Л.Л. Гольдин, Г.И. Новикова - Квантовая физика. Вводный курс (1129347), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Вместо рентгеновских квантов при перестройке электронной оболочки могут испускаться э л е к т р о н ы О ж е. Так называются элек- 384 1 ЛАВА 14 Рис. 159. Схема процессов, происходящих при «высвечивании» возбужденных ядер (1): 1! — испускание « — кванта; В! — образование электронов внутренней конверсии и электронов Оже. Схема всех рассмотренных выше процессов изображена на рис. !59. В средней части рисунка (под цифрой 1) условно изображено возбужденное ядро. В левой части (И) изображено «высвечивание» возбужденного ядра с испусканием с-кванта.
В правой части (11!) показана схема конкурирующего процесса — испускание электрона внутренней конверсии с К-слоя (екв); там же изображена схема образования характеристического рентгеновского кванта К„ и схема испускания электрона Оже с Х-слоя атома (е~к„„). Пренебрегая энергией отдачи атомов, с помощью закона сохраненйя энергии получаем: — Евввб, к, = Евввб бсв Ет Т(е, «) Е((кцк ) Т(сои,) к бсв св сзсв зсвг есв' ЗДЕСЬ бсв, ссм „И,', — ЭНЕРГИИ СВЯЗИ ЭЛЕКТРОНОВ В СООтВЕтетВУ- к ь и и ющих слоях электронной оболо пси атома, Естественная радиоактивность. Радиоактивные ряды. Большая часть радиоактивных изотопов, содержащихся в земной коре, входит в три радиоактивных ряда (семейства), в каждом из которых 15 звеньев.
В каждом из семейств все изотопы, кроме первого и последнего, получаются при распаде предыдущих изотопов и сами распадают- троны, получившие энергию не от ядра, а от возбужденной электронной оболочки. (Вероятности всех процессов, происходящих при перестройке электронной оболочки, как всегда, зависят от «правил отбора», разре- шающих, или запрещающих тот или процесс.) 375. Спонтлнныа пгввглщвния лтомных ядке 385 ся. «Родоначальниками» семейств являются: ~~зззП (Тг7а = 4,5 10э л), ~~э~~() (Тг7з — —. 7,0 10 л) и э~заТЬ (Т,7з = 1,4 10ш л). Периоды полураспада этих изотопов сравнимы с геологическим возрастом Земли, равным 4,б млрд лет.
Среди членов семейств встречаются как с«- активные, так и 13 -активные изотопы. Их периоды полураспада варьируются от тысяч лет до долей секунды; все они находятся в состоянии радиоактивного равнонссия со своими родоначальниками (см. формулу 14.24). В каждом ряду есть один из изотопов эманации радия (Я = = 86), существующих только н газообразном состоянии (изотоп ззвззЕгп называется радоном, его другое обозначение — эваайп). Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца — элемента с магическим числом л = 82, причем ряд, начинающийся с эззозТп, заканчивается дважды магическим изотопом зззрй(ззь).
В естественных радиоактивных рядах в результате распада массовое число А или уменьшается на 4 ед, (при смраспаде), или остается оез изменения (при )) -распаде). Поэтому массовые числа в каждом из трех семейств описываются формулами 4п- 2, 4п+ 3 и 4п, соответственно, Искусственным путем с помощью ядерных реакций был получен 4-й радиоактивный ряд с А =- 4н -1-1. У его родоначальника — изотопа нептуния эаз~)Х)р период полураспада равен 2,1 10ь лет. Он сам и продукты его распада сохранились в земной коре лишь в очень небольшом количестве. Кроме изотопов, входящих в радиоактивные ряды, в земной коре сохранилось еще около 10 долгоживущих радиоактивных изотопов. Это изотоп «эоК<зт), несколько с«-активных изотопов редкоземельных элементов, о которых упоминалось выше, и некоторые другие.
