1.3. Альфа-распады, бета-распады и гамма-излучения радиоактивных ядер
Альфа-распадом называется самопроизвольное испускание радиоактивным ядром альфа-частиц, представляющих ядра атома гелия. Распад протекает по схеме
AmZ X → AmZ − − 42 Y + 2 4He . |
В выражении (1.13) буквой Х обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y – химический символ образующегося (дочернего) ядра. Как видно из схемы (1.13), атомный номер дочернего ядра на две, а массового числа – на четыре единицы меньше, чем у исходного ядра.
Заряд альфа-частицы положительный. Альфа-частицы характеризуют дву-
мя основными параметрами: длиной пробега (в воздухе до 9 см, в биологической ткани до 10-3 см) и кинетической энергией в пределах 2…9 МэВ.
Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер с Аm>200 и зарядовым числом Z >82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных частиц из двух протонов и двух нейтронов. Обособлению этой группы нуклонов способствует насыщение ядерных сил, так что сформировавшаяся альфачастица подвержена меньшему действию ядерных сил притяжения, чем отдельные нуклоны. Одновременно альфа-частица испытывает большее действие кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Этим объясняется вылет из ядра альфа-частиц, а не отдельных нуклонов.
В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп альфа-частиц близкой, но различной энергии, т.е. группы имеют спектр энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникнуть не только в основном, но и в возбужденных состояниях с различными энергетическими уровнями.
Время жизни возбужденных состояний для большинства ядер лежит в пре-
делах от 10 − 8 до 10 − 15 с. За это время дочернее ядро переходит в основное или более низкое возбужденное состояние, испуская гамма-квант соответствующей энергии, равной разности энергии предыдущего и последующего состояний. Возбужденное ядро может испустить также какую-либо частицу: протон, нейтрон, электрон или альфа-частицу. Оно может и отдать избыток энергии одному из окружающих ядро электронов внутреннего слоя. Передача энергии от ядра к самому близкому электрону К-слоя происходит без испускания гаммакванта. Получивший энергию электрон вылетает из атома. Этот процесс называется внутренней конверсией. Образовавшееся вакантное место заполняется электронами с вышележащих энергетических уровней. Электронные переходы во внутренних слоях атома приводят к испусканию рентгеновских лучей, имеющих дискретный энергетический спектр (характеристических рентгеновских лучей). Всего известно около 25 естественных и около 100 искусственных альфа-радиоактивных изотопов.
Бета-распад объединяет три вида ядерных превращений: электронный (β− )
и позитронный (β+ ) распады, а также электронный захват или К-захват. Первые два вида превращений состоят в том, что ядро испускает электрон и антинейтрино (при β− – распаде) или позитрон и нейтрино (при β+ – распаде). Элек-
трон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино) не существуют в атомных ядрах. Эти процессы происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой – нейтрона в протон или протона в нейтрон. Результатом указанных превращений являются β-распады, схемы которых имеют вид:
Am Z X→ Z Am + 1 Y+ − 1 e0 + 0 ~ ν0 (β− – распад), |
|
Am Z X→ Am Z − 1 Y+ + 1 e0 + 0 ν0 (β+ – распад), |
где − 1 e0 и + 1 e0 – обозначение электрона и позитрона,
0 ν0 и 0 ~ ν0 – обозначение нейтрино и антинейтрино.
При отрицательном бета-распаде зарядовое число радионуклида увеличивается на единицу, а при положительном бета-распаде – уменьшается на единицу.
Электронный распад (β − – распад) могут испытывать как естественные, так и искусственные радионуклиды. Именно этот вид распада характерен для подавляющего числа экологически наиболее опасных радионуклидов, попавших в окружающую среду в результате Чернобыльской аварии. В их числе
134 55 Cs,137 55 Cs,90 38 Sr,131 53 I и др.
Позитронный распад (β + – распад) свойственен преимущественно искусственным радионуклидам.
Поскольку при β-распаде из ядра вылетают две частицы, а распределение
между ними общей энергии происходит статистически, то спектр энергии электронов (позитронов) является непрерывным от нуля до максимальной величины Emax называемой верхней границей бета-спектра. Для бета-радиоактивных ядер величина Emax заключена в области энергии от 15 кэВ до 15 МэВ. Длина пробега бета-частицы в воздухе до 20 м, а в биологической ткани до 1,5 см.
Бета-распад обычно сопровождается испусканием гамма-лучей. Причина их возникновения та же, что и в случае альфа-распада: дочернее ядро возникает не только в основном (стабильном), но и в возбужденном состоянии. Переходя затем в состояние меньшей энергии, ядро испускает гамма-фотон.
При электронном захвате происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон:
1 p 1+ − 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .
