Глава 4. Типы ядерных превращений

После открытия явления радиоактивного распада, Э. Резерфорд, сосредоточил внимание на изучении этого явления. В 1899 г. Э. Резерфорд установил, что излучение урана состоит из двух компонент, обозначенных впоследствии первыми буквами греческого алфавита и , спустя год П. Вийар открыл гамма-излучение (г).

 

Рис.4.1.Отклонение альфа-, бета- и гамма-лучей в электрическом и магнитном полях

 

В 1903 г Резерфордом и Содди была предложена теория радиоактивного распада атомов, согласно которой в результате радиоактивного распада происходит превращение одного химического элемента в другой. В процессе эмиссии радиоактивного излучения вещество претерпевает ряд изменений. При этом довольно быстро было обнаружено, что разные ядра распадаются по-разному с испусканием различных частиц в зависимости от комбинации частиц в ядре или его состояния.

В 1913 г. Содди и Фаянс независимо друг от друга сформулировали правило смещения при различных видах радиоактивного распада.

Радиоактивные превращения обладают двумя особенностями, делающие их более простыми по сравнению с химическими превращениями.

Первая особенность заключается в том, что для всех типов радиоактивных превращений справедлив один кинетический закон.

Вторая особенность состоит в том, что количество типов радиоактивных превращений очень ограничено.

В настоящее время известно семь основных типов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, гамма-распад, спонтанное деление, испускание запаздывающего нейтрона и запаздывающего протона.

Испускание каждой частицы или g-кванта переводит ядро с энергетически более высокого уровня на новый более низкий уровень. Разность между исходным и конечным энергетическим уровнем (за вычетом энергии, связанной с массой покоя вылетающей частицы) характеризуют полную энергию распада.

Радиоактивный распад в общем виде можно записать уравнением:

 

А ® В + Х + DЕ, где:

 

А - материнский нуклид,

В - дочерний нуклид,

Х - испускаемая частица или квант,

DЕ - кинетическая энергия испускаемых частиц или гамма- квантов.

Рассмотрим основные типы ядерных превращений.

4.1 Альфа - распад

 

Альфа распадом, называются ядерные превращения, при котором из ядра вылетает a-частица, являющаяся ядром атома гелия Не и движущаяся со скоростью 1,4×10³-2,6×10³ км/с. Пробег в воздухе 2,5 - 9 см.

Превращения с испусканием a-частиц характерны в основном для ядер атомов тяжелых элементов, исключение составляют ядра Ве, практически мгновенно распадающиеся на две a-частицы, а также искусственно получаемого изотопа ¹⁵²Sm.

Согласно правилу смещения Фаянса и Соддии a-распад всегда приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на две клетки левее от исходного элемента в периодической системе и имеющего на четыре единицы меньшее массовое число.

Образуется Возникшее при альфа – распаде ядра находятся в возбужденном состоянии и постепенно переходят в основное состояние, испуская г – кванты.

 

А ® В + б + г + DЕ (4.1)

Ро ® Рb + Не.

 

Часть энергии при a-распаде может быть выделена в виде фотона:

 

U ® Th + Не + g.

 

Как правило, испускаемый г – квант в реакции не записывается. Энергетический баланс этой реакции можно записать в следующем виде

 

Е_общ = Е_б + Е_г + Е_отд

 

Схематично a-распад можно записать

 

или (А,Z) ® (А - 4, Z - 2) + a.

 

Если обозначить массу исходного (материнского) ядра М, массу дочернего М и массу a-частицы m_a, то энергетическое условие самопроизвольного a-распада может быть записано как:

 

МС² > МС² + m_aС², (4. 2)

Таким образом, a-распад происходит тогда, когда масса исходного ядра превышает массу конечного, более чем на массу одной a-частицы или разница в дефектах масс материнского и дочернего ядер больше дефекта массы альфа- частицы:

 

Д _m(A,Z)- Д _m (A-4, Z-2)> Д _m ( б) (4.3)

 

Нетрудно подсчитать, что эти условия одновременно выполнимы для элементов периодической системы, начиная с А>120.

По современным представлениям альфа- частиц в ядре постоянно не существует, Они образуются при встрече двух протонов и двух нейтронов, т.е. при избытке протонов и нейтронов. В то же время, чтобы альфа- частица могла покинуть ядро, ей необходимо преодолеть ядерные силы, потенциальный барьер, величина которого 25 – 30 Мэв. На самом деле энергия альфа-частиц покидающих ядро лежит в пределах 4-9 Мэв. Это несоответствие объясняется квантовой механикой, согласно которой, альфа - частицам присущи волновые свойства.

Важное свойство a - распада заключается в том, что периоды полураспада исходного ядра меняются в громадных пределах, а энергия всех измеряемых частиц лежит в сравнительно узком интервале приблизительно от 4 до 9 Мэв.

Установлено также, что чем меньше период полураспада, тем больше энергия a-частиц.

Гейгер и Неттол вывели эмпирическое уравнение, описывающее с хорошей точностью большинство случаев a-распада:

 

lgT_1/2 = A - BE_a (4. 4)

 

Бета - распад

Бета распадом называется процесс самопроизвольного превращения нейтрального ядра в ядро - изобар с зарядом отличным на DZ = ±1. Скорость, испускаемых при бета-распаде b -частиц близка к скорости света.

Как и a-излучение, b - излучение отклоняется в магнитном и электрическом полях, но в противоположную сторону и на большее расстояние. Это указывает на то, что бета-излучение является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению e/m Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны.