Кроме этого, в атмосфере Земли постоянно присутствуют изотопы з«Т, ь(«С, ДР и ряд др. изотопов, получающихся в результате ядерных реакций, происходящих под действием космических частиц. Некоторые из них используются в «радиоизотопных» методах при различного рода исследованиях. Наприл«ер, В-активный изотоп ««С частично замещает изотоп ,"С в молекулах СО . Эти молекулы поглощаются растениями, а затем и животными, питающимися этими растениями. Весь живой растительный и животный мир содержит небольшое количество изотопа „'«С.
Если же обмен с внешней средой заканчивается (срублено дерево, погибло животное и т. и.), то концентрация изотопа ««С уменьшается по обычному закону 14.!7). По уменьшению относительной концентрации этого изотопа можно судить о возрасте исследуемого объекта (до 30 тыс. лет). Спонтанное деление ядер. Самые тяжелые ядра (пзбг), Я~() и др.) способны самопроизвольно делиться на сравнимые по массе фрагменты (их число чаще всего равно двум), которые называют «осколкамигч Из формулы Вайцзеккера следует, что тяжелым ядрам делиться 386 ГЛАВА 14 энергетически выгодно. При делении происходит изменение кулонов- ской (она уменьшается) и поверхностной (она растет) энергии. Для ядер с А ) 100 рост уменьшение кулоновской энергии превалирует над ростом повеРхностной энеРгии (Ах(»»«„— Ь(4,„« > О), и Деление ЯДеР становится энергетически выгодным, У самых тяжелых ядер с А = 230 «е 240 энергия, выделяющаяся при делении, достигает 200 МэВ.
Осколки деления, как правило, несимметричны: один из них (легкий) имеет Аг - -90 -:— 100, а другой (тяжелый) Аз - -140 —: 150. Эта несимметричность в оболочечной модели ядра объясняется тем, что энергия деляпгегося ядра недостаточна для разрушения внутренних, наиболее прочных оболочек, и они не делятся, а входят целиком в один из осколков (тяжелый).
Т. к. у самых тяжелых ядер отношение %„(Х„= 1,6, а у ядер с вдвое меньшей массой это отношение равно 1,3, то при делении, кроме осколков, испускаются 2 —: 3 нейтрона, а сами осколки (! -активны и образуют радиоактивные цепочки из нескольких звеньев. Делению препятствует потенциальный барьер, аналогичный барьеру, мешающему вылету о-частиц из а-активных ядер (рис.
!55), и процесс спонтанного деления, как и о-распад, происходит в результате туннельного эффекта. Периоды полураспада для спонтанного деления тяжелых ядер, существукпцих в природе, существенно больше периодов полураспада для а-распада этих же ядер (у Яз() Т ',"х = 1,3 10"в лет). Однако, у искусственно получаемых изотопов с л > 92 и А > 240 высота потенциального барьера уменьшается с ростом А, и вероятность спонтанного деления растет. Именно этот процесс, по-видимому, ограничивает получение сверхтяжелых элементов с Л ) 110. Запаздывающие нейтроны (нейтронная активность). Ядра— осколки, образующиеся при делении, перегружены нейтронами и, как уже указывалось выше, оказываются 6 - активными.
При распаде они образуют цепочки, в некоторых из которых находятся ядра, способные испытывать «нейтронный распад», т.е. самопроизвольно испускать нейтроны. Рассмотрим одну из таких цепочек. Среди ядер-осколков с довольно большой вероятностью ( 3 «Т«) образуется 0 -активный изотоп зэВг (Т,~я = 55,6 с); его дочернее ядро зьтКг(~» образуется и в основном и в возбужденном состояниях. Число нейтронов в этом ядре равно 51, т. е. на 1 ед. больше магического числа 50.
Энергия связи «лишнего» нейтРона в возбУжденном ЯдРе ззвтКг~з ) оказываетсЯ отРицательной, и нейтрон почти мгновенно покидает его. Однако, изотоп ззтКг' образуется в результате распада ядра-предшественника, у которого Т,~з = 55,6 с. Это время и воспринимается как период полураспада запаздывающих нейтронов. 975. Спонтхнныв пгввгхщвния хтомных ядвв 38? Наличие запаздывающих нейтронов среди продуктов распада ядер- осколков оказывается чрезвычайно важным для решения проблемы управления ядерными реакторами.