При таком превращении исчезает один из ближайших к ядру электронов (электрон К-слоя атома). Протон, превращаясь в нейтрон, как бы «захватывает» электрон. Отсюда произошел термин «электронный захват». Особенностью
этого вида β-распада является вылет из ядра одной частицы – нейтрино. Схема электронного захвата имеет вид
Am Z X+ − 1 e0 → Am Z − 1 Y+ 0 ν 0 . (1.16)
Электронный захват в отличие от β± -распадов всегда сопровождается ха-
рактеристическим рентгеновским излучением. Последнее возникает при переходе более удаленного от ядра электрона на появляющееся вакантное место в
К-слое. Длина волн рентгеновских лучей в диапазоне от 10 − 7 до 10 − 11 м. Таким образом, при бета-распаде сохраняется массовое число ядра, а его
заряд изменяется на единицу. Периоды полураспада бета-радиоактивных ядер
лежат в широком интервале времен от 10 − 2 с до 2 1015 лет.
К настоящему времени известно около 900 бета-радиоактивных изотопов. Из них только около 20 являются естественными, остальные получены искусственным путем. Подавляющее большинство этих изотопов испытывают
β− -распад, т.е. с испусканием электронов.
Все виды радиоактивного распада сопровождаются гамма-излучением. Гамма-лучи – коротковолновое электромагнитное излучение, которое не относится к самостоятельному виду радиоактивности. Экспериментально установлено, что гамма-лучи испускаются дочерним ядром при переходах ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденное. Энергия гамма-лучей равна разности энергий начального и конечного энергетических уровней ядра. Длина волны гамма-лучей не превышает 0,2 нанометра.
Процесс гамма-излучения не является самостоятельным типом радиоактивности, так как он происходит без изменения Z и Am ядра.
Контрольные вопросы:
1. Что понимают под массовым и зарядовым числами в периодической системе Менделеева?
2. Понятие «изотопы» и «изобары». В чем различие этих терминов?
3. Ядерные силы ядра и важнейшие их особенности.
4. Почему масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклидов?
5. Какие вещества называются радиоактивными?
6. Что характеризует и показывает постоянная радиоактивного распада?
7. Дайте определение периода полураспада вещества.
8. Перечислите единицы измерения объемной, поверхностной и удельной активности.
9. Основные виды излучений радиоактивных ядер и их параметры.
Лекция: Радиоактивность. Альфа-распад. Бета-распад. Электронный β-распад. Позитронный β-распад. Гамма-излучение
Радиоактивность
Радиоактивность была обнаружена совершенно случайно в результате экспериментов, проведенных А. Беккерелем в 1896 году. Недавно открытые рентгеновские лучи привели к тому, что ученый захотел выяснить, не появляются ли они в результате освещение солнечным светом некоторых элементов. Для своего эксперимента Беккерель выбрал соль урана.
Соль была положена на фотопластину и завернута в черную бумагу, для обеспечения качественного эксперимента. В результате того, что соль пролежала несколько часов под прямыми солнечными лучами, на проявленной фотопластине оказался снимок, полностью соответствующий очертаниям кристаллов соли. Данный опыт позволил Беккерелю выступить на конференции, где говорил о новых проявлениях рентгеновских лучей. Через несколько недель он должен был заявить о новых результатах при аналогичных исследованиях.
Однако, ученому помешала погода. Поскольку все время было облачно, соль пролежала завернутой вместе с фотопластиной в черную бумагу, находясь в ящике стола. В отчаянии ученый проявил фотопластину, в результате чего заметил, что соль оставила свой след даже без солнечных лучей.
Оказалось, что уран испускает какие-то лучи, которые так же способны пронизывать бумагу и оставлять след на пластине.
Данное явление получило название радиоактивности.
В последствии оказалось, что не только уран является радиоактивным. Семья Кюри обнаружила аналогичные свойства у тория, полония, а также радия.
Виды радиоактивного излучения
В ходе многочисленных экспериментов, при которых уран помещался в магнитное поле, было выяснено, что любой радиоактивный элемент имеет три основных вида излучения - альфа, бета и гамма.
В результате помещения радиоактивного элемента в свинцовую пластину, на которую действует магнитное поле, на экране наблюдалось три пятна, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга.
1. Альфа-лучи (альфа-частицы) - это положительная частица, которая имеет 4 нуклона и два положительных заряда. данное излучение является наиболее слабым. Изменить направление движения альфа-частицы можно даже листком бумаги.
Уравнение и примеры такого распада:
2 . Бетта-излучение или бетта-частица . Данное излучение протекает в результате выбивания одного отрицательного или положительного электрона (позитрона).
3. Гамма-излучение - это излучение, при котором выделяется электромагнитная волна, подобная рентгеновскому излучению.
