| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
Радіоактивні перетворення ядер
|
План 1. Основні закономірності радіоактивного розпаду. 2. Радіоактивні процеси. 2.1. α-Розпад. 2.2. β-Розпад. 2.3. γ-Випромінювання. Ефект Мессбауера. 2.4. Інші види радіоактивності. 3. Поділ і синтез ядер. Основні закономірності радіоактивного розпаду Радіоактивність — спонтанний процес, що відбувається в атомах радіоактивних елементів. Його розглядають як спонтанне перетворення нестійкого ізотопу одного хімічного елемента на ізотоп іншого елемента. Цей процес супроводжується випромінюванням різних частинок (електронів, протонів, нейтронів, α-частинок) ( ). До радіоактивних елементів належать ті, котрі мають порядковий номер більший за 83. У періодичній таблиці Менделєєва вони розташовуються після Вісмуту. Для цих елементів характерною є відсутність стабільних ізотопів. Крім того, природна радіоактивність була виявлена й у деяких ізотопів інших елементів. Наприклад, винятком можна назвати Технецій (Те, Z = 43) і Прометій (Рт, Z= 61). Незважаючи на те, що їхні порядкові номери менші за 83, вони не мають жодного стабільного ізотопу. Радіоактивний розпад — природне радіоактивне перетворення ядер. При цьому ядро, яке зазнає розпаду, називається материнським, а те, що утворюється, — дочірнім. Основним у теорії радіоактивного розпаду є припущення про те, що розпад — спонтанний процес, який підкоряється законам статистики. Розпад окремих радіоактивних ядер відбувається незалежно, що дозволяє зробити такий висновок: швидкість розпаду (тобто кількість ядер, які розпадаються за одиницю часу), пропорційна кількість ядер, які не розпалися на цей момент часу: Величина λ — коефіцієнт, що характеризує швидкість розпаду. Він називається константою розпаду. Ця величина індивідуальна для кожного радіоактивного ядра, її негативне значення вказує на те, що в процесі розпаду загальна кількість радіоактивних ядер зменшується. Знайти початкову кількість ядер, що не розпалися, дозволяє закон радіоактивного розпаду: N= N0e-λt де N0 — початкова кількість ядер, що не розпалися, у початковий момент часу N — кількість ядер, що не розпалися, у момент часу t. Основними характеристиками інтенсивності розпаду є: 0,693 1) період піврозпаду — час, за який розпадається половина ядер: ; 2) середній час життя ядра: Кількість розпадів, що відбуваються з ядрами за 1 с, називається активністю нукліда: Радіоактивні процеси Для будь-якого радіоактивного процесу виконуються закони збереження енергії, імпульсу, моменту кількості руху, а також електронного заряду. При а-розпаді й у-випромінюванні виконується також закон збереження парності. Парність Р — квантове число, що характеризує симетрію хвильової функції елементарної частинки або системи елементарних частинок щодо дзеркального відображення. Парність частинки позитивна, якщо при дзеркальному відображенні хвильова функція частинки не змінює знак: Р=+1. Якщо ж знак хвильової функції змінюється при відображенні, то парність частинки негативна: Р= - 1. Закон збереження парності накладає ряд обмежень на ядерні процеси. Так, реакція заборонена законом збереження парності, якщо кінетична енергія протона не перевищує 0,5 МеВ. Причина в тому, що при цьому значенні енергії хвильова функція пари частинок непарна, а пари - парна. При вищій енергії протона пара частинок може мати парну хвильову функцію, і тоді протікання цієї реакції є можливим. α-Розпад При α-розпаді з радіоактивного ядра випромінюється а-частинка (двічі магічне ядро атома Гелію ). Таким чином, дочірнє ядро має на два протони і два нейтрони менше, ніж материнське. а-Розпаду зазнають головним чином важкі ядра (А > 200, Z > 8а). Правило зміщення для α-розпаду: α-Розпад можливий тому, що маса, а отже, і енергія а-радіоактивного ядра більша за суму мас (або сумарну енергію спокою) а-частинки і дочірнього ядра, що утворюється в результаті а-розпаду. Надлишок енергії материнського ядра звільняється у формі кінетичної енергії а-частинки і дочірнього ядра. Швидкості а-частинок, що вилітають при розпаді, коливаються в межах (1,4-2) 107 м/с. Це відповідає енергіям 4-9 МеВ. Сучасна теорія ядерних взаємодій