Без запаздываюших нейтронов среднее время жизни т нейтронов одного поколения в активной зоне реактора даже в реакторах, работающих на тепловых нейтронах, не превышало бы 10'з с. Для запаздываюших нейтронов т - 13с. Их влияние сказывается на величине т, ю которое может достигать нескольких секунд, что достаточно для управления работой реактора. Трансурановые элементы. Трансурановыми называются элементы с л5 > 92. Некоторые изотопы эз(хр и э4Рц в очень небольших количествах сохранились в земной коре. Изотоп эзэРп (Тгуз —.- 24.10з л) удобен для использования в ядерной энергетике. При взаимодействии нейтронов любой энергии с этими ядрами (так же, как и с ядрами Яа()), наиболее вероятной оказывается реакция деления. Поэтому во второй половине ХХ века изотоп Я~Рц получался искусственно в больших количествах путем облучения нейтронами урана-238.
Ядра эзззз() с большой вероятностью захватывают нейтроны и превращаются в )у -активные ядра ээ~(). После 2-х последовательных 1) -распадов (с малыми Тгтв) получаются ядра изотопа ДэРц. Этим же методом (при наличии нейтронных потоков с большой плотностью) можно получать и изотопы других элементов с У ) 94. Это изотопы америция эзАт, кюрия эвСпт, берклия этВ)с, калифорния эаС(, эйнштейния ээЕз и фермия шоГгп, Среди них самым долгоживущим является о-активный изотоп эззгАт (Тгуа =. 458 л). Для получения изотопов элементов с л ) 100 мишени из ззРЬ, э (1 и эхРц облучаются ускоренными а-частицами и многозарядными ионами. Этими методами были получены изотопы элементов с 101 —:109.
Среди них два элемента названы в честь русских ученых: менделевий гогМП и курчатовий гояК)т. У большинства синтезированных изотопов преобладают а-распад и спонтанное деление, причем периоды полураспада обычно равны миллисекундам, секундам и только в редких случаях— минутам, часам и более. Оболочечная модель ядра предсказывает сушествование магических чисел Лг„ = 114 и Л'„ = 184. Если это предсказание справедливо, то среди изотопов с значениями А, близкими к 298, должны существовать «островки стабнльпостию Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не имеет.
ГЛАВА 15 ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Я д е р н ы м и р е а к ц и я м и называют процессы, происходящие между частицами и ядрами под действием я дерн ых сил. Частицы, на которые действуют ядерные силы, называются вядерпоактнвнымиа К таким частицам относятся пуклоны, дейтроны и а-частицы, и все др. атомные ядра. Гамма-кванты, электроны и нейтрино не являются ядерноактивными частицами.
В этой главе мы будем рассматривать ядерные реакции при энергиях частиц, не превышающих 10 лл 20 МэВ, Из всех ядерноактивных частиц только у нейтронов электрический заряд равен нулю, и они при прохождении через вещества не испытывают кулоновского взаимодействия ни с электронами, ни с ядрами. Взаимодействие нейтронов с веществом сводится к их ядерному взаимодействию с ядрами атомов; результатом этого взаимодействия и являются ядерные реакции. Заряженные частицы, напротив, при попадании в вещество испьлывают кулоновское взаимодействие, причем в первую очередь с электронами, которых в веществе в У раз болыпе, чем ядер.
Взаимодействие с электронами приводит к возбуждению и ионизации атомов; при этом вдоль траекторий частиц появляются ионы, а частицы, передавая небольшими порциями свою энергию атомам, постепенно затормаживаются, Этот процесс получил название и о н и з а ц и о н н о— го торможения. Пробеги заряженных частиц, т.е, их пути до полной остановки, зависят и от характеристик частиц (заряда, скорости) и от свойств вещества. В плотных средах, содержащих атомы с большими ю, пробеги протонов с энергией 10 МэВ по порядку величины не превышают 10 з см, пробеги св-частиц еще меныпе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