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
✪ Виды распада
✪ РАДИОАКТИВНОСТЬ физика
✪ Альфа- и Бета- распады
Субтитры
Все, что мы до сих пор обсуждали, изучая химию, основывалось на стабильности электронов, и на том, где они, скорее всего, находятся в устойчивых оболочках. Но если продолжить изучение атома, выяснится, что в атоме находятся и действуют не только электроны. Взаимодействия происходят в самом ядре, ему свойственна нестабильность, которую оно стремится ослабить. Это и станет темой нашего видеоурока. На самом деле, изучение этих механизмов не входит в программу по химии для первокурсников, но лишними эти знания точно не будут. Когда мы будем изучать сильные ядерные взаимодействия, квантовую физику и тому подобное, мы еще подробно рассмотрим, почему протоны, нейтроны и кварки, из которых состоят ядра атомов, взаимодействуют именно таким образом. А сейчас представим, каким образом ядро вообще может распадаться.. Начнем с пучка протонов. Я нарисую несколько. Это протоны, а тут будут нейтроны. Нарисую их каким-нибудь подходящим цветом. Серый цвет – то, что надо. Итак, вот они, мои нейтроны. Сколько у меня протонов? У меня 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Значит, будет 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 нейтронов. Допустим, это ядро атома. Это, кстати, самый первый ролик об атомном ядре. Вообще, нарисовать атом, на самом деле, очень трудно, ведь у него нет четко определенных границ. Электрон в любой момент времени может находиться где угодно. Но если говорить о месте нахождения электрона 90% времени, то им будет радиус или диаметр атома. Мы уже давно знаем, что ядро - это бесконечно малая часть объема той сферы, где электрон находится 90% времени. А из этого следует что практически все, что мы видим вокруг, это пустое пространство. Все это - пустое пространство. Я говорю об этом, потому что это бесконечно малое пятнышко, даже несмотря на то, что оно является очень малой долей объема атома, его масса составляет почти всю массу атома - это очень важно. Это не атомы, это не электроны. Мы проникаем в ядро. Оказывается, иногда ядро бывает нестабильно и стремится достичь более устойчивой конфигурации. Мы не будем углубляться в детали причин неустойчивости ядра. Но, просто скажу, что иногда оно испускает так, называемые альфа-частицы. Это явление называется альфа-распадом. Запишем. Альфа-распад. Ядро испускает альфа-частицу, звучит фантастично. Это просто совокупность нейтронов и протонов. А альфа-частица – это два нейтрона и два протона. Возможно, они чувствуют, что они здесь не помещаются, вот эти, например. И происходит эмиссия. Они покидают ядро. Рассмотрим, что происходит с атомом, когда случается что-то подобное. Возьмем случайный элемент, назовем его Е. У него есть P - протоны. Нарисую буквы таким же цветом, что и протоны. Итак, вот - протоны. Естественно, у элемента Е есть массовое число атома, равное сумме протонов и нейтронов. Нейтроны серые. Происходит альфа-распад, что же будет с этим элементом? Что же будет с этим элементом? Количество протонов уменьшается на два. Поэтому количество протонов составит р минус 2. И число нейтронов тоже уменьшается на два. Итак, здесь у нас р минус 2, плюс наши нейтроны минус 2, то есть, всего минус 4. Масса уменьшается на четыре, и прежний элемент превращается в новый. Помните, что элементы определяются количеством протонов. При альфа-распаде вы теряете два нейтрона и два протона, но именно протоны превращают этот элемент в другой. Если мы назовем этот элемент 1, что я и собираюсь сделать, то теперь у нас будет новый элемент, элемент 2. Смотрите внимательно. Происходит эмиссия чего-то, что имеет два протона, и два нейтрона. Поэтому его масса будет равна массе двух протонов и двух нейтронов. Что же это? Отделяется что-то, имеющее массу четыре. Что содержит два протона и два нейтрона? Сейчас у меня нет периодической системы элементов. Я забыл ее вырезать и вставить перед съемкой этого видеоролика. Но вы быстро найдете в периодической таблице элемент, имеющий два протона, и этот элемент – гелий. Его атомная масса действительно четыре. Действительно, при альфа-распаде происходит эмиссия именно ядра гелия. Это ядро гелия. Так как это ядро гелия, у него нет электронов, чтобы нейтрализовать заряд протонов, это ион. У него нет электронов. У него только два протона, поэтому он имеет заряд плюс 2. Подпишем заряд. Альфа-частица – это просто ион гелия, ион гелия с зарядом плюс 2, самопроизвольно испускаемый ядром для достижения более устойчивого состояния. Это один вид распада. Теперь другие.. Рисуем еще одно ядро. Нарисую нейтроны. Нарисую протоны. Иногда получается так, что нейтрон чувствует себя неуютно. Он каждый день смотрит на то, что делают протоны, и говорит, знаете, что? Почему-то, когда я прислушиваюсь к себе, я чувствую, что на самом деле должен быть протоном. Если бы я был протоном, все ядро было бы немного устойчивее. И что он делает, чтобы стать протоном? Помните, нейтрон имеет нейтральный заряд? Вот что он делает, он испускает электрон. Это кажется сумасшествием. Электроны в нейтронах и все такое. И я согласен с вами. Это сумасшествие. И однажды мы изучим все, что находится внутри ядра. А пока