Mis on alfa- ja beeta-lagunemine? Beeta lagunemine, alfa lagunemine: valemid ja reaktsioonid. Tuumateisenduste tüübid, alfa- ja beetalagunemine Kuidas see muutub b lagunemise ajal
Raskete ioonide akumulaatorid avavad põhimõtteliselt uusi võimalusi eksootiliste tuumade omaduste uurimisel. Eelkõige võimaldavad need koguda ja pikka aega kasutada täielikult ioniseeritud aatomeid - "paljaid" tuumasid. Selle tulemusena saab võimalikuks uurida aatomituumade omadusi, millel puudub elektrooniline keskkond ja milles puudub aatomi tuumaga välise elektronkihi Coulombi efekt.
Riis. 3.2 E-püüdmise skeem isotoobis (vasakul) ja täielikult ioniseeritud aatomites ja (paremal)
Aatomi lagunemine seotud olekusse avastati esmakordselt 1992. aastal. Täheldati täielikult ioniseeritud aatomi β - lagunemist seotud aatomi olekuteks. Aatomituumade N-Z diagrammil on 163 Dy tuum tähistatud mustaga. See tähendab, et see on stabiilne kernel. Tõepoolest, neutraalse aatomi osana on 163 Dy tuum stabiilne. Selle põhiseisundit (5/2+) saab asustada 163 Ho tuuma põhiolekust (7/2+) e-püüdmise tulemusena. Elektronkihiga ümbritsetud 163 Ho tuum on β - -radioaktiivne ja selle poolestusaeg on ~10 4 aastat. See kehtib aga ainult siis, kui arvestada elektronkihiga ümbritsetud tuuma. Täielikult ioniseeritud aatomite puhul on pilt põhimõtteliselt erinev. Nüüd osutub 163 Dy tuuma põhiseisund energialt kõrgemaks kui 163 Ho tuuma põhiseisund ja avaneb võimalus 163 Dy lagunemiseks (joonis 3.2).
| → + e - + e . | (3.8) |
Lagunemise tulemusena tekkinud elektroni saab kinni püüda iooni vabale K- või L-kihile. Selle tulemusena on lagunemisel (3.8) selline vorm
→ + e - + e (seotud olekus).
β-lagunemise energiad K- ja L-kesteks on vastavalt (50,3±1) keV ja (1,7±1) keV. Et jälgida ESR-i salvestusrõnga K- ja L-kestade lagunemist seotud olekutesse, koguti GSI-sse 108 täielikult ioniseeritud tuuma. Kogunemisajal tekkisid β + -lagunemise tulemusena tuumad (joon. 3.3).
Riis. 3.3. Ioonide akumulatsiooni dünaamika: a - katse erinevatel etappidel ESR-i salvestusrõngasse kogunenud Dy 66+ ioonide vool, β - Dy 66+ ja Ho 67+ ioonide intensiivsused, mõõdetuna vastavalt välise ja sisemise asukohatundlike detektoritega
Kuna Ho 66+ ioonidel on praktiliselt sama M/q suhe kui primaarkiire Dy 66+ ioonidel, akumuleeruvad nad samale orbiidile. Kogunemisaeg oli ~30 min. Dy 66+ tuuma poolestusaja mõõtmiseks tuli orbiidile kogunenud kiir puhastada Ho 66+ ioonide segust. Kiire puhastamiseks ioonidest süstiti kambrisse argooni gaasijuga tihedusega 6·10 12 aatom/cm 2 ja läbimõõduga 3 mm, mis läbis akumuleerunud ioonkiire vertikaalsuunas. Tänu sellele, et Ho 66+ ioonid püüdsid elektrone kinni, langesid nad tasakaaluorbiidilt välja. Tala puhastati umbes 500 s. Pärast seda gaasijuga blokeeriti ja rõngas ringlesid edasi Dy 66+ ioonid ja äsja tekkinud (pärast gaasijoa väljalülitamist) lagunemise tulemusena tekkinud Ho 66+ ioonid. Selle etapi kestus oli 10 kuni 85 minutit. Ho 66+ tuvastamine ja tuvastamine põhines asjaolul, et Ho 66+ saab edasi ioniseerida. Selleks süstiti viimases etapis hoiurõngasse uuesti gaasijuga. 163 Ho 66+ ioonilt eemaldati viimane elektron ja selle tulemusena saadi ioon 163 Ho 67+. Gaasijoa lähedal asus asenditundlik detektor, mis registreeris kiirest väljuvat 163 Ho 67+ iooni. Joonisel fig. 3.4 näitab β-lagunemise tulemusena tekkinud 163 Ho tuumade arvu sõltuvust akumulatsiooniajast. Sisend näitab asukohatundliku detektori ruumilist eraldusvõimet.
Seega tõestas 163 Ho tuuma kuhjumine 163 Dy kiires lagunemise võimalikkust.
→ + e - + e (seotud olekus).
Riis. 3.4. Tütarioonide 163 Ho 66+ ja primaarsete ioonide suhe 163 Dy 66+ olenevalt akumulatsiooniajast. Sisend näitab sisemise detektori salvestatud 163 Ho 67+ tippu.
Muutes ajavahemikku kiirte puhastamise Ho 66+ lisandist ja lisandikiires äsja moodustunud Ho 66+ ioonide tuvastamise aega, saab mõõta täielikult ioniseeritud Dy 66+ isotoobi poolestusaega. Selgus, et ~0,1 aastat.
Sarnane lagunemine leiti ka 187 Re 75+ puhul. Saadud tulemus on astrofüüsika jaoks äärmiselt oluline. Fakt on see, et neutraalsete 187 Re aatomite poolestusaeg on 4·10 10 aastat ja neid kasutatakse radioaktiivsete kelladena. 187 Re 75+ poolväärtusaeg on vaid 33 ± 2 aastat. Seetõttu tuleb astrofüüsikalistes mõõtmistes teha vastavad parandused, kuna tähtedes on 187 Re kõige sagedamini ioniseeritud olekus.
Täielikult ioniseeritud aatomite omaduste uurimine avab uue uurimissuuna eksootilised omadused tuumad, millel puudub välise elektronkihi Coulombi efekt.