Согласно правилу смещения Фаянса-Содди b - распад приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на одну клетку правее от исходного элемента без изменения массового числа.

Для того, чтобы отличать электроны, возникающие при ядерных превращениях, их стали называть бета-частицами. Несмотря на то, что обычно говорится об испускании электронов ядрами, атомные ядра в чистом виде не содержат электроны. Бета – частица образуется в самом акте ядерного превращения.

Известны три вида b-распада: электронный b -распад, позитронный b⁺-распад и электронный К-захват электрона ядром с одной из ближайших к ядру оболочек.

При бета-распаде массовые числа ядер не изменяются, а изменяется лишь заряд, на единицу больше в случае b^--распад и на единицу меньше в случае b⁺-распада и К-захвата. Согласно правилу сдвига Фаянса-Содди, для этих типов распада можно записать:

 

Все три вида b-распада сводятся к следующим видам взаимного превращения нуклонов в ядре.

 

b^--распад – n^o ®р⁺ + e^- + ; Р ® S + e^- + ; (b -распад);

b⁺-распад – р ® n^o + е⁺ + ; С ® В + е⁺ + (b⁺-распад);

К-захват – р⁺ + e^- ® n + ; Cs + e^- ® Xe + (К- захват)

 

Таким образом, электроны и позитроны не находятся в ядре, а возникают в момент перехода одного нуклона в другой. Как видно из схем b- превращений, характерной чертой всех видов превращений является испускание нейтрино или антинейтрино .

Впервые понятие о нейтрино ввел В. Паули в 1930 году для объяснения «потерянной» части энергии при радиоактивном распаде с испусканием электрона. Суммарная энергия частиц и гамма квантов, оказывалась несколько меньшей энергии частиц, вступающих во взаимодействие. Паули предположил, что недостающая часть энергии улетает с частицей, которую он назвал «нейтрино». Нейтрино – незаряженная элементарная частица обладает массой покоя, близкой к нулю. Нейтрино обладает исключительной проникающей способностью. Его крайне трудно обнаружить, так как прохождение нейтрино через материальную среду практически не сопровождается каким-либо эффектом. Такими же свойствами обладает и антинейтрино.

Как видно из схем превращений при электронном бета-распаде один из нейтронов превращается в протон, и материнское ядро испускает электрон и антинейтрино. Схематически этот процесс представляется таким образом:

 

С

+

 

Электронный бета-распад может сопровождаться также гамма- излучением. Это происходит в том случае, когда в процессе распада, образуется ядро, находящееся не в основном, а в возбужденном состоянии. Примером такого распада служит превращение стронция в иттрий:

 

+ + g

 

Обратный процесс превращения протона в нейтрон в свободном состоянии невозможен, поскольку масса нейтрона больше массы протона. Однако ядра, расположенные в координатах N и Z ниже линии стабильности, в результате перегруппировки нуклонов, могут перейти из менее стабильного состояния в более стабильное состояние путем замены одного протона на нейтрон. При этом протон теряет свой заряд, превратившись в нейтрон и позитрон (е⁺), частицу несущую положительный заряд, но обладающую массой электрона. Так как при испускании позитрона происходит захват электрона с электронной оболочки, обеспечивающий сохранение электронейтральности атома, позитронный распад может протекать в случае, если разность энергий в конечном и исходном состояниях превышает 1,02 МэВ, то есть больше массы покоя двух электронов. При позитронном распаде позитрон немедленно покидает ядро, и после замедления его масса аннигилирует вместе с массой электрона. О наличии позитронного распада свидетельствует регистрация двух гамма - квантов с энергиями 0,51 МэВ. Этот процесс идет с поглощением энергии, так как масса нейтрона больше массы протона.

При аннигиляции позитрона с электроном их масса полностью превращается в энергию двух g - квантов. Эта энергия образуется за счет перестройки остального ядра:

 

е^_ + е⁺ ® 2g + 1,02 Мэв

 

Позитронная эмиссия очень редка у естественных радионуклидов и встречается в основном у искусственно полученных радионуклидов с помощью ускорителей частиц:

 

О ® N + e⁺; Fe ® Mn + e⁺ + g

 

Если значение энергии превращения меньше 1,02 Мэв, то эмиссия позитронов не возможна. В этом случае материнский нуклид переходит в дочерний путем захвата электрона так называемого К-захвата.

Для ядер тяжелых элементов с недостатком нейтронов (нейтронодефицитное ядро), превращения протонов в нейтроны происходит только по механизму электронного К-захвата. Поскольку в атоме К-электроны в среднем находятся наиболее близко к ядру, то существует некоторая вероятность захвата ядром электрона с К – оболочки.

Так как масса нейтрона больше суммарной массы протона и электрона, для реализации этой реакции нужна дополнительная энергия. Эта энергия берется за счет увеличения энергии связи у вновь образовавшегося ядра. Для атомов тяжелых элементов К-захват более вероятен, чем позитронная эмиссия.

Захват электрона ядром всегда сопровождается рентгеновским излучением, так как на освободившееся место на нижнем энергетическом уровне сразу переходят орбитальные электроны из оболочек расположенных выше.

Кроме того, К-захват сопровождается испусканием электронов Оже с возбужденных электронных оболочек атома.

Для ядер легких элементов распространены все три варианта b - распада.

 

As Se +e^-+

As Ge +e⁺+

As+ e^- Ge +