просто скажем, что нейтрон может испустить электрон. Что он и делает. Итак, вот электрон. Мы принимаем его массу за равную нулю.. На самом деле это не так, но мы говорим сейчас о единицах атомной массы. Если масса протона – один, то масса электрона в 1836 раз меньше. Поэтому мы принимаем его массу за ноль. Хоть это и не так. А его заряд – минус 1. Итак, вернемся к процессу. Нейтрон испускает электрон. Конечно, нейтрон не остается нейтральным, а превращается в протон. Это называется бета-распадом. Запишем этот вид. Бэта-распад. А бета-частица – на самом деле просто испускаемый электрон. Вернемся к нашему элементу. У него есть определенное количество протонов и нейтронов. Вместе они составляют массовое число. Что происходит, когда он подвергается бета-распаду? Изменяется ли количество протонов? Конечно, у нас на один протон больше, чем было, потому что один нейтрон превратился в протон. Количество протонов увеличилось на 1. Изменилось ли массовое число? Посмотрим. Количество нейтронов уменьшилось на один, а количество протонов увеличилось на один. Поэтому массовое число не изменилось. Оно по-прежнему составляет Р плюс N, то есть, масса остается неизменной, в отличие от ситуации с альфа-распадом, но сам элемент изменяется. Количество протонов изменяется. В результате бета-распада мы снова получаем новый элемент. Теперь другая ситуация. Допустим, один из этих протонов смотрит на нейтроны и говорит, знаете, что? Я вижу, как они живут. Мне это очень нравится. Думаю, мне было бы удобнее, а наша группа частиц внутри ядра была бы счастливее, если бы я тоже был нейтроном. Все мы находились бы в более устойчивом состоянии. И что он делает? У этого испытывающего неудобства протона есть возможность испустить позитрон, а не протон. Он испускает позитрон. А что это такое? Это частица, которая имеет точно такую же массу, как и электрон. То есть, его масса в 1836 раз меньше массы протона. Но здесь мы пишем просто ноль, потому что в единицах атомной массы она приближается к нулю. Но позитрон имеет положительный заряд. Немного путает то, что здесь все еще написано е. Когда я вижу е, я думаю, что это электрон. Но нет, эту частицу обозначают буквой е, потому что это частица того же типа, но, вместо отрицательного заряда, она имеет положительный заряд. Это позитрон. Подпишем. Начинает происходить что-то необычное с этими типами частиц и веществом, которые мы рассматриваем. Но это - факт. И если протон испускает эту частицу, то с ней практически уходит его положительный заряд, и этот протон превращается в нейтрон. Это называется эмиссией позитрона. Эмиссию позитрона представить довольно легко, В названии все сказано. Снова элемент Е, с определенным количеством протонов, и нейтронов. Каким должен быть этот новый элемент? Он теряет протон. P минус 1. Он превращается в нейтрон. То есть, количество P уменьшается на один. Количество N увеличивается на один. Поэтому масса целого атома не изменяется. Она составит P плюс N. Но у нас все еще должен получиться другой элемент, правильно? Когда происходит бета-распад, увеличивается количество протонов. Мы переместились вправо в периодической таблице, или увеличили, вы знаете, что я имею в виду. Когда происходит эмиссия позитрона, уменьшается количество протонов. Нужно это записать в обеих этих реакциях. Итак, это эмиссия позитрона, и остается один позитрон. А в нашем бета-распаде остается один электрон. Реакции записаны абсолютно одинаково. Вы знаете, что это электрон, потому что он имеет заряд минус 1. Вы знаете, что это позитрон, потому что он имеет заряд плюс 1. Остается один, последний тип распада, о котором вы должны знать. Но он не изменяет количество протонов или нейтронов в ядре. Он просто высвобождает огромное количество энергии, или, иногда, высокоэнергетический протон. Это явление называется гамма-распадом. Гамма-распад означает, что эти частицы меняют свою конфигурацию. Они немного сближаются. И сближаясь, выделяют энергию в виде электромагнитного излучения с очень маленькой длиной волны. По существу, можно называть это гамма- частицей или гамма-лучом. Это сверхвысокая энергия. Гамма-лучи очень опасны. Они могут вас убить. Все это была теория. Теперь решим пару задач и выясним, с каким типом распада мы имеем дело. Здесь у меня бериллий-7, где семь - это атомная масса. И я превращаю его в литий-7. Итак, что здесь происходит? Масса ядра бериллия остается неизменной, но количество протонов уменьшается с четырех до трех. Уменьшилось количество протонов бериллия. Общая масса не изменилась. Несомненно, это не альфа-распад. Альфа-распад, как вы знаете, это выделение гелия из ядра. Так что же выделяется? Выделяется положительный заряд, или позитрон. Здесь это показано с помощью уравнения. Это позитрон. Поэтому этот тип распада бериллия-7 до лития-7- это эмиссия позитрона. Все ясно. А теперь взглянем на следующий пример. Уран-238, распадающийся до тория-234. И мы видим, что атомная масса уменьшается на 4, и видим, что атомное число уменьшается, количество протонов уменьшается на 2. Вероятно, выделилось что-то, что имеет атомную массу четыре, и атомное число два, то есть, гелий. Значит это альфа-распад. Вот здесь – это альфа-частица. Это пример альфа-распада. Но тут не все так