Alfa lagunemine(a-lagunemine) - aatomituumade radioaktiivse lagunemise tüüp, alfaosakese eraldumisel väheneb tuuma laeng 2 ühiku võrra, massiarv - 4 võrra. Alfa lagunemine on iseloomulik suure aatomiga radioaktiivsetele elementidele. number Z.
Riis. üks. A-lagunemise skemaatiline esitus.
Alfa lagunemine on aatomituuma spontaanne muundumine prootonite arvuga Z ja neutronid N teise (tütar)tuuma, mis sisaldab prootonite arvu Z-2 ja neutronid N- 2. Sel juhul eraldub a-osake - heeliumi aatomi tuum 4//^+.
Algse tuuma a-lagunemisel väheneb saadud tuuma aatomnumber kahe ühiku võrra ja massiarv 4 ühiku võrra vastavalt skeemile:
A-lagunemise näideteks on uraan-238 isotoobi lagunemine:
(selle lagunemise ajal lendavad tooriumi tuum ja a-osake kineetilise energiaga 0,07 MeV ja 4,18 MeV) ja raadium-226:
Siin avaldub Fajansi ja Soddy sõnastatud nihkereegel: a-kiirte emissiooni käigus teisest elemendist moodustunud element hõivab perioodilisuse süsteemis koha kaks rühma algelemendist vasakul.
Tuumade ebastabiilsuse astet iseloomustab poolväärtusaja väärtus – ajavahemik, mille jooksul pool antud radioaktiivse isotoobi tuumadest laguneb. Enamikul radioaktiivsetest isotoopidest on keerulised lagunemismustrid. Sellistel juhtudel näitavad diagrammid seda tüüpi kiirguse protsenti üleminekute koguarvust (joonis 1 ja 2).
Riis. 2. 230 Th lagunemise skeem.
Kogu a-lagunemisenergia:
kus E a on a-osakese energia, E tl on tagasilöögi aatomi energia ja Rnshb on tütartuuma ergastusenergia.
Kergemate paarisarvuliste nukliidide jaoks (L
A-osakeste kineetiline energia alfa lagunemise ajal (E ja) määratakse alg- ja lõpptuumade ning a-osakeste massiga. See energia võib mõnevõrra väheneda, kui lõplik tuum moodustub ergastatud olekus, ja vastupidi, mõnevõrra suureneda, kui a-osakest kiirgav tuum ergastatakse (sellisi suurenenud energiaga a-osakesi nimetatakse kaugmaaks). Kuid kõigil juhtudel on a-lagunemisenergia alati seotud alg- ja lõpptuuma massierinevuse ja ergastustasemetega ning seetõttu ei ole emiteeritud a-osakeste spekter alati pidev, vaid vooderdatud.
A-lagunemise ajal vabanev energia
kus Ma ja M A -4 on vanem- ja tütartuumade massid, M a - a-osakese mass. Energia E jaguneb a-osakeste ja tütartuuma vahel pöördvõrdeliselt nende massiga, kust a-osakeste energia:
Tagasilöögi energia:
Tütartuuma tagasilöögienergia jääb tavaliselt vahemikku 0,1 MeV, mis vastab mitme millimeetri suurusele teele õhus.
Maapealsetes tingimustes on umbes 40 a-radioaktiivset isotoopi. Need on ühendatud kolmeks radioaktiivseks reaks, mis algavad tähega 2 3 6 U ( AGA = 477), 2 3 8 U (AGA = 477+2), 2 35U ( AGA = 477+3). Need võivad olla tinglikult (kuna selle seeria isotoobid jõudsid Maa eksisteerimise ajal laguneda), sisaldada neljandat seeriat, mis algab 2 3?Np-ga (L = 477+1). Pärast järjestikuste lagunemiste seeriat moodustuvad stabiilsed tuumad prootonite ja neutronite arvuga, mis on maagilistele numbritele (Z=82, N=126) lähedased või nendega võrdsed, vastavalt 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2° 7 Pb, 2° 9Bi . "-aktiivsete tuumade eluiga on vahemikus alates jah 17 aastat (2 °4Pb) kuni 3.* 7 s (212 Rho). Nukliidid ja 2 Ce, *44Ne, 17 4Hf on pikaealised ja nende poolestusajad on
(2+5) 10*5 aastat.
Riis. 3. Lamedad a-kiirte kiired väikese suurusega allikast: a - allikas 210 Rho, üks a-kiirte rühm; b - 227 Th allikas, kaks rühma, mille vahemikud on lähedased; c - 2u Bi+ 2n Po allikas, kaks 211P0 a-osakest on nähtavad; d - ~ 8 Th allikas koos selle lagunemissaaduste ^Ra, 2 3-Th, 21b Po, 212 Bi+ 212 Po 6 rühmadega.
Alfa lagunemine on võimalik, kui a-osakese sidumisenergia lähtetuuma suhtes on negatiivne. Selleks, et tuum oleks a-radioaktiivne, on vaja täita tingimus, mis on energia jäävuse seaduse tagajärg.
M (ah?) >M(A-4^-2) + M a, (9)
kus M(A,Z) Ja M(A- 4, Z-2) on vastavalt alg- ja lõpptuumade puhkemassid, M a on a-osakese mass. Sellisel juhul omandavad lõplik tuum ja a-osake lagunemise tulemusena kogu kineetilise energia E.
A-osakeste kineetiline energia varieerub vahemikus 1,83 MeV (*44Nd) kuni 11,65 MeV (212n Po isomeer). Raskete raamide poolt kiirgavate a-osakeste energia põhiolekutest on 4 + 9 MeV ja haruldaste muldmetallide elementide energia on 2 + 4,5 MeV. Tüüpilise energiaga a-osakese vahemik E a \u003d 6 MeV on õhus temperatuuril -5 cm normaalsetes tingimustes ja ~0,05 mm A1-s.
Riis. 4. Plutooniumi isotoopide eksperimentaalne a-spekter.
