При розпаді бета утворюється. Альфа-бета-і гамма-розпади. Основні різновиди радіоактивних перетворень

Бета-розпад стає можливим тоді, коли заміна в атомному ядрі нейтрона на протон (або, навпаки, протона на нейтрон) енергетично вигідна і нове ядро, що виходить, має меншу масу спокою, тобто велику енергію зв'язку. Надлишок енергії розподіляється між продуктами реакції.

Бета-розпад буває трьох видів:

1. Один із нейтронів (n) в ядрі перетворюється на протон (р). У цьому випромінюється електрон (е-) і антинейтрино (ṽ e) (див. Нейтрино, Антивещество). Це - β-розпад.

A(Z,N) → A(Z+1,N-1) + е - + ṽ e

(n → р + е - + ṽ e),

де A(Z,N) - позначення ядра з числом протонів Z та нейтронів N. Заряд ядра збільшується на 1. Найпростіший видз усіх видів β - -розпаду - розпад вільного нейтрону, який важчий за протон і тому нестабільний.

2. Протон, що входить до складу ядра, розпадається на нейтрон (N), позитрон (е+) та нейтрино (v e). Це - β+-розпад.

A(Z,N) → A(Z-1,N+1) + e + + v e

(p → рn + е + + v e).

Заряд ядра зменшується на 1. Процес може відбуватися лише у ядрі; вільний протон не розпадається в такий спосіб.

3. Нарешті, ядро ​​може захопити найближчий з атомних електронів (електронне захоплення) і перетворитися на інше ядро ​​із зарядом на 1 менше:

A(Z,N) + е → A(Z-1,N+1) + v e

(р + е - → n + v e).

β-частка при цьому не випромінюється.

Коли фізики почали вивчати β-розпад, про існування нейтрино (v e або ṽ e)>, що має величезну проникаючу здатність, нічого не було відомо.

Загадка, з якою зіткнулися експериментатори,- суцільний енергетичний спектр електронів, випромінюваних при р-распаде. У цьому процесі частку дочірнього ядра припадає нікчемна частина енергії, що звільняється. Вся вона йде на електрон, і тому всі β-частинки мали б мати однакову енергію E 0 . А на досвіді спостерігалася така картина: випускалися електрони будь-якої енергії, аж до максимально можливої ​​– E0.

Фізики припустили, що винне джерело: р-частки втрачають свою енергію, коли проходять крізь його матеріал. Для перевірки цієї гіпотези кілька груп експериментаторів поставили калориметричні досліди. Робилися вони так: радіоактивне джерело поміщали в калориметр із такими товстими стінками, щоб β-частинки в них повністю поглиналися. Це дозволило виміряти всю енергію, що виділяється за певний час.

Потім розрахували енергію, що припадає на одну β-частинку. Експериментатори очікували, що вона виявиться близькою до E 0 але кожного разу отримували величину, приблизно в 2 рази меншу.

Вихід із становища знайшов швейцарський фізик-теоретик В. Паулі. Він висловив припущення, що при β-розпаді випромінюється частка, що має незрівнянно більшу проникаючу здатність, ніж електрони. Її не можуть затримати стінки калориметра, і вона забирає з собою