просто. Потому что, если из 92 протонов осталось 90 протонов, здесь осталось еще 92 электрона. Будет ли теперь заряд минус 2? И более того, гелий, который высвобождается, он же не имеет электронов. Это просто ядро гелия. Так будет ли заряд плюс 2? Задавая такой вопрос, вы будете абсолютно правы. Но на самом деле именно в момент распада у тория больше нет причин удерживать эти два электрона, поэтому эти два электрона исчезают, и торий опять становится нейтральным. А гелий очень быстро реагирует таким же образом. Ему очень нужны два электрона для устойчивости, поэтому он очень быстро захватывает два электрона и становится стабильным. Можно записать это любым способом. Рассмотрим еще один пример. Здесь у меня йод. Хорошо. Посмотрим, что происходит. Масса не изменяется. Протоны должны превратиться в нейтроны или нейтроны – превратиться в протоны. Мы видим, тут у меня 53 протона, а здесь - 54. Видимо, один нейтрон превратился в протон. Нейтрон, видимо, превратился в протон. А нейтрон превращается в протон, испуская электрон. И мы наблюдаем это во время этой реакции. Электрон высвободился. Значит, это бета-распад. Это бета-частица. Подписали. Действует та же логика. Подождите, вместо 53 стало 54 протона. Теперь, когда прибавился еще один протон, будет ли у меня положительный заряд? Да, будет. Но очень скоро – возможно, не именно эти электроны, вокруг вращается так много электронов – я захвачу электроны из какого-нибудь места, чтобы стать устойчивым, и снова обрету устойчивость. Но вы будете абсолютно правы, если зададите вопрос, не станет ли частица ионом на малую долю времени? Рассмотрим еще один пример. Радон-222 с атомным числом 86, который превращается в полоний -218, с атомным числом 84. Небольшое интересное отступление. Полоний назван так в честь Польши, потому что Мария Кюри, открывшая его, оттуда, в то время, примерно в конце 1800-х годов – Польша еще не существовала как отдельная страна. Ее территория была разделена между Пруссией, Россией и Австрией. И поляки очень хотели, чтобы люди знали – они – единый народ. Они сделали открытие, что, когда радон подвергается распаду, образуется этот элемент. И назвали его в честь своей родины, Польши. Это привилегия открытия новых элементов. Но вернемся к задаче. Итак, что произошло? Атомная масса уменьшилась на четыре. Атомное число уменьшилось на два. Еще раз повторю, видимо, высвободилась частица гелия. Ядро гелия имеет атомную массу четыре и атомное число два. Все ясно. Значит, это альфа-распад. Можно написать, что это ядро гелия. Оно не имеет электронов. Мы можем даже сразу сказать, что оно будет иметь отрицательный заряд, но затем оно его теряет. Subtitles by the Amara.org community
Теория
Альфа-распад из основного состояния наблюдается только у достаточно тяжёлых ядер, например, у радия-226 или урана-238 . Альфа-радиоактивные ядра в таблице нуклидов появляются начиная с атомного номера 52 (теллур) и массового числа около 106-110, а при атомном номере больше 82 и массовом числе больше 200 практически все нуклиды альфа-радиоактивны, хотя альфа-распад у них может быть и не доминирующей модой распада. Среди природных изотопов альфа-радиоактивность наблюдается у нескольких нуклидов редкоземельных элементов (неодим-144, самарий-147, самарий-148, европий-151, гадолиний-152), а также у нескольких нуклидов тяжёлых металлов (гафний-174, вольфрам-180, осмий-186, платина-190, висмут-209, торий-232, уран-235, уран-238) и у короткоживущих продуктов распада урана и тория.
Альфа-распад из высоковозбуждённых состояний ядра наблюдается и у ряда лёгких нуклидов, например у лития-7.
Альфа-частица испытывает туннельный переход через потенциальный барьер , обусловлен ядерными силами , поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально , период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной . Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.Опасность для живых организмов
Будучи довольно тяжелыми и положительно заряженными, альфа-частицы от радиоактивного распада имеют очень короткий пробег в веществе и при движении в среде быстро теряют энергию на небольшом расстоянии от источника. Это приводит к тому, что вся энергия излучения высвобождается в малом объеме вещества, что увеличивает шансы повреждения клеток при попадании источника излучения внутрь организма. Однако внешнее излучение от радиоактивных источников безвредно, поскольку альфа-частицы могут эффективно задерживаться несколькими сантиметрами воздуха или десятками микрометров плотного вещества - например, листом бумаги и даже роговым омертвевшим слоем эпидермиса , не достигая живых клеток. Даже прикосновение к источнику чистого альфа-излучения не опасно, хотя следует помнить, что многие источники альфа-излучения излучают также гораздо более проникающие типы излучения (бета-частицы , гамма-кванты , иногда нейтроны). Однако попадание альфа-источника внутрь организма приводит к значительному облучению. Коэффициент качества альфа-излучения равен 20 (больше всех остальных типов ионизирующего излучения, за исключением тяжёлых ядер и осколков деления). Это означает, что в живой ткани альфа-частица создаёт оценочно в 20 раз большие повреждения, чем гамма-квант или бета-частица равной энергии.