Algtuuma lagunemisel tekkiv -osakeste spekter koosneb sageli mitmest monoenergeetilisest joonest, mis vastavad kvantüleminekutele tütartuuma erinevatele energiatasemetele.
Kuna a-osakel puudub spinn, kehtib valik impulsi momendi kohta I-L ja pariteet, mis tulenevad vastavatest looduskaitseseadustest, osutuvad lihtsaks. nurkmoment L või-osakesed võivad võtta väärtusi vahemikus:
kus /, ja Kui- tuumade (vanem ja laps) alg- ja lõppseisundi nurkmoment. Sel juhul on lubatud ainult paaris väärtused L, kui mõlema oleku pariteedid langevad kokku, ja paarituid, kui pariteedid ei lange kokku.
Riis. 5. Sõltuvus lg T alates E a "1/2 polooniumi, radooni ja raadiumi ühtlaste ja ühtlaste isotoopide jaoks.
A-lagunemise omadus on kindla ja pealegi väga tugeva sõltuvuse olemasolu emiteeritud d-osakeste energia ja d-radioaktiivsete tuumade poolestusaja vahel. A-osakeste energia väikese muutusega muutuvad poolestusajad (T) mitme suurusjärgu võrra. Nii et 2 s 2 Tb?n = 4,08 MeV, 7 = 1,41 10 yu l ja 2l8 Th E a = 9,85 MeV, T\u003d u ms. Kahekordne energiamuutus vastab poolestusaja muutusele 24 suurusjärku.
Ühe elemendi paaris-paaris isotoopide puhul kirjeldab poolestusaja sõltuvust a-lagunemisenergiast hästi seos (Geiger-Nettalli seadus):
kus Ci ja c 2 on Z-st nõrgalt sõltuvad konstandid.
Lagunemiskonstandi jaoks on Geigeri-Netalli seadus järgmine:
kus binb2- konstandid ja b 2 -üldine ja b- iga loomuliku seeria jaoks individuaalne, R- a-osakese teepikkus õhus, E a - a-osakese energia.
Seda laadi sõltuvuse tuvastasid empiiriliselt 1912. aastal G. Geiger ja J. Netall ning 1928. aastal põhjendas seda teoreetiliselt G. Gamow tunneli üleminekul toimuva a-lagunemisprotsessi kvantmehaanilise analüüsi tulemusena. Teooria kirjeldab hästi paaris-paarituumade põhiolekute vahelisi üleminekuid. Paaritu-, paaris- ja paarituumate puhul jätkub üldine trend, kuid nende poolestusajad on 2-1000 korda pikemad kui paaris-paaris tuumade puhul, mille Z ja E a.
A-radioaktiivsuse levimuse määrab suuresti selliste tuumade eluea tugev sõltuvus nende lagunemise energiast. See energia on positiivne, kui poolväärtusaeg on vahemikus AGA\u003d 200 on ainult 1,810 m2 Ci).
Elementide isotoopide jaoks koos Z
Teada on üle 200 a-aktiivse tuuma, mis paiknevad peamiselt perioodilise süsteemi lõpus, plii taga (Z>82), mis lõpetab prootoni tuumakesta täitmise Z=82-ga. Alfa lagunemine on seotud
Coulombi tõrjumine, mis suureneb tuumade suuruse kasvades kiiremini (nagu Z 2) kui tuuma tõmbejõud, mis kasvavad lineaarselt koos massiarvu A suurenemisega.
Riis. Joonis 6. Elementide polooniumist (Z=84) kuni fermiumi (Z=ioo) isotoopide a-lagunemisenergia sõltuvus tuumades olevate neutronite arvust.
Samuti on umbes 20 haruldaste muldmetallide elementide a-radioaktiivset isotoopi (A=i40-ri6o). Siin on a-lagunemine kõige tüüpilisem tuumadele, millel on N= 84, mis a-osakeste emiteerimisel muudetakse täidetud neutronkestaga tuumadeks (N= 82). Haruldaste muldmetallide ja raskete tuumade vahelises pilus on ka väike rühm a-emitreid ning punktidest A ~ punktini on mitu a-emiteerivat neutronite puudulikku tuuma.
A-aktiivsete tuumade eluiga on väga erinev: 3-10-"sek (2,2 Rho puhul) kuni (2-5)-10*5 l (looduslikud isotoobid '4 2 Ce, * 44Nd, WHO. Energia a-lagunemine jääb kõigi raskete tuumade puhul vahemikku 44-9 MeV (välja arvatud kaugmaa a-osakeste puhul) ja haruldaste muldmetallide elementide puhul 24-4,5 MeV. -100 on näidatud joonisel 6.
A-lagunemisteoorias eeldatakse, et lähtetuum on a-osakeste potentsiaalikaev, mida piirab potentsiaalse barjäär. Tuumas oleva a-osakese energiast ei piisa selle barjääri ületamiseks. A-osakese pääsemine tuumast on võimalik ainult tänu kvantmehaanilisele nähtusele, mida nimetatakse tunneliefektiks. Kvantmehaanika järgi on osakese potentsiaalse barjääri läbimise tõenäosus nullist erinev. Tunnelistumise nähtusel on tõenäosuslik iseloom.
tunneli efekt(tunneldamine) - potentsiaalse barjääri ületamine mikroosakesega juhul, kui selle koguenergia (mis jääb tunneldamisel muutumatuks) on väiksem kui barjääri kõrgus. tunneli efekt - kvantloomuse nähtus, klassikalises mehaanikas võimatu; Tunneliefekti analoogiks laineoptikas võib olla valguslaine tungimine peegelduskeskkonda tingimustes, kui geomeetriline optika, tekib täielik sisepeegeldus. Tunneliefekti nähtus on paljude aatomi- ja molekulaarfüüsika oluliste protsesside aluseks, sisse tuumafüüsika, tahke keha jne. Lõppkokkuvõttes seletatakse tunneldamist määramatuse suhtega.
Riis. 7.
