Альфа-распад
Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4He).
Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.
Правило смещения Содди для α-распада:
Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):
В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.
Бета-распад
Основная статья: Бета-распад
Бета-минус-распад
Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. Бета-распад — это проявление слабого взаимодействия.
Бета-распад (точнее, бета-минус-распад, β−-распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и электронногоантинейтрино.
Фейнмановская диаграмма бета-минус-распада: d-кварк в одном из нейтронов ядра превращается в u-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в электрон и электронное антинейтрино.
Бета-распад является внутринуклонным процессом. Бета-минус-распад происходит вследствие превращения одного из d -кварков в одном из нейтронов ядра в u -кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:
Свободные нейтроны также испытывают β−-распад, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино (см.Бета-распад нейтрона).
Правило смещения Содди для β−-распада:
Пример (бета-распад трития в гелий-3):
После β−-распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.
Позитронный распад и электронный захват
Фейнмановская диаграмма позитронного распада: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в позитрон и электронное нейтрино.
Фейнмановская диаграмма электронного захвата: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который взаимодействует с электроном оболочки, превращая его в электронное нейтрино.
Основная статья: Позитронный распад
Основная статья: Электронный захват
Существуют также другие типы бета-распада. В позитронном распаде (бета-плюс-распаде) ядро испускаетпозитрон и электронное нейтрино. При β+-распаде заряд ядра уменьшается на единицу (ядро смещается на одну клетку к началу таблицы Менделеева), то есть один из протонов ядра превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино (на кварковом уровне этот процесс можно описать как превращение одного из u -кварков в одном из протонов ядра в d -кварк; следует отметить, что свободный протон не может распасться в нейтрон, это запрещено законом сохранения энергии, т.к. нейтрон тяжелее протона; однако в ядре такой процесс возможен, если разность масс материнского и дочернего атома положительна). Позитронный распад всегда сопровождается конкурирующим процессом — электронным захватом; в этом процессе ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу. Однако обратное неверно: для многих нуклидов, испытывающих электронный захват (ε-захват), позитронный распад запрещён законом сохранения энергии. В зависимости от того, с какой из электронных оболочек атома (K, L, M,…) захватывается электрон при ε-захвате, процесс обозначается как К-захват, L-захват, M-захват, …; все они, при наличии соответствующих оболочек и достаточности энергии распада, обычно конкурируют, однако наиболее вероятен К-захват, поскольку концентрация электронов K-оболочки вблизи ядра выше, чем более удалённых оболочек. После захвата электрона образовавшаяся вакансия в электронной оболочке заполняется путём перехода электрона из более высокой оболочки, этот процесс может быть каскадным (после перехода вакансия не исчезает, а смещается на более высокую оболочку), а энергия уносится посредством рентгеновских фотонов и/или оже-электронов с дискретным энергетическим спектром.
Правило смещения Содди для β+-распада и электронного захвата:
Пример (ε-захват бериллия-7 в литий-7):
После позитронного распада и ε-захвата элемент смещается на 1 клетку к началу таблицы Менделеева(заряд ядра уменьшается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.
Двойной бета-распад
Основная статья: Двойной бета-распад
Наиболее редким из всех известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для одиннадцати нуклидов, и период полураспада для любого из них превышает 1019 лет. Двойной бета-распад, в зависимости от нуклида, может происходить:
· с повышением заряда ядра на 2 (при этом испускаются два электрона и два антинейтрино, 2β−-распад)
· с понижением заряда ядра на 2, при этом испускаются два нейтрино и
· два позитрона (двухпозитронный распад, 2β+-распад)
· испускание одного позитрона сопровождается захватом электрона из оболочки (электрон-позитронная конверсия, или εβ+-распад)
· захватываются два электрона (двойной электронный захват, 2ε-захват).
Предсказан, но ещё не открыт безнейтринный двойной бета-распад.
Общие свойства бета-распада [править | править вики-текст]
Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра, поскольку при любом бета-распаде общее количество нуклонов в ядре не изменяется, лишь один или два нейтрона превращаются в протоны (или наоборот).
Гамма-распад (изомерный переход)
Основная статья: Изомерия атомных ядер
Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра1H, 2H, 3H и 3He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьё время жизни измеряется микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.
