Второй случай рассмотрим на примере распада изотопа Хлора-17, схема которого приведена на рисунке Рис.7.

Из схемы видно, что собственно b -распад Хлора-17 может происходить по трем путям (синие линии).

В первом случае атом дочернего нуклида Аргон-18 образуется в основном состояниии. На этом акт единичного распада завершается.

Во втором случае атом дочернего нуклида образуется в возбужденном состоянии (энергия возбуждения составляет 2,170 МэВ). В возбужденном состоянии атом находится ограниченное время, после чего он переходит в основное состояние, испуская при этом g -квант. Энергия этого кванта в точности равна энергии возбуждения.

В третьем случае атом дочернего нуклида также образуется в возбужденном состоянии (энергия возбуждения составляет 3,77 МэВ). Однако, в отличие от второго случая здесь атом дочернего нуклида может перейти в основное состояние двумя путями.

Во-первых, атом может сразу перейти в основное состояние, испустив g -квант с энергией 3,77 МэВ. Вероятность такого перехода невелика и только 0,06% атомов "идут" по этому пути.

Во-вторых, (по этому пути идет подавляющее большинство атомов - 99,94%) атом может сначала испустить g -квант с энергией 1,60 Мэв и перейти в состояние с меньшей энергией возбуждения, а затем, по истечении некоторого времени, перейти в основное состояние, испуская g -квант с энергией 2,17 МэВ. Такое последовательное испускание g -квантов называется g -каскадом.

Очевидно, что энергетический спектр g -квантов в данном случае будет линейчатым . В спектре будет три линии с энергиями 1,60 МэВ, 2,17 МэВ и 3,77МэВ.

Если атомы дочернего нуклида образуются только в основном состоянии то в этом случае материнский нуклид будет чистым a - или b -излучателем, а g -излучения не будет.

Примером может служить распад Полония-210 (чистый a -излучатель), схема которого приведена на Рис.8.

При эмиссии g -квантов энергия квантов может находиться в пределах от 5 КэВ до 7МэВ, причем нижний предел находится в области характеристического рентгеновского излучения.

Ввиду того, что g -кванты не имеют ни электрического заряда, ни массы покоя испускание g -квантов не приводит к изменению числа нуклонов A и заряда ядра Z .

Кванту с энергией D E , равной разности энергий ядра дочернего нуклида в начальном (возбужденном) E 2 и E 1 конечном (основном или возбужденном с меньшей энергией возбуждения):

D E = E 2 - E 1 = E g

далеко не всегда удается покинуть атом.

Он часто взаимодействует с одним из электронов оболочек атома. Если энергия D E больше энергии связи электрона E св , то электрон имеет шанс покинуть атом. Такие электроны называются электронами конверсии . Очевидно, что энергия таких электронов будет также как и энергия g -квантов дискретной :

E е = E g - E св - E отд

где E отд энергия отдачи дочернего нуклида (см. Рис. 9).

Рис. 9 Пояснение понятия "отдача"

В большиестве случаев электронами конверсии являются электроны ближайшей к ядру К-оболочки. Если же энергия, отданная ядром, меньше E св для электронов К-оболочки, то электроны конверсии отщепляются от внешних оболочек (L, M), где энергия связи меньше.

После отщепления электрона конверсии образуется вакансия, которая заполняется электронами с внешних оболочек. При этом образуется соответствующее рентгеновское излучение, называемое характеристическим К a , К b , L a , ...

Характеристическое рентгеновское излучение может в свою очередь конвертироваться. Испускаемые при этом электроны называют по имени ученого их открывшего электронами Оже.

На Рис.10 приведена схема, поясняющая все сказанное.

в-распадом называется самопроизвольное превращение радиоактивного ядра в ядро-изобар или. В этом процессе один из нейтронов ядра превращается в протон или один из протонов - в нейтрон. Таким образом, в-распад является не внутриядерным, а внутринуклонным процессом. Ответственным за в-распад является слабое взаимодействие нуклонов в ядре (см. рис. 1).

Существует три вида в-распада: электронный (в--распад), позитронный (в+-распад) и электронный захват.

Электронный в-распад (в--распад). В этом случае материнское ядро испускает электрон, поэтому зарядовое число дочернего ядра увеличивается на единицу. Электронный в- распад протекает по схеме

При этом распаде наряду с дочерним ядром образуется электрон и электронное антинейтрино. Здесь мы приписали электрону зарядовое число Z=-1 и массовое число А=0, чтобы подчеркнуть сохранение электрического заряда и числа нуклонов в процессе распада.

Примером электронного в-распада может служить превращение углерода в азот:

Из приведенной схемы распада видно, что массовые числа обоих ядер одинаковы, а зарядовое число дочернего ядра на единицу больше, чем у материнского.

В основе электронного в-распада, как уже отмечалось, лежит превращение в ядре нейтрона в протон:

Поэтому можно определить в -распад как процесс самопроизвольного превращения нейтрона в протон внутриатомного ядра.