Peamine tegur, mis määrab a-lagunemise tõenäosuse ja selle sõltuvuse a-osakese energiast ja tuuma laengust, on Coulombi barjäär. Lihtsaim a-lagunemise teooria on taandatud a-osakese liikumise kirjeldamisele tõkkega potentsiaalses süvendis (joonis 7). Kuna a-osakeste energia on 5-10 MeV ja Coulombi barjääri kõrgus raskete tuumade puhul on 254-30 MeV, siis saab a-osakese tuumast väljapääsemine toimuda vaid tunneliefekti tõttu, tõenäosus millest määrab barjääri läbilaskvus. A-lagunemise tõenäosus sõltub eksponentsiaalselt a-osakese energiast.
Joonisel fig. Joonisel 7 on kujutatud a-osakese ja jääktuuma vastasmõju potentsiaalse energia sõltuvust nende tsentrite vahelisest kaugusest. Coulombi potentsiaal on kaugelt ära lõigatud R, mis on ligikaudu võrdne jääktuuma raadiusega. Coulombi barjääri kõrgus on otseselt võrdeline tuuma laenguga, a-osakese laenguga ja pöördvõrdeline R=r (A 1/s, r 0 on südamiku raadius. See on üsna märkimisväärne, näiteks 2 s**u puhul on Coulombi barjääri kõrgus 30 MeV, mistõttu klassikaliste kontseptsioonide kohaselt ei saa 4,5 MeV energiaga a-osake sellist barjääri ületada. Kuid tänu oma lainelistele omadustele ületab a-osake sellise barjääri.
Tuuma energiadiagrammil saab eristada kolme piirkonda:
i" - sfääriline potentsiaal sügavusega kaev v. Klassikalises mehaanikas kineetilise energiaga a-osake E a + V 0 võib selles piirkonnas liikuda, kuid ei saa sealt lahkuda. Selles piirkonnas on a-osakese ja jääktuuma vahel tugev interaktsioon.
R on potentsiaalse barjääri piirkond, milles potentsiaalne energia on suurem kui a-osakese energia, s.t. see on klassikalise osakese jaoks keelatud ala.
7*>r e on potentsiaalsest barjäärist väljapoole jääv piirkond. Kvantmehaanikas on a-osakesel võimalik barjääri läbida (tunneldamine), kuid selle juhtumise tõenäosus on väga väike.
Gamow tunneliteooria selgitas a-kiirgavate nukliidide poolestusaja tugevat sõltuvust a-osakese energiast. Paljude tuumade poolestusaega ennustati aga suurte vigadega. Seetõttu on Gamow teooriat korduvalt täiustatud. Nii nullist erineva orbitaalimpulsiga tuumade lagunemise võimalus kui ka tuumade tugev deformatsioon (α-osakesed lendavad tõenäolisemalt mööda ellipsoidi peatelge välja ja keskmine emissiooni tõenäosus erineb sfäärilise tuuma omast ) jne, võeti arvesse. Gamow teooria ei võtnud arvesse alg- ja lõpptuumade olekute struktuuri ning tuumas a-osakese tekkimise probleemi, mille tõenäosuseks eeldati 1. Paaris-paaris tuumade puhul , kirjeldab see lähendus katset üsna hästi. Kui aga esialgsete tuumade struktuuri ümberkorraldamine lõplikeks tuumadeks on märgatavalt keeruline, võivad poolväärtusaegade arvutatud väärtused muutuda kahe suurusjärgu võrra.
Alfaosake ei eksisteeri a-lagunevas tuumas kogu aeg, vaid teatud lõpliku tõenäosusega ilmub ta oma pinnale enne lahkumist. Raskete tuumade pinnakihis on nukleonide a-osakeste rühmitused, mis koosnevad kahest prootonist ja kahest neutronist (a-klastritest). On teada, et a-lagunemine toimub 2-4 suurusjärku kiiremini, kui a-osake moodustub neutronite ja prootonite paaridest, võrreldes lagunemisega, kui a-osake moodustub paaritutest nukleonitest. Esimesel juhul nimetatakse a-lagunemist soodsaks ja kõik a-üleminekud paaris-paarituumade põhiseisundite vahel osutuvad sellisteks. Teisel juhul nimetatakse a-lagunemist ebasoodsaks.
1. TUUMAARI FÜÜSIKA 1.4. β-lagunemine
1.4. Beeta lagunemine.
Beeta-lagunemise tüübid ja omadused. Beeta-lagunemise teooria elemendid. Radioaktiivsed perekonnad
beeta lagunemine tuum on ebastabiilse tuuma iseeneslik muundumine isobar tuumaks elektroni (positroni) emissiooni või elektroni kinnipüüdmise tulemusena. Teada on umbes 900 beeta-radioaktiivset tuuma. Neist ainult 20 on looduslikud, ülejäänud on kunstlikult saadud.
Beeta-lagunemise tüübid ja omadused
Neid on kolme tüüpi β - lagunemine: elektrooniline β – lagunemine, positron β + -lagunemine ja elektronide püüdmine ( e- jäädvustada). Esimene neist on peamine.
Kell elektrooniline β – - lagunemineüks tuuma neutronitest muutub elektroni emissiooniga prootoniks ja elektroni antineutriinoks.
Näited: vaba neutroni lagunemine
, T 1/2 = 11,7 min;
triitiumi lagunemine
, T 1/2 = 12 aastat vana.
Kell positroon β + - lagunemineüks tuuma prootonitest muutub positiivselt laetud elektroni (positroni) ja elektronneutriino emissiooniga neutroniks
. (1,41b)
Näide
·
Võrreldes suguvõsade esivanemate poolestusaegu Maa geoloogilise elueaga (4,5 miljardit aastat), on näha, et peaaegu kogu toorium-232 on Maa aines säilinud, uraan-238 on lagunenud aastaks. umbes pool, uraan-235 - enamasti on neptuunium-237 praktiliselt kõik.
Vastavalt radioaktiivse kiirguse tüüpidele on mitut tüüpi radioaktiivset lagunemist (radioaktiivsete transformatsioonide tüübid). Elemendid, mille tuumas on liiga palju prootoneid või neutroneid, läbivad radioaktiivse transformatsiooni. Mõelge radioaktiivse lagunemise liikidele.