Всё вышеизложенное относится к радиоактивным источникам альфа-частиц, энергии которых не превосходят 15 МэВ. Альфа-частицы, полученные на ускорителе, могут иметь значительно более высокие энергии и создавать значимую дозу даже при внешнем облучении организма.
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | АЛЬФА-РАСПАД |
| Рубрика (тематическая категория) | Радио |
Условие распада. Альфа-распад характерен для тяжелых ядер, у которых а ростом А наблюдается уменьшение энергии связи, приходящейся на 1 нуклон. В этой области массовых чисел уменьшение числа нуклонов в ядре ведет к образованию более прочно связанного ядра. При этом выйгрыш в энергии при уменьшении А на единицу много меньше энергии связи одного нуклона в ядре, в связи с этим испускание протона или нейтрона, имеющего за пределами ядра энергию связи, равную нулю, невозможно. Испускание же ядра 4 Не оказывается энергетичеки выгодным, так как удельная энергия связи нуклона в данном ядре около 7,1 МэВ. Альфа-распад возможен, в случае если суммарная энергия связи ядра продукта и альфа-частицы больше, чем энергия связи исходного ядра. Или в массовых единицах:
M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + M α (3.12)
Увеличение энергии связи нуклонов означает уменьшение энергии покоя как раз на величину выделяющейся при альфа-распаде энергии Е α . По этой причине, в случае если представить альфа-частицу как целое в составе ядра-продукта͵ то она должна занимать уровень с положительной энергией, равной Е α (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Схема энергетического уровня альфа-частицы в тяжелом ядре
Когда альфа-частица покидает ядро, то эта энергия выделяется в свободном виде, как кинетическая энергия продуктов распада: альфа-частицы и нового ядра. Кинетическая энергия распределяется между этими продуктами распада обратно пропорционально их массам и, поскольку, масса альфа-частицы много меньше массы вновь образовавшегося ядра, практически вся энергия распада уносится альфа-частицей.. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, с большой точностью Е α есть кинетическая энергия альфа-частицы после распада.
При этом, освобождению энергии препядствует кулоновский потенциальный барьер U k (см. рисунок 3.5), вероятность прохождения которого альфа-частицей мала и очень быстро падает при уменьшении Е α . По этой причине соотношение (3.12) не является достаточным условием альфа-распада.
Высота кулоновского барьера для заряженной частицы, проникающей в ядро или вылетающей из ядра, возрастает пропорционально ее заряду. По этой причине кулоновский барьер составляет еще большее препядствие для вылета из тяжелого ядра других прочно связанных легких ядер, таких как 12 С или 16 О . Средняя энергия связи нуклона в этих ядрах еще выше, чем в ядре 4 Не , в связи с этим в ряде случаев испускание ядра 16 О вместо последовательного вылета четырех альфа-частиц оказалось бы энергетически более выгодным. При этом испускание ядер более тяжелых, чем ядро 4 Не , не наблюдается.
Объяснение распада. Механизм альфа-распада объясняет квантовая механика, т.к в рамках классической физики данный процесс невозможен. Только частица, обладающая волновыми свойствами, может оказаться за пределами потенциальной ямы при E α . Более того, оказывается, что только потенциальный барьер бесконечно большой ширины с вероятностью равной единице, ограничивает пребывание частицы в пределах потенциальной ямы. В случае если же ширина барьера конечна, то вероятность перехода за пределы потенциального барьера принципиально всегда отлична от нуля. Правда эта вероятность быстро снижается с ростом ширины и высоты барьера. Аппарат квантовой механике приводит к следующему выражению для прозрачности барьера или вероятности ω оказаться частице за пределами потенциального барьера при столкновении с его стенкой:
(3.13)
В случае если представить альфа-частицу внутри сферической потенциальной ямы радиусом R , движущуюся со скоростью v α , то частота ударов о стенки ямы составит v α /R , и тогда вероятность вылета альфа-частицы из ядра на единицу времени, или постоянная распада, будет равна произведению числа попыток в единицу времени на вероятность прохождения барьера при одном столкновении со стенкой:
, (3.14)
где - некоторый неопределенный коэффициент, поскольку были приняты положения, далекие от истины: альфа-частица не движется свободно в ядре, да и вообще в саставе ядер нет альфа-частиц. Она образуется из четырех нуклонов в момент альфа-распада. Величина имеет смысл вероятности образования в ядре альфа-частицы, частота столкновений которой со стенками потенциальной ямы равна v α /R .
Сравнение с опытом. На основании зависимости (3.14) можно объяснить многие наблюдаемые при альфа-распаде явления. Период полураспада альфа-активных ядер тем больше, чем меньше энергия Е α испускаемых при распаде альфа-частиц. При этом, в случае если периоды полураспада меняются от долей микросекунды до многих миллиардов лет, то диапазон изменения Е α очень мал и составляет примерно 4-9 МэВ для ядер с массовыми числами A>200. Регулярная зависимость периода полураспада от Е α была давно обнаружена в опытах с естественными а-активными радионуклидами и описана соотношением:
(3.15)
где и - константы, несколько различающиеся для разных радиоактивных семейств.