Дочернее ядро, образующееся при в-распаде, может находиться в возбужденном состоянии. При переходе ядра в основное состояние испускается у-излучение, поэтому в-распад, так же как и б-распад, может сопровождаться испусканием г-квантов.

Рис.4.Энергетический спектр электронов при в--распаде

Как показывают экспериментальные исследования, электроны, образующиеся при в--распаде, имеют широкий энергетический спектр от нуля до максимального значения Еmах (рис. 4). Величина dN, определяет число электронов, энергия которых заключена в интервале от Е до E + dE. Площадь под кривой (см. рис. 4) численно равна полному числу электронов, испускаемых радиоактивным препаратом в единицу времени. Энергия Еmах определяется разностью значений массы материнского ядра и массы продуктов распада -- электрона и дочернего ядра (см. выражение (1))

Первоначально, до открытия нейтрино, казалось, что в--распад протекает с нарушением закона сохранения энергии. Действительно, если бы материнское ядро распадалось только на дочернее ядро и электрон, то энергия электрона, согласно (1), не могла быть меньше Еmах. Для того чтобы объяснить "исчезновение" энергии (?Е = Еmах -Е), В. Паули в 1932 г. выдвинул гипотезу, согласно которой при в--распаде испускается еще одна частица, которая и уносит энергию?Е. Так как эта частица никак себя не проявляла, то следовало предположить, что она электронейтральна и обладает очень малой массой. Эта частица, названная Э. Ферми нейтрино, что дословно означает "маленький нейтрон", была экспериментально обнаружена лишь в 1956 г. За проведение экспериментальных исследований по обнаружению нейтрино Ф. Райнес и К. Коуэн в 1995 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.

Установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное ve, мюонное vм, тау-лептонное vф и их античастицы.

Тип нейтрино определяется заряженной частицей, вместе с которой нейтрино рождается и с которой взаимодействует. в--распад сопровождается испусканием электронного антинейтрино ve. Именно эта частица и приведена в записанных выше схемах распада. Вопрос о массе нейтрино рассмотрен в (рис.1.).

Позитронный в-распад (в+-распад). В случае позитронного в-распада ядро испускает позитрон, в результате чего его зарядовое число Z уменьшается на единицу. Позитронный в-распад осуществляется по схеме

В качестве примера приведем превращение азота в углерод

Позитронный в-распад сопровождается испусканием позитрона е+ и нейтрино ve, т. е. тех частиц, которые представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при электронном в-распаде (е -- и ve).

В основе в+-распада, как уже отмечалось, лежит превращение в ядре протона в нейтрон:

Поскольку масса протона меньше массы нейтрона, то для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям (см. выражение (1)). Однако протон, находящийся в ядре, может получать необходимую энергию от других нуклонов ядра.

Электронный захват. Третий вид в-распада -- электронный захват -- представляет собой поглощение ядром одного из электронов электронной оболочки своего атома. Чаще всего поглощается электрон из K-оболочки, поэтому электронный захват называют еще К-захватом. Реже поглощаются электроны из L- или М-оболочек.

В результате К-захвата происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон, сопровождающееся испусканием нейтрино:

Схема К-захвата имеет следующий вид:

На освободившееся в результате К-захвата место в электронной оболочке атома могут переходить электроны из вышележащих слоев, в результате чего возникает рентгеновское излучение. При исследовании этого излучения был открыт К-захват американским физиком Л.Альваресом в 1937 г.

Примером электронного захвата может служить превращение калия в аргон

Подводя итог описанию б- и в-распадов, следует отметить, что б-распад наблюдается только у тяжелых ядер и некоторых ядер редкоземельных элементов. Напротив, в-активные ядра более многочисленны. Практически для каждого атомного номера Z существуют нестабильные изотопы, обладающие в±-активностью.

Энергия, выделяющаяся при в-распаде, лежит в пределах от 0,0186 МэВдо 16 МэВ. Период полураспада в-активных ядер меняется от 10-2с (для) до 4*1012 лет (для).

Спонтанное деление тяжелых ядер.

Самопроизвольное деление тяжелых ядер было впервые обнаружено советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком в 1940 г. у ядер урана. Оно осуществляется по схеме т. е. ядро урана распадается на ядра ксенона и стронция с испусканием трех нейтронов.

Спонтанное деление, так же как и б-распад, происходит за счет туннельного эффекта. Пользуясь капельной моделью ядра, т. е. считая, что ядро подобно капле жидкости, можно выделить стадии, которые проходит ядро в процессе деления (рис. 5, а). Соответствующий вид потенциальной энергии ядра U для различных деформаций ядра представлен на рис. 5,б.

Рис. 5. Спонтанное деление тяжелого ядра: а -- схема деления; б -- потенциальный барьер деления

Как и при всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильно (по экспоненциальному закону) зависит от высоты барьера деления?U. Для изотопов урана и соседних с ним элементов высота барьера деления составляет?U ? 6 МэВ.