1. Alfa lagunemine mis on iseloomulik suure seerianumbriga (st madala sidumisenergiaga) looduslikele radioaktiivsetele elementidele. Alfa-aktiivseid tuumasid on teada umbes 160, enamasti on nende seerianumber üle 82 (Z > 82). Alfa lagunemisega kaasneb alfaosakese eraldumine ebastabiilse elemendi tuumast, mis on heeliumi aatomi He tuum (sisaldab 2 prootonit ja 2 neutronit). Tuumalaeng väheneb 2 võrra, massiarv - 4 võrra.
ZAX → Z-2 A-4 Y + 2 4He; 92 238U → 24 He + 90 234th;
88 226Ra→2 4He + 86 222Ra + γ radi.
Alfa lagunemine läbib üle 10% radioaktiivsetest isotoopidest.
2. Beeta lagunemine. Mitmed looduslikud ja tehislikud radioaktiivsed isotoobid lagunevad, eraldades elektrone või positroneid:
a) Elektrooniline beeta-lagundamine. iseloomulik nii looduslikele kui tehislikele radionukliididele, millel on neutronite liig (st peamiselt rasketele radioaktiivsetele isotoopidele). Umbes 46% kõigist radioaktiivsetest isotoopidest läbib elektroonilise beeta-lagunemise. Sel juhul muutub üks neutronitest ja tuum kiirgab ka antineutriino. Tuuma laeng ja vastavalt ka elemendi aatomnumber suureneb ühe võrra, samas kui massiarv jääb muutumatuks.
AZ X → AZ+1 Y + e- + v-; 24194Pu → 24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.
β-osakeste kiirgamisel võivad aatomite tuumad olla ergastatud olekus, kui tütartuumas leitakse energia ülejääk, mida korpuskulaarsed osakesed kinni ei võta. See liigne energia eraldub gammakiirte kujul.
13785Cs → 13756 Ba + e - + v- + γ radi.;
b) positroni beeta lagunemine. Seda täheldatakse mõnedes tehislikes radioaktiivsetes isotoopides, mille tuumas on prootonite liig. See on tüüpiline 11% radioaktiivsete isotoopide kohta D.I. Mendelejevi tabeli esimeses pooles (Z<45). При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в , заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.
AZX → AZ-1Y + e+ + v+; 3015P → 3014Si + e+ + v+; 6428Ni + e+ + v+.
Tuumast välja lendav positroon rebib kestast välja "lisa" aatomi või interakteerub vaba elektroniga, moodustades "positron-elektron" paari, mis muutub hetkega kaheks gammakvandiks, mille energia on ekvivalentne osakesed (e ja e). Positroni-elektron paari teisenemist kaheks gamma-kvandiks nimetatakse annihilatsiooniks (annihilatsiooniks) ja tekkivat elektromagnetkiirgust annihilatsiooniks. Sel juhul muundub üks ainevorm (aineosakesed) teiseks – gamma-footoniteks;
c) elektrooniline püüdmine. See on omamoodi radioaktiivne transformatsioon, kui aatomi tuum haarab elektroni tuumale lähima energia K-tasemelt (elektrooniline K-püüdmine) või harvemini 100 korda L-tasemelt. Selle tulemusena neutraliseeritakse elektroni poolt üks tuuma prootonitest, muutudes tuumaks. Uue tuuma seerianumber muutub ühe võrra väiksemaks, kuid massiarv ei muutu. Tuum kiirgab antineutriinot. Vabanenud koha, mille hõivatu hõivas K- või L-tasandil, täidab tuumast kaugemal asuvate energiatasemete elektron. Selle ülemineku käigus vabanenud üleliigse energia kiirgab aatom iseloomuliku röntgenikiirgusena.
AZX + e- → AZ-1 Y + v- + röntgenikiirgus;
4019K + e- → Ar + v- + röntgenikiirgus;
6429Cu + e- → 6428 Ni + v- + röntgenikiirgus.
Elektrooniline K-püüdmine on tüüpiline 25% kõigist radioaktiivsetest tuumadest, kuid peamiselt D.I teises pooles asuvate tehislike radioaktiivsete isotoopide jaoks. Mendelejev ja prootonite liig (Z = 45 - 105). Ainult kolm looduslikku elementi läbivad K-hõive: kaalium-40, lantaan-139, luteetium-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).
Mõned tuumad võivad laguneda kahel või kolmel viisil: alfa- ja beetalagunemise ning K-püüdmise teel.
Kaalium-40 läbib, nagu juba märgitud, elektroonilise lagunemise - 88% ja K-püüdmise - 12%. Vask-64 (6428Сu) muutub nikliks (positroni lagunemine - 19%, K-püüdmine - 42%; (elektrooniline lagunemine - 39%).
3. γ-kiirguse emissioon ei ole radioaktiivse lagunemise liik (elementide muundumine puudub), vaid see on elektromagnetlainete voog, mis tekib aatomituumade (nii looduslike kui ka tehislike radioaktiivsete isotoopide) alfa- ja beetalagunemisest. kui tütartuumas osutub üleliigseks energiaks, mida korpuskulaarne kiirgus (alfa- ja beetaosakesed) ei haara. See ülejääk kuvatakse koheselt gamma kvantide kujul.
13153I → 13154Xe + e- +v- +2γ kvant; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ kvant.
4. - prootoni emissioon tuumast põhiolekus. Seda protsessi võib täheldada kunstlikult toodetud tuumades, kus on suur neutronite defitsiit:
luteetium - 151 (15171Lu) - selles on 24 neutronit vähem kui stabiilses isotoobis 17671Lu.
Teadaolevate α-radioaktiivsete tuumade poolestusajad on väga erinevad. Seega on volframi isotoobi 182 W poolestusaeg T 1/2 > 8,3·10 18 aastat ja 219 Pa protaktiinumi isotoobi T 1/2 = 5,3·10 -8 s.
Riis. 2.1. Radioaktiivse elemendi poolestusaja sõltuvus looduslikult radioaktiivse elemendi α-osakese kineetilisest energiast. Katkendjoon on Geigeri-Nattalli seadus.