стверджує, що а-частинки утворюються в результаті зустрічі двох протонів і двох нейтронів, які рухаються усередині ядра. Енергетичний спектр випромінюваних а-частинок складається з декількох близько розташованих моноенергетичних ліній. Це означає, що в межах кожної групи енергії частинок постійні. Дискретність спектра α-частинок ще раз доводить дискретність енергетичних рівнів атома. Для α-розпаду виконується така закономірність: зі зменшенням періоду піврозпаду радіоактивного елемента збільшується пробіг і енергія а-частинок, що ним випромінюються. Цей взаємозв'язок був встановлений емпірично і називається законом Гейє-ра-Неттола. β-РозпадУ процесі β-розпаду з радіоактивного ядра самодовільно випромінюється електрон (електронний, або β--розпад) або позитрон (позитронний, або β+-розпад). Ці частинки виникають у ядрі безпосередньо в момент β-розпаду, а до цього їх у ядрі немає. Крім того, існує ще третій вид β-розпаду — захоплення ядром електрона з оболонки свого атома. Він називається е-захоплення. У кожнім випадку β-розпаду відбувається випромінювання нейтрино (або антинейтрино). Правило зміщення для β-розпаду має вигляд: β--розпад β+-розпад Як видно зі схеми, у випадку β- -розпаду заряд ядра збільшується на одиницю, у випадку β+-розпаду — зменшується. У процесі е-захоплення також спостерігається зниження заряду ядра на одиницю. Таким чином, ядро перетворюється на ізобар, тобто нейтрон перетворюється на протон або навпаки, при цьому загальне число протонів і нейтронів (масове число) ядра залишається незмінним. β-розпад стає можливим завдяки тому, що вихідне радіоактивне ядро має більшу масу й енергію спокою, ніж продукти розпаду. Надлишок енергії спокою звільняється у формі кінетичної енергії електрона або позитрона, енергії антинейтрино або нейтрино і дочірнього ядра. Оскільки електрон не вилітає з ядра і не відривається від електронної оболонки атома, припустимо, що він народжується в ядрі як результат процесів, що там відбуваються. Розглянемо це на прикладі β--розпаду. У силу того, що число нуклонів у ядрі не змінюється, а заряд збільшується на одиницю, то єдино можливою ситуацією, у якій можуть одночасно здійснюватися ці умови, буде перетворення одного з нейтронів β-активного ядра на протон з одночасним утворенням електрона й випромінюванням антинейтрино. Так, розпад нейтрона має вигляд: Протягом тривалого часу вчених ставили у безвихідь безперервні спектри електронів, що випромінюються при β-розпаді. У зв'язку з цим навіть виникла гіпотеза про те, що в процесі β-розпаду порушується закон збереження енергії. Однак припущення, а згодом і доказ існування нейтрино пояснили цей факт. Справа в тому, що β-активні ядра до і після розпаду мають цілком певні енергії, але викидаються електрони, що мають енергію в діапазоні від 0 до певної Е . Як виявилося згодом, безперервність енергетичного спектра обумовлена тим, що енергія розподіляється між електронами й антинейтрино, причому сума енергій обох частинок дорівнює Етах. В одних актах розпаду більшу енергію отримує антинейтрино, в інших — електрон. Сучасна теорія β-розпаду спирається на те, що всі перетворення, які відбуваються в ядрі, протікають під впливом слабкої взаємодії (єдиного виду взаємодії, у якому можуть брати участь нейтрино й антинейтрино). Ядра, що мають β-радіоактивність, можна створювати штучно, якщо приєднати до стабільного ядра або відняти від нього один або кілька однотипних нуклонів. При надлишку електронів у ядрі може спостерігатися штучна р-радіоактивність. Такі ядра виходять у результаті опромінення речовин нейтронами в ядерних реакторах. При надлишку протонів ядра виявляють штучну β+-радіоактивність або зазнають е-захоплення. їх одержують опроміненням речовини на циклотроні позитивними іонами (протонами). Уперше наведена β+-радіоактивність була відкрита в 1934 р. при опроміненні речовин а-час-тинками, а штучна β--радіоактивність — при опроміненні речовин нейтронами від нейтронних джерел. γ-Випромінювання. Ефект Мессбауера Експериментально встановлено, що γ-випромінювання не є самостійним видом радіоактивності. Воно супроводжує α- і β-розпади, виникає при ядерних