Спонтанное деление является основным каналом распада сверхтяжелых ядер. Осколки деления ядер урана U и плутония Рu асимметричны по массе. С ростом массового числа распадающегося ядра осколки деления становятся более симметричными.

Ядра большинства атомов - это довольно устойчивые образования. Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился в радон. А в сосуде дополнительно появился гелий: (88^226)Ra→(86^222)Rn+(2^4)He. Чтобы понимать смысл написанного выражения, изучите тему о массовом и зарядовом числе ядра атома .

Удалось установить, что основные виды радиоактивного распада: альфа и бета-распад происходят согласно следующему правилу смещения:

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро атома гелия). Из вещества с количеством протонов Z и нейтронов N в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов Z-2 и количеством нейтронов N-2 и, соответственно, атомной массой А-4: (Z^A)X→(Z-2^(A-4))Y +(2^4)He. То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.

Пример α-распада: (92^238)U→(90^234)Th+(2^4)He.

Альфа-распад - это внутриядерный процесс . В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон (β-частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне: (Z^A)X→(Z+1^A)Y+(-1^0)e+(0^0)v. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример β-распада: (19^40)K→(20^40)Ca+(-1^0)e+(0^0)v.

Бета-распад - это внутринуклонный процесс . Превращение претерпевает нейтрон. Существует также бета-плюс-распад или позитронный бета-распад. При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино, а элемент смещается при этом на одну клетку назад по периодической таблице. Позитронный бета-распад обычно сопровождается электронным захватом.

Гамма-распад

Кроме альфа и бета-распада существует также гамма-распад. Гамма-распад - это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях либо при радиоактивных распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни - менее наносекунды.

Также существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие

Э. Резенфорд вместе с с английским радиохимиком Ф. Содди доказал, что радиоактивность сопровождается самопроизвольным превращением одного химического элемента в другой.
Причем в результате радиоактивного излучения изменения претерпевают ядра атомов химических элементов.

ОБОЗНАЧЕНИЕ ЯДРА АТОМА

ИЗОТОПЫ

Среди радиоактивных элементов были обнаружены элементы, неразличимые химически, но разные по массе. Эти группы элементов были названы "изотопами" ("занимающими одно место в табл. Менделеева") . Ядра атомов изотопов одного и того же химического элемента различаются числом нейтронов.

В настоящее время установлено, что все химические элементы имеют изотопы.
В природе все без исключения химические элементы состоят из смеси нескольких изотопов, поэтому в таблице Менделеева атомные массы выражены дробными числами.
Изотопы даже нерадиоактивных элементов могут быть радиоактивны.

АЛЬФА - РАСПАД

Альфа-частица (ядро атома гелия)
- характерен для радиоактивных элементов порядковым номером больше 83
.- обязательно выполняется закон сохранения массового и зарядового числа.
- часто сопровождается гамма-излучением.

Реакция альфа-распада:

При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к её началу, чем исходный

Физический смысл реакции:

В результате вылета альфа-частицы заряд ядра уменьшается на 2 элементарных заряда и образуется новый химический элемент.

Правило смещения:

При бета-распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным (на одну клетку ближе к концу таблицы).

БЕТА - РАСПАД

Бета-частица (электрон).
- часто сопровождается гамма-излучением.
- может сопровождаться образованием антинейтрино (легких электрически нейтральных частиц, обладающих большой проникающей способностью).
- обяэательно должен выполняться закон сохранения массового и зарядового числа.

Реакция бета-распада:

Физический смысл реакции:

Нейтрон в ядре атома может превращаться в протон, электрон и антинейтрино, в результате ядро излучает электрон.

Правило смещения:

ДЛЯ ТЕХ, КТО ЕЩЁ НЕ УСТАЛ

Предлагаю написать реакции распада и сдать работу.
(составьте цепочку превращений)

1. Ядро какого химического элемента является продуктом одного альфа-распада
и двух бета-распадов ядра данного элемента?

1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.4. β-распад

1.4. Бета-распад.

Виды и свойства бета- распада. Элементы теории бета-распада. Радиоактивные семейства

Бета-распадом ядра называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар в результате испускания электрона (позитрона) или захвата электрона. Известно около 900 бета-радиоактивных ядер. Из них только 20 являются естественными, остальные получены искусственным путем.
Виды и свойства бета-распада

Существует три вида β -распада: электронный β – -распад, позитронный β + -распад и электронный захват(е -захват). Основным видом является первый.

При электронном β – -распаде один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино.

Примеры: распад свободного нейтрона

, Т 1/2 =11,7 мин;

распад трития

, Т 1/2 = 12 лет.

При позитронном β + -распаде один из протонов ядра превращается в нейтрон с испусканием положительно заряженного электрона (позитрона) и электронного нейтрино

. (1.41б)

Пример

·

Из сравнения периодов полураспада родоначальников семейств с геологическим временем жизни Земли (4,5 млрд. лет) видно, что в веществе Земли торий-232 сохранился почти весь, уран-238 распался примерно наполовину, уран-235 – большей частью, нептуний-237 практически весь.