Ühtlaste ja paaritute isotoopide puhul poolväärtusaja sõltuvus α-lagunemisenergiast Q α kirjeldas empiiriline Geigeri-Nettoli seadus
kus Z on lõpliku tuuma laeng, poolväärtusaeg T 1/2 on väljendatud sekundites ja α-osakese E α energia on MeV. Joonisel fig. 2.1 näitab α-radioaktiivsete paaritute isotoopide (Z varieerub vahemikus 74 kuni 106) poolväärtusaegade eksperimentaalseid väärtusi ja nende kirjeldamist seose (2.3) abil.
Paaritu-, paaris- ja paarituumate puhul üldine sõltuvustrend
Säilib lg T 1/2 Q α-st, kuid poolestusajad on 2–100 korda pikemad kui paaris-paaris tuumade puhul, millel on sama Z ja Q α.
α-lagunemise toimumiseks on vajalik, et algtuuma M(A,Z) mass oleks suurem kui lõpptuuma M(A-4, Z-2) ja α masside summa. -osake Mα:
kus Q α = c 2 on α-lagunemise energia.
Kuna M α<< M(A-4, Z-2),
α kannab suurema osa α-lagunemisenergiast ära ‑
osake ja ainult ≈ 2% - lõplik tuum (A-4, Z-2).
Paljude radioaktiivsete elementide α-osakeste energiaspektrid koosnevad mitmest joonest (α-spektrite peenstruktuur). α-spektri peenstruktuuri ilmnemise põhjuseks on algtuuma (A, Z) lagunemine tuuma ergastatud olekusse (A-4, Z-2). α-osakeste spektreid mõõtes saab teavet ergastatud olekute olemuse kohta
tuumad (A-4, Z-2).
A- ja Z-tuumade vahemiku määramiseks, mille puhul α-lagunemine on energeetiliselt võimalik, kasutatakse tuumade sidumisenergiate eksperimentaalseid andmeid. α-lagunemise Q α energia sõltuvus massiarvust A on näidatud joonisel fig. 2.2.
Jooniselt fig. Jooniselt 2.2 on näha, et α-lagunemine muutub energeetiliselt võimalikuks alates A ≈ 140. Piirkondades A = 140–150 ja A ≈ 210 on Q α selged maksimumid, mis tulenevad tuuma kesta struktuurist. Maksimum A = 140–150 juures on seotud neutronkesta täitumisega maagilise numbriga N =A – Z = 82 ja maksimum A ≈ 210 juures on seotud prootoni kesta täitumisega punktis Z
= 82. Just tänu aatomituuma kestastruktuurile algab α-aktiivsete tuumade esimene (haruldaste muldmetallide) piirkond N = 82 ja eriti arvukaks muutuvad rasked α-radioaktiivsed tuumad, alates Z = 82-st.
Riis. 2.2. α-lagunemisenergia sõltuvus massiarvust A.
Poolväärtusaegade lai valik, aga ka nende perioodide suured väärtused paljude α-radioaktiivsete tuumade puhul on seletatavad asjaoluga, et α-osake ei saa "hetkeliselt" tuumast lahkuda, hoolimata asjaolust, et see on energeetiliselt soodne. Tuumast lahkumiseks peab α-osake ületama potentsiaalse barjääri - tuuma piiril oleva piirkonna, mis tekib α-osakese ja lõpptuuma elektrostaatilise tõukejõu potentsiaalse energia ja tõmbejõudude toimel. nukleonite vahel. Klassikalise füüsika seisukohalt ei saa α-osake potentsiaalset barjääri ületada, kuna tal puudub selleks vajalik kineetiline energia. Kvantmehaanika tunnistab aga sellist võimalust − α ‑
osakesel on teatud tõenäosus läbida potentsiaalse barjääri ja lahkuda tuumast. Seda kvantmehaanilist nähtust nimetatakse "tunneliefektiks" või "tunnelimiseks". Mida suurem on tõkke kõrgus ja laius, seda väiksem on tunneldamise tõenäosus ja vastavalt pikem on poolestusaeg. Suur poolestusaeg
α-emitreid seletatakse α-osakeste kineetiliste energiate ja potentsiaalsete barjääride kõrguste erineva kombinatsiooniga. Kui barjääri ei eksisteeriks, lahkuks α-osake tuumast iseloomuliku tuuma jaoks
aeg ≈ 10 -21 - 10 -23 s.
Lihtsaima α-lagunemise mudeli pakkusid 1928. aastal välja G. Gamow ning sõltumatult G. Gurney ja E. Condon. Selles mudelis eeldati, et alfaosake eksisteerib tuumas püsivalt. Kui α-osake on tuumas, mõjuvad sellele tuumatõmbejõud. Nende toimeraadius on võrreldav tuuma R raadiusega. Tuumapotentsiaali sügavus on V 0 . Väljaspool tuumapinda r > R korral on potentsiaal Coulombi tõukepotentsiaal
V(r) = 2Ze2/r.
Riis. 2.3. α-osakeste energia E α sõltuvalt neutronite arvust N
algses tuumas. Jooned ühendavad sama keemilise elemendi isotoope.
Atraktiivse tuumapotentsiaali ja tõrjuva Coulombi potentsiaali ühistegevuse lihtsustatud diagramm on näidatud joonisel 2.4. Selleks, et jõuda tuumast kaugemale, peab α-osake energiaga E α läbima potentsiaalse barjääri, mis on suletud piirkonnas R kuni R c . α-lagunemise tõenäosuse määrab peamiselt tõenäosus D, et α-osake läbib potentsiaalse barjääri
Selle mudeli raames oli võimalik selgitada tõenäosuse α tugevat sõltuvust ‑ lagunemine α-osakese energiast.
Riis. 2.4. α-osakese potentsiaalne energia. potentsiaalne barjäär.