Закон радиоактивного распада(график, формула, период полураспада)
Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией. Они обнаружили его экспериментальным путём и опубликовали в 1903 году в работах «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория»[1] и «Радиоактивное превращение»[2], сформулировав следующим образом[3]:
Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.
из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод[ источник не указан 1763 дня ]:
Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.
Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:
которое означает, что число распадов − dN, произошедшее за короткий интервал времени dt, пропорционально числуатомов N в образце.
Содержание
· 1Экспоненциальный закон
· 2Характеристики распада
o 2.1Среднее время жизни
o 2.2Период полураспада
· 3Примеры характеристик распада
· 4Интересные факты
· 5Примечания
Экспоненциальный закон[править | править вики-текст]
Экспоненциальная кривая радиоактивного распада: по оси абсцисс («оси x») — время, пооси ординат («оси y») — количество нераспавшихся ядер или скорость распада в единицу времени.
В указанном выше математическом выражении 
— постоянная распада, которая характеризует вероятностьрадиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с−1. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.
Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:
где 
— начальное число атомов, то есть число атомов для 
Таким образом, число радиоактивных атомов уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Скорость распада, то есть число распадов в единицу времени 
, также падает экспоненциально. Дифференцируя выражение для зависимости числа атомов от времени, получаем:
где 
— скорость распада в начальный момент времени
Таким образом, зависимость от времени числа нераспавшихся радиоактивных атомов и скорости распада описывается одной и той же постоянной [4][5][6][7].
Характеристики распада[править | править вики-текст]
Наглядная демонстрация закона.
Кроме константы распада 
радиоактивный распад характеризуют ещё двумя производными от неё константами, рассмотренными ниже.
Среднее время жизни
Основная статья: Время жизни
Из закона радиоактивного распада можно получить выражение для среднего времени жизни радиоактивного атома. Число атомов, в момент времени 
претерпевших распад в пределах интервала 
равно 
их время жизни равно 
Среднее время жизни получаем интегрированием по всему периоду распада:
Подставляя эту величину в экспоненциальные временные зависимости для 
и 
легко видеть, что за время 
число радиоактивных атомов и активность образца (количество распадов в секунду) уменьшаются в e раз[4].
Период полураспада
Основная статья: Период полураспада
На практике получила большее распространение другая временная характеристика — период полураспада 
равная времени, в течение которого число радиоактивных атомов или активность образца уменьшаются в 2 раза[4].
Связь этой величины с постоянной распада можно вывести из соотношения 
откуда:
Примеры характеристик распада
Существующие в природе радионуклиды в основном возникают в сложных цепочках распадов урана и тория и имеют периоды полураспада в очень широкой области значений: от 3·10−7 секунды для 212Po до 1,4·1010 лет для 232Th. Наибольший зарегистрированный период полураспада имеет изотоп теллура128Te — 2,2·1024 лет. Само существование в настоящее время многих естественных радиоактивных элементов несмотря на то, что с момента образования этих элементов при звёздном нуклеосинтезе прошло более 4,5 млрд лет, является следствием очень больших периодов полураспада 235U, 238U, 232Th и других природных радионуклидов. К примеру, изотоп 238U стоит в начале длинной цепочки (так называемый ряд радия), состоящей из 20 изотопов, каждый из которых возникает при α-распаде или β-распаде предыдущего элемента. Период полураспада 238U (4,5·109 лет) много больше, чем период полураспада любого из последующих элементов радиоактивного ряда, поэтому распад в целом всей цепочки происходит за то же время, что и распад 238U, её родоначальника, в таких случаях говорят, что цепочка находится в состоянии секулярного (или векового) равновесия [7]. Примеры характеристик распада некоторых веществ[8]:
| Вещество | 238U | 235U | 234U | 210Bi | 210Tl |
| Период полураспада | 4,5·109 лет | 7,13·108 лет | 2,48·105 лет | 4,97 дня | 1,32 минуты |
| Постоянная распада | 4,84·10−18с−1 | 8,17·10−14с−1 | 1,61·10−6с−1 | 8,75·10−3с−1 | |
| Частица | α | α | α | β | β |
| Полная энергия распада | 4,2 МэВ | 4,6783[9] | 4,75 МэВ | 1,17 МэВ | 1,80 МэВ |