Это выражение принято называть законом Гейгера-Нэттола и представляет степенную зависимость постоянной распада λ от Е α с очень большим показателем . Такая сильная зависимость λ от Е α непосредственно вытекает из механизма прохождения альфа-частицей потенциального барьера. Прозрачность барьера, а следовательно и постоянная распада λ зависят от интеграла по области R 1 -R экспоненциально и быстро увеличиваются при росте Е α . Когда Е α приближается к 9 МэВ, время жизни по отношению к альфа-распаду составляет малые доли секунды, ᴛ.ᴇ. при энергии альфа-частиц 9 МэВ альфа-распад происходит практически мгновенно. Интересно, что такое значение Е α еще существенно меньше высоты кулоновского барьера U k , которая у тяжелых ядер для двухзарядной точечной частицы составляет примерно 30 МэВ. Барьер для альфа-частицы конечного размера несколько ниже и должна быть оценен в 20-25 МэВ. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, прохождение кулоновского потенциального барьера альфа-частицей протекает весьма эффективно, исли ее энергия не ниже трети высоты барьера.
Прозрачность кулоновского барьера зависит также от заряда ядра, т.к. от этого заряда зависит высота кулоновского барьера. Альфа-распад наблюдается среди ядер с массовыми числами A>200 и в области A~150 . Понятно, что кулоновский барьер при A~150 заметно ниже и вероятность альфа-распада для одинаковых Е α значительно больше.
Хотя теоретически при любой энергии альфа-частицы существует вероятность проникновения через барьер, есть ограничения в возможности экспериментального определения этого процесса. Определить альфа-распад ядер с периодом полураспада больше 10 17 – 10 18 лет не удается. Соответствующее минимальное значение Е α выше у более тяжелых ядер и составляет 4 МэВ у ядер с A>200 и около 2 МэВ у ядер с A~150 . Следовательно выполнение соотношения (3.12) не обязательно свидетельствует о неустойчивости ядра по отношению к альфа-распаду. Оказывается, что соотношение (3.12) справедливо для всех ядер с массовыми числами больше 140, однако в области A>140 находится около одной трети всех встречающихся в природе стабильных нуклидов.
Границы устойчивости. Радиоактивные семейства. Границы устойчивости тяжелых ядер по отношению к альфа-распаду можно объяснить, используя модель ядерных оболочек. Ядра, имеющие только замкнутые протонные или нейтронные оболочки, являются особо прочно связанными. По этой причине, хотя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, у средних и тяжелых ядер снижается при возрастании А , это снижение всегда замедляется при приближении А к магическому числу и ускоряется после прохождения А через магическое число протонов или нейтронов. В результате, энергия Е α оказывается значительно ниже минимального значения, при котором наблюдается альфа-распад, для магических ядер или массовое число ядра меньше массового числа магического ядра. Напротив, энергия Е α скачкообразно возрастает у ядер с массовыми числами, превышающими значения А магических ядер, и превосходит минимум практической стабильности а отношении альфа-распада.
В области массовых чисел A~150 альфа-активными являются нуклиды, ядра которых содержат на два ли несколько нейтронов больше магического числа 82. Некоторые из таких нуклидов имеют периоды полураспада много больше геологического возраста Земли и в связи с этим представлены в естественном виде - ϶ᴛᴏ нуклиды 144 Nd, 147 Sm, 149 Sm, 152 Gd. Другие были получены в результате ядерных реакций. Последние имеют недостаток нейтронов по сравнению со стабильными нуклидами соответствующих массовых чисел, и у этих нуклидов с альфа-распадом конкурирует обычно β + -распад. Самым тяжелым стабильным нуклидом является 209 Bi , ядро которого содержит магическое число нейтронов 126. Предшествующий висмуту элемент свинец имеет магическое число протонов 82, а 208 Pb является дважды магическим нуклидом. Все более тяжелые ядра радиоактивны.
Поскольку в результате альфа-распада ядро-продукт обогащается нейтронами, то после нескольких альфа-распадов следует бета-распад. Последний не меняет число нуклонов в ядре, в связи с этим любое ядро с массовым числом A>209 может превратиться в стабильное, только после некоторого числа альфа-распадов. Так как число нуклонов при альфа-распаде уменьшается сразу на 4 единицы, то возможно существование четырех независимых цепочек распада, каждая со своим конечным продуктом. Три из них представлены в природе и называются естественными радиоактивными семействами. Естественные семейства заканчивают свой распад образованием одного из изотопов свинца, конечным продуктом четвертого семейства является нуклид 209 Bi (см. таблицу 3.1).
Существование естественных радиоактивных семейств обязано трем долгоживущим альфа-активным нуклидам – 232 Th, 235 U, 238 U , имеющим периоды полураспада, сравнимые с геологическим возрастом Земли (5.10 9 лет). Наиболее долгоживущим представителем вымершего четвертого семейства является нуклид 237 Np – изотоп трансуранового элемента нептуния.
Таблица 3.1. Радиоактивные семейства
Сегодня путем бомбардировки тяжелых ядер нейтронами и легкими ядрами получено очень много нуклидов, являющихся изотопами трансурановых элементов (Z>92). Все они неустойчивы и принадлежат к одному из четырех семейств.