Lagunemiskonstandi λ arvutamiseks on vaja korrutada α-osakese potentsiaalbarjääri läbimise koefitsient esiteks tõenäosusega w α, et α-osake tekkis tuumas, ja teiseks tõenäosusega, et see asub tuuma serval. Kui raadiusega R tuumas oleva α-osakesel on kiirus v, siis läheneb see piirile keskmiselt ≈ v/2R korda sekundis. Selle tulemusena saame lagunemiskonstandi λ korral seose
 |
(2.6) |
α-osakese kiirust tuumas saab hinnata selle kineetilise energia E α + V 0 põhjal tuumapotentsiaali süvendis, mis annab v ≈ (0,1-0,2) s. Sellest juba järeldub, et α-osakese olemasolul tuumas on selle barjääri D läbimise tõenäosus<10 -14 (для самых короткоживущих
относительно α‑распада тяжелых ядер).
Eeleksponentsiaalse teguri hinnangu karedus ei ole väga oluline, sest lagunemiskonstant sõltub sellest võrreldamatult nõrgemalt kui eksponendist.
Valemist (2.6) järeldub, et poolestusaeg sõltub tugevalt tuumaraadiusest R, kuna raadius R sisaldub integratsioonipiirina mitte ainult preeksponentsiaalses teguris, vaid ka eksponendis. Seetõttu on α-lagunemise andmete põhjal võimalik määrata aatomituumade raadiused. Sel viisil saadud raadiused osutuvad 20–30% suuremaks kui elektronide hajumise katsetes leiduvad. See erinevus tuleneb asjaolust, et katsetes kiirete elektronidega mõõdetakse elektrilaengu jaotusraadiust tuumas ning α-lagunemise korral mõõdetakse tuuma ja α-osakese vahelist kaugust, mille juures tuumajõud mõjutavad. lakkama tegutsemast.
Plancki konstandi olemasolu eksponendis (2.6) seletab poolestusaja tugevat sõltuvust energiast. Isegi väike energiamuutus toob kaasa eksponendi olulise muutuse ja seega ka poolestusaja väga järsu muutumise. Seetõttu on eralduvate α-osakeste energiad väga piiratud. Raskete tuumade puhul lendavad α-osakesed energiaga üle 9 MeV välja peaaegu hetkega ja energiaga alla 4 MeV elavad nad tuumas nii kaua, et α-lagunemist ei saa isegi registreerida. Haruldaste muldmetallide α-radioaktiivsete tuumade puhul vähenevad mõlemad energiad tuuma raadiuse ja potentsiaalse barjääri kõrguse vähenemise tõttu.
Joonisel fig. Joonisel 2.5 on näidatud Hf isotoopide (Z = 72) α-lagunemisenergia sõltuvus massiarvust A massiarvude vahemikus A = 156–185. Tabelis 2.1 on loetletud 156–185 Hf isotoopide α-lagunemisenergiad, poolestusajad ja peamised lagunemiskanalid. On näha, kuidas massiarvu A kasvades α-lagunemise energia väheneb, mis toob kaasa α-lagunemise tõenäosuse vähenemise ja β-lagunemise tõenäosuse suurenemise (tabel 2.1). 174 Hf isotoop, olles stabiilne isotoop (looduslikus isotoopide segus on see 0,16%), laguneb sellegipoolest poolestusajaga T 1/2 = 2 10 15 aastat α-osakese emissiooniga.
Riis. 2.5. Hf isotoopide α-lagunemisenergia Q α sõltuvus (Z = 72)
massinumbrist A.
Tabel 2.1
α-lagunemisenergia sõltuvus Q α, poolestusaeg T 1/2,
isotoopide H f (Z = 72) erinevad lagunemisviisid massiarvul A
| Z | N | A | Qα | T 1/2 | Vähenemisrežiimid (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 72 | 84 | 156 | 6.0350 | 23 ms | a (100) |
| 72 | 85 | 157 | 5.8850 | 110 ms | α (86), e (14) |
| 72 | 86 | 158 | 5.4050 | 2,85 s | α (44,3), e (55,7) |
| 72 | 87 | 159 | 5.2250 | 5,6 s | α (35), e (65) |
| 72 | 88 | 160 | 4.9020 | 13,6 s | α (0,7), e (99,3) |
| 72 | 89 | 161 | 4.6980 | 18,2 s | α (<0.13), е (>99.87) |
| 72 | 90 | 162 | 4.4160 | 39,4 s | α (<8·10 -3), е (99.99) |
| 72 | 91 | 163 | 4.1280 | 40,0 s | α (<1·10 -4), е (100) |
| 72 | 92 | 164 | 3.9240 | 111 s | e (100) |
| 72 | 93 | 165 | 3.7790 | 76 s | e (100) |
| 72 | 94 | 166 | 3.5460 | 6,77 min | e (100) |
| 72 | 95 | 167 | 3.4090 | 2,05 min | e (100) |
| 72 | 96 | 168 | 3.2380 | 25,95 min | e (100) |
| 72 | 97 | 169 | 3.1450 | 3,24 min | e (100) |
| 72 | 98 | 170 | 2.9130 | 16.01 h | e (100) |
| 72 | 99 | 171 | 2.7390 | 12,1 h | e (100) |
| 72 | 100 | 172 | 2.7470 | 1,87 h | e (100) |
| 72 | 101 | 173 | 2.5350 | 23,4 tundi | e (100) |
| 72 | 102 | 174 | 2.4960 | 2 10 15 l | e (100) |
| 72 | 103 | 175 | 2.4041 | 70 päeva | e (100) |
| 72 | 104 | 176 | 2.2580 | tünn. | |
| 72 | 105 | 177 | 2.2423 | tünn. | |
| 72 | 106 | 178 | 2.0797 | tünn. | |
| 72 | 107 | 179 | 1.8040 | tünn. | |
| 72 | 108 | 180 | 1.2806 | tünn. | |
| 72 | 109 | 181 | 1.1530 | 42,39 päeva | β – (100) |
| 72 | 110 | 182 | 1.2140 | 8,9 10 6 l | β – (100) |
| 72 | 111 | 183 | 0.6850 | 1.07 h | β – (100) |
| 72 | 112 | 184 | 0.4750 | 4.12 h | β – (100) |
| 72 | 113 | 185 | 0.0150 | 3,5 min | β – (100) |
Hf isotoobid, mille A = 176–180, on stabiilsed isotoobid. Nendel isotoopidel on ka positiivne α-lagunemisenergia. Kuid α-lagunemisenergia ~ 1, 3–2, 2 MeV on liiga madal ja nende isotoopide α-lagunemist ei ole tuvastatud, hoolimata α-lagunemise tõenäosusest, mis ei ole null. Massiarvu A edasisel suurenemisel > 180 muutub β-lagunemine domineerivaks lagunemiskanaliks.
