происходит практически мгновенно. 2. В процессе радиоактивного распада, конечно, должен выполняться закон сохранения энергии.
Если начальное ядро неподвижно, го этот закон можно записать в виде Гдс Мкьч И М,„— МаССЫ НаЧаЛЬНОГО И КОНЕЧНОГО ядЕр, Мг — МаССЫ образовавшихся частиц, 8 кинетическая энергия, выделившаяся при радиоактивном распаде. Самопроизвольно могут идти только реакции с выделением энергии, а потому энергия 12 существенно положительна. Таким образом, радиоактивный распад возможен лишь тогда, когда М„„> М„„+ 2 М,.
Это условие необходимо, но не достаточно, так как для возможности процесса, помимо закона сохранения энергии, должны выполнягься и другие законы сохранения (импульса, момента импульса, электрического, барионного и лептонного зарядов и пр.). 3. Все о- и 14-радиоактивные элементы можно разделить на четыре радиоактивных ряда, или радиоактивных семейства.
В каждом ряду массовое число А выражается формулой (71.2) где С вЂ” постоянная для рассматриваемого ряда величина, .а ив переменное целое число. Каждый элемент ряда получается из предыдущего путем о- или 13-превращения. Поэтому в каждом ряду два соседних элемента имеют либо одинаковые массовые числа, либо эти з 71) Введение 445 числа отличаются на четыре. Значению С = 0 1п - 59) соответствует ряд тория, С = 1 1п ( 60) ряд нептуния, С = 2 (и ( 60) ряд урана, С = 3 1п ( 59) — ряд акгиноурана.
Ряд с С = 1 1нептуния) состоит из изотопов, не встречающихся в природе, но получающихся искусственно. 4. Все четыре радиоактивных ряда предо|явлены в табл. 9. Рассмотрим в качестве п1оимера ряд урана. Он начинается с ее-радиоактивного изотопа урана ээБ ). Испьпав ее-распад с периодом полураспада 4,56 10" лет, этот изотоп переходит в Д -активный изотоп тория ~з~~~ТЬ. После последовательных двух ф -распадов последнего с периодами полураспада 24 дня и 6,74 часа получается другой радиоактивный изотоп урана з~~~11 с периодом полураспада 2,48 10в лет.
Он последовательно претерпевает пять ее-превращений. Среди радиоактивных изотопов, получающихся в результате этих превращений, содержится и а-радиоактивный изотоп радия ~~~в~Ка с периодом полураспада 1617 лет, за которым следует радиоактивный газ радон з~~~~Кп, и т.д. Заметим, что радиоактивные изотопы ээезВ1 и ЯЦВ~ могут переходить соответственно в зэюзРЬ и в з~~вэРЬ двумя различными путями, указанными в табл. 9.
Ряд урана заканчивается стабильным изотопом свинца ~~~~~РЬ. Аналогичное строение имеют и остальные радиоактивные ряды. В естественных рядах торна и актиноурана содержатся другие изогопы радия и радона. Все естественные радиоактивные ряды заканчиваются различными стабильными изотопами свинца ~~~~~РЬ, ~~~~~РЬ, ~э~~~РЬ. Существование трех различных стабильных изотопов свинца указывает на особую устойчивость ядер свинца, содержащих магическое число протонов 82. На самом тяжелом элементе, встречающемся на Земле в естественных условиях, уране эз11 периодическая система элементов, не кончается, как об этом уже указывалось в 8 47. Однако все трансурановые, т.е.
заурановые, элементы радиоактивны. Период полураспада наиболее долгоживущего изотопа плутония з~~~~Рп, например, составляет 24000 лет. Если такие элементы и существовали когда-то на Земле в естественных условиях, то за время существования Земли они полностью исчезли из-за радиоактивных превращений. Все трансурановые элементы получаются искусственным путем. С учетом этих элементов радиоактивные ряды, представленные в табл. 9, могут быть продолжены в сторону болыпих У. И все элементы тяжелее свинца и висмута, в конце концов, правда в отдаленном будущем, должны исчезнуть на Земле, если то;1ько к этому времени сама Земля еще будет существовать.