реакціях, гальмуванні заряджених частинок і т. ін. У процесі γ-випромінювання ядро спонтанно переходить зі збудженого стану до основного або менш збудженого. При цьому надлишок енергії ядра звільняється у вигляді γ-кванта (кванта короткохвильового електромагнітного випромінювання) і у вигляді енергії віддачі ядра (Tя≈ 10 –2 - 10 еВ). Встановлено, що у-випромінювачами є дочірні ядра, які утворилися в результаті α- і β-розпадів, тому що вони утворюються і в нормальному, і в збудженому станах. Випускання у-випромінювання відбувається протягом 10 -13 - 10-14 с із моменту утворення дочірнього ядра, що значно менше часу життя збудженого атома (10-8 с). При цьому перехід ядра зі збудженого до нормального стану може проходити через ряд проміжних станів, кожен із яких має свої енергетичні характеристики. Тому у-випромінювання того самого радіоактивного ізотопу може містити кілька різних за енергією груп у-квантів. Це доводиться і лінійчатим характером у-спектрів. Узагалі ж γ-спектр — це розподіл усіх у-квантів відповідно до їхніх енергетичних характеристик. Тому дискретність γ-спектра ще раз доводить дискретність енергетичних станів атомних ядер.Поряд із у-випромінюванням у ядрі може відбуватися конкурентний процес — внутрішня конверсія. Справа в тому, що перехід ядра зі збудженого до нормального стану може відбутися не тільки за рахунок випущення у-кванта, але і при безпосередній передачі енергії збудження одному з електронів того ж атома. При цьому випромінюється електрон конверсії. Електронам конверсії відповідають дискретні значення енергії. їхня величина залежить від роботи виходу електрона з оболонки і від енергії, яку віддає ядро при переході зі збудженого до нормального стану. Якщо вся енергія Е виділяється у вигляді у-кванта, то частота випромінювання v визначається зі співвідношення: E = hv. У випадку випромінювання електронів внутрішньої конверсії енергії електронів визначатимуться зі співвідношень: E-Ak , E-AL;..., де Ак, AL,...—робота виходу електрона з К-, L-, ... -оболонок. Завдяки тому, що енергія електронів кожного рівня суворо визначена, електрони конверсії можна легко відрізнити від γ-електронів, спектр яких безперервний. Крім того, внутрішню конверсія завжди супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, що обумовлюється переходом електронів верхніх оболонок на місця, що звільнилися в результаті вилітання електронів. При у-випромінюванні енергія у-квантів, що випускаються, виявляється меншою за енергію збудженого стану ядра. Частина енергії переходить в енергію віддачі ядра: Е=Еγ+Тя, де Е — енергія збудженого ядра, Еγ — енергія у-кванта, Tя — кінетична енергія віддачі ядра. Хоча Tя — дуже маленька величина (Tя >> 0,01—10 еВ), проте Eg≠Е. Тому у-кванти, випущені ядром, не можуть перевести ядро того ж типу з нормального стану (Е = 0) до збудженого. Для цього у-квант повинен мати енергію: Eγ= Е+Тя, де Тя — енергія віддачі, яку у-квант повинен передати поглинаючому ядру. Але існують умови, за яких енергія віддачі зведена до нуля (ядра у вигляді кристалічних решіток при низькій температурі). У цьому випадку стають можливими випускання й поглинання у-квантів без віддачі. Крім того, має місце резонансне поглинання γ-квантів ядрами: ядро поглинає γ-квант тієї ж частоти, що й частота випромінюваного ядром у-кванта при переході зі збудженого стану до основного. Резонансне поглинання можна отримати тільки при компенсації втрати енергії на віддачу. Такій умові задовольняють ядра, що перебувають у зв'язаному стані (кристалічна решітка) і при низьких температурах, щоб зупинити коливання ядер у решітках. У цьому випадку імпульс і енергія віддачі передаються не одному ядру (яке поглинає або випромінює у-квант), а всій кристалічній решітці загалом. Маса кристала щодо маси окремого ядра є набагато більшою величиною, тому відповідно до закону збереження імпульсу втрати енергії на віддачу стають нескінченно малими. Можна сказати, що процеси випромінювання й поглинання у-випромінювання в цьому випадку відбуваються абсолютно пружно, тобто практично без втрат енергії. Явище пружного випромінювання або поглинання у-квантів ядрами атомів, зв'язаними у твердому тілі, що не супроводжується зміною внутрішньої енергії тіла, називається ефектом Мессбауера (від імені вченого, який досліджував це явище і встановив його закономірності). Інші види радіоактивності а) Протонна радіоактивність — випромінювання протона з ядра в основному стані. Звичайно цей процес спостерігається в штучно отриманих ядрах із великим дефіцитом нейтронів. б) Спонтанний поділ — самодовільне розщеплення ядер із Z >. 