Radioaktiivsete lagunemiste korral võib lõplik tuum olla mitte ainult põhiolekus, vaid ka ühes ergastatud olekus. α-lagunemise tõenäosuse tugev sõltuvus α-osakese energiast viib aga selleni, et lagunemine lõpliku tuuma ergastatud tasemeteks toimub tavaliselt väga madala intensiivsusega, kuna α-osakese energia väheneb, kui viimane tuum on põnevil. Seetõttu saab katseliselt jälgida ainult suhteliselt madala ergastusenergiaga lagunemist pöörlemistasemeteks. Lõpptuuma ergastatud tasemeteks lagunemine toob kaasa peenstruktuuri ilmnemise emiteeritud α-osakeste energiaspektris.
Peamine α-lagunemise omadusi määrav tegur on α-osakeste läbimine potentsiaalsest barjäärist. Teised tegurid on suhteliselt nõrgad, kuid võimaldavad mõnel juhul saada täiendavat teavet tuuma ehituse ja tuuma α-lagunemise mehhanismi kohta. Üks neist teguritest on kvantmehaanilise tsentrifugaalbarjääri ilmumine. Kui α-osake lendab tuumast (A,Z) välja spinniga J i ja sel juhul tekib lõplik tuum
(A-4, Z-2) olekus spinniga J f , siis peab α-osake kandma kaasa kogumomendi J, mis on määratletud seosega
Kuna α-osakesel on null spinn, langeb selle koguimpulss J kokku impulsi l orbitaalmomendiga, mille α-osake kannab.
Tulemuseks on kvantmehaaniline tsentrifugaalbarjäär.
Potentsiaalibarjääri kuju muutus tsentrifugaalenergiast on ebaoluline, peamiselt seetõttu, et tsentrifugaalenergia kahaneb vahemaaga palju kiiremini kui Coulombi oma (1/r 2, mitte 1/r). Kuna aga see muutus jagatakse Plancki konstandiga ja langeb eksponendisse, siis suure l korral toob see kaasa muutuse tuuma elueas.
Tabelis 2.2 on näidatud tsentrifugaalbarjääri B l arvutatud läbilaskvus orbitaalimpulsiga l emiteeritud α-osakeste puhul võrreldes tsentrifugaalbarjääri B 0 läbilaskvusega α-osakeste puhul, mis emiteeritakse orbitaalimpulsiga l = 0 tuuma puhul, mille Z = 90, α-osakese energia E α = 4,5 MeV. On näha, et α-osakeste poolt ära kantava orbiidi impulsi l suurenemisega langeb kvantmehaanilise tsentrifugaalbarjääri läbilaskvus järsult.
Tabel 2.2
Tsentrifugaalbarjääri suhteline läbilaskvusα -osakesed,
väljumine orbiidi impulsiga l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)
Olulisem tegur, mis suudab järsult ümber jaotada α-lagunemise erinevate harude tõenäosusi, võib olla vajadus tuuma sisemise struktuuri olulise ümberkorraldamise järele α-osakese emissiooni ajal. Kui algtuum on sfääriline ja lõpliku tuuma põhiolek on tugevalt deformeerunud, siis lõpptuuma põhiolekusse arenemiseks peab algtuum α-osakese kiirgamise protsessis end ümber korraldama. , muutes oluliselt selle kuju. Selline tuuma kuju muutus hõlmab tavaliselt suurt hulka nukleone ja sellist mõne nukleoni süsteemi nagu α ‑
tuumast lahkuv osake ei pruugi seda pakkuda. See tähendab, et põhiolekus lõpliku tuuma moodustumise tõenäosus on tühine. Kui lõpptuuma ergastatud olekute hulgas on sfäärilisele lähedane olek, siis võib algtuum sinna minna ilma olulise ümberpaigutuseta α tulemusena. ‑
lagunemine Sellise taseme asustamise tõenäosus võib osutuda suureks, ületades oluliselt madalamate osariikide, sealhulgas põhiseisundi asustamise tõenäosust.
Isotoopide 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra α-lagunemise diagrammidelt võib näha tugevaid sõltuvusi α-lagunemise tõenäosusest ergastatud olekutesse α-osakese energiast ja orbitaalmomendist l. α-osakeste poolt ära.
α-lagunemine võib toimuda ka aatomituumade ergastatud olekutest. Näitena on tabelites 2.3 ja 2.4 näidatud 151 Ho ja 149 Tb isotoopide põhi- ja isomeersete olekute lagunemisrežiimid.
Tabel 2.3
151Ho põhi- ja isomeerse oleku α-lagunemine
Tabel 2.4
149 Tb põhi- ja isomeerse oleku α-lagunemine
Joonisel fig. 2.6 näitab 149 Tb ja 151 Ho isotoopide põhi- ja isomeersete olekute lagunemise energiadiagramme.
Riis. 2.6 Energia vähenemise diagrammid 149 Tb ja 151 Ho isotoopide põhi- ja isomeersete olekute jaoks.
α-lagunemine 151 Ho isotoobi isomeersest olekust (J P = (1/2) + , E isomeer = 40 keV) on tõenäolisem (80%) kui e-püüdmine sellesse isomeersesse olekusse. Samal ajal laguneb 151 Ho põhiseisund valdavalt e-püüdmise tulemusena (78%).
149 Tb isotoobis toimub isomeerse oleku (J P = (11/2) - , E isomeer = 35,8 keV) lagunemine valdavalt e-püüdmise tulemusena. Maapinna ja isomeersete olekute lagunemise täheldatud tunnused on seletatavad α-lagunemise ja e-püüdmise energiaga ning α-osakese või neutriino poolt ärakantava orbiidi impulsiga.