Наличие в настоящее время таких элементов является одним из подтверждений ограниченного возраста Земли, который по различным оценкам составляет приблизительно 4 — 4,5 млрд лет. О способах получения трансурановых элементов будег сказано в ~ 94. ') В табл.
9 в скобках указаны обозначения изотопов, использующиеся в радиохимии. Радиоактивность [Гл. ГХ к Ф ФЯ Ф 4 ж Ф Ж и М ф о к [Гл. 1Х Радиоактивность 450 8 72. Законы радиоактивного распада 1. Радиоактивный распад — явленлле статллстическое. Все предсказания, которые могут быть сделаны на основе законов радиоактивного распада, носят принципиально еероягпностный характер. Нельзя сказать, какие атомы в радиоактивном образце распадутся за рассматриваемое время.
Но можно практически с полной достоверностью предсказать, сколько атомов распадется за это время. Например, в случае радона половина атомов распадется за 3,8 дня. И это вероягностное предсказание будет выполняться тем точнее, чем с большим количеством радона имеют дело. Вероятность распада ядра за единицу времени называелся посгпояпной распада Л радиоактивных ядер данного сорта. Это значит, что из Ал имеющихся радиоактивных ядер за единицу времени в среднем распадаегся ЛАл, а за время лЫ вЂ”. ЛАл сЧ ядер. Величина ЛЮ называется активностью радиоактивного источника (радиоактивностью).
Старейшей, до сих пор наиболее употребительной единицей радиоактивности является кюри 1Ки) и ее дальные единицы: ми лликюри (1 мКи = 10 з Ки) и микрокюри (1 мкКи = 10 ь Ки). По первоначальному определению кюри есть активность одного грамма изотопа радия афйа. Однако для удобства измерений это определение в дальнейшем было заменено следующим: 1 Ки = 3,700 10'в раси,лс (точно).
Активность же грамма радия лишь приближенно составляет 1 Ки. Естественной единицей активности является 1 распад в секунду. Эта единица получила название беккерель (Бк) и принята в Международной системе СИ. В литературе употребляется также единица резерфорд: 1 Рд=10в В Поскольку радиоактивные превращения совершаются внутри ядра, внешние условия (температура, давление, химические реакции и пр.) на ход радиоактивных превращений практически не оказывают никакого влияния.
Во всяком случае такое влияние не удалось обнаружить самыми точными способами, которыми располагала физика до открытия эффекта Мессбаузра. В частности, не удавалось обнаружить зависимости от внешних условий постоянной радиоактивного распада Л. Исключением являлся только е-захват. Для него еще до использования мессбауэровской спектроскопии была обнаружена очень слабая зависимость величины Л от внешних условий. Но в этом случае явление определяется не только тем, что происходит внутри ядра, но и в ближайших к нему участках электронной оболочки. Только методами мессбауэровской спектроскопии (см.
5 76) удалось отчетливо обнаружить влияние электронной оболочки атома на явления, происходящие внутри атомного ядра. Но в громадном большинстве случаев это влияние не играет никакой роли. Постоянная Л не зависит и от времени. Образно говоря, радиоактивные ядра могут только умирагь, но они никогда не стареют. й 72) Законы радиоактивного распада 451 2.
После этих замечаний сформулируем основной закон родивактивпого распада. Пусть 1»' — число (очень большое) радиоактивных ядер в момент времени 1, а 1»'+ дЛ' — в более поздний момент 4+ сй. Величина д11' отрицательна, поскольку ядра могут только распадаться, т. е. число их убывает. На основании изложенного выше д1"«' = — ЛМ 1й. (72.1) Поскольку Л не зависит от времени, после интегрирования получаем Д1 — 1Уоедк1 (72.2) т. е, чиш1о нераспавшихся ядер убывает во времени экспоненцивльно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