90 (торій, протактиній, уран і трансуранові елементи) на два ядра-осколки з приблизно однаковими масами (M1:М2Експериментально доведено, що енергія зв'язку Д Наскладає тільки 1 % енергії спокою атома, причому для різних ядер її точні значення сильно коливаються. Частка, яку складає енергія взаємодії нуклонів від енергії спокою, залежить від кількості взаємодіючих нуклонів. Зі зростанням кількості нуклонів вона спочатку зростає, а потім зменшується. Особливо міцно нуклони зв'язані в середніх за масою ядрах, слабше — у важких і дуже легких ядрах. Основна причина розходження в енергії зв'язку різних атомів полягає в тому, що різні нуклони в ядрі вступають у різні за силою взаємодії. Умовно всі нуклони ядра можна розділити на дві групи: внутрішні й зовнішні (поверхневі). Внутрішні нуклони оточені сусідами з усіх боків, а зовнішні мають сусідів тільки з внутрішнього боку. Аналогічно до поверхневого натягу рідин внутрішні нуклони ядра взаємодіють із сусідами сильніше, ніж поверхневі. У легких ядер частка внутрішніх нуклонів дуже мала. Можна сказати, що в них усі нуклони є зовнішніми. Зі збільшенням маси ядра частка внутрішніх нуклонів збільшується, а разом із нею зростає і енергія зв'язку. Однак, починаючи з певного числа нуклонів (А = 40—60), стає помітним їхнє електричне відштовхування, що призводить до зменшення енергії зв'язку у важких ядер. Розходження в енергії зв'язку різних ядер може бути використане для звільнення внутрішньоядерної енергії. Наприклад, якщо ядро Урану розділити навпіл, то сумарна маса отриманих половинних ядер складає 0,999 від маси вихідного ядра. Надлишок маси перетвориться на енергію. Саме цей принцип покладено в основу практичного використання реакцій поділу ядер. При синтезі легких ядер, тобто при їхньому злитті в більш важкі, також відбувається виділення енергії. Це відбувається за рахунок того, що утворюються більш стійкі ядра, взаємозв'язок нуклонів у яких набагато сильніший, ніж у вихідних ядрах. Тому процес їхнього злиття виявляється енергетично вигідним. На сьогодні проблема практичного синтезу не вирішена до кінця, хоча цей напрямок видобутку ядерної енергії є вигіднішим, ніж ядерний поділ (енергія синтезу, що припадає на одиницю маси, кількісно в кілька разів перевершує питому енергію поділу). Зараз уже добре освоєний вибуховий синтез, але здійсненню керованої термоядерної реакції ще перешкоджає ряд певних труднощів. Так, щоб виділювана ядром енергія була більшою за поглинену, необхідним є виконання критерію Лоусона. Відповідно до нього, густина у температура Г і час утримання г дейтерій-тритієвої плазми повинні задовольняти умовам см3 • с T=108 K Існує два способи домогтися відповідності до критерію Лоусона: — повільно ( 0,1 с) нагрівати щільну ( 1015 см 3) плазму великого об'єму (сотні кубічних метрів) до температури Т= 108К; — надшвидко (t = 10-9 с) нагріти конденсовану термоядерну речовину дуже малого об'єму (V= 1 мм3). Сьогодні вчені багатьох країн шукають можливості створення подібних умов, щоб керувати процесами, які відбуваються в ядрі. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Т.1. Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. –К, 1999.–532 с. 2. Матвеєв О.М. Механіка і теорія відносності. –К., 1993.–288 с. 3. Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 6 т. Т.1. Механика.–М., 1989.–520 с. 4. Іванків Л.І., Палюх Б.М. Механіка.– К., 1995.– 227 с. 5. Хайкін С.Е. Фізичні основи механіки.– К., 1966.– 743 с. 6. Кушнір Р. Курс фізики. Ч.1: Механіка. –Львів, 2000.– 196 с. 7. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика.– М., 1987.– 416 с. 8. Иродов Н.Е. Основные законы механики.– М., 1985.– 248 с. | |
| Переглядів: 857 | |
| Всього коментарів: 0 | |