Последовательнось распадов в естественных семействах показана на рис. 3.6. В тех случаях, когда вероятности альфа-распада и бета-распада оказываются сравнимыми, образуются вилки, которые соответствуют распадом ядер с испусканием либо альфа- либо бета-частиц. При этом конечный продукт распада остается неизменным.
Рис. 3.6. Схемы распадов в природных семействах.
Приведенные наименования присвоены радионуклидам при первоначальном изучении естественных цепочек распада.
АЛЬФА-РАСПАД - понятие и виды. Классификация и особенности категории "АЛЬФА-РАСПАД" 2017, 2018.
В соответствии с видами радиоактивных излучений существуют несколько видов радиоактивного распада (типов радиоактивных превращений). Радиоактивному превращению подвергаются элементы, в ядрах которых слишком много протонов или нейтронов. Рассмотрим виды радиоактивного распада.
1. Альфа-распад характерен для естественных радиоактивных элементов с большим порядковым номером (т.е. с малыми энергиями связи). Известно около 160 альфа-активных видов ядер, в основном порядковый номер их более 82 (Z > 82). Альфа-распад сопровождается испусканием из ядра неустойчивого элемента альфа-частицы, которая представляет собой ядро атома гелия Не (в его составе 2 протона и 2 нейтрона). Заряд ядра уменьшается на 2, массовое число - на 4.
ZАХ → Z-2 А-4 У + 2 4Не; 92 238U →24 Не + 90 234Th;
88 226Ra→2 4He + 86 222Ra + γ изл.
Альфа - распад подвергается более 10% радиоактивных изотопов.
2. Бета-распад. Ряд естественных и искусственных радиоактивных изотопов претерпевают распад с испусканием электронов или позитронов:
а) Электронный бета-распад. характерен как для естественных, так и для искусственных радионуклидов, которые имеют излишек нейтронов (т.е. в основном для тяжелых радиоактивных изотопов). Электронному бета-распаду подвергается около 46% всех радиоактивных изотопов. При этом один из нейтронов превращается в , а ядро испускает и антинейтрино. Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента при этом увеличивается на единицу, а массовое число остается без изменения.
АZ Х → АZ+1 У + е- + v-; 24194Pu→24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.
При испускании β-частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии, когда в дочернем ядре обнаруживается избыток энергии, которая не захвачена корпускулярными частицами. Этот излишек энергии высвечивается в виде гамма-квантов.
13785Cs → 13756 Ва + е -+ v- + γ изл.;
б) позитронный бета-распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов, у которых в ядре имеется излишек протонов. Он характерен для 11% радиоактивных изотопов, находящихся в первой половине таблицы Д.И.Менделеева (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-1У + е+ + v+; 3015P → 3014Si + e+ + v+; 6428Ni + e+ + v+.
Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е и е). Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два гамма-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение - аннигиляционного. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую - гамма-фотоны;
в) электронный захват. Это такой вид радиоактивного превращения, когда ядро атома захватывает электрон из ближайшего к ядру энергетического К-уровня (электронный К-захват) или реже в 100 раз - из L уровня. В результате один из протонов ядра нейтрализуется электроном, превращаясь в . Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше, а массовое число не изменяется. Ядро испускает антинейтрино. Освободившееся место, которое занимал в К или L-уровне захваченный , заполняется электроном из более удаленных от ядра энергетических уровней. Избыток энергии, освободившийся при таком переходе, испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения.
AZХ + е- → AZ-1 У + v- + рентгеновское излучение;
4019К + е- → Аr + v-+ рентгеновское излучение;
6429Сu + е- → 6428 Ni+v- + рентгеновское излучение.
Электронный К-захват характерен для 25% всех радиоактивных ядер, но в основном для искусственных радиоактивных изотопов, расположенных в другой половине таблицы Д.И. Менделеева и имеющих излишек протонов (Z = 45 - 105). Только три естественных элемента претерпевают К-захват: калий-40, лантан-139, лютеций-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).
Некоторые ядра могут распадаться двумя или тремя способами: путем альфа- и бета-распада и К-захвата.
Калий-40 подвергается, как уже отмечалось, электронному распаду - 88%, и К-захвату - 12%. Медь-64 (6428Сu) превращается в никель (позитронный распад - 19%, К-захват - 42%; (электронный распад - 39%).
3. Испускание γ-излучения не является видом радиоактивного распада (при этом не происходит превращение элементов), а представляет собой поток электромагнитных волн, возникающих при альфа- и бета-распаде ядер атомов (как естественных, так и искусственных радиоактивных изотопов), когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- и бета- частицей). Этот избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов.
13153I → 13154Xe + e- +v- +2γ кванта; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ квант.
4. - испускание протона из ядра в основном состоянии. Этот процесс может наблюдаться у искусственно полученных ядер с большим дефицитом нейтронов:
лютеций - 151 (15171Lu) - в нем на 24 нейтрона меньше, чем в стабильном изотопе 17671Lu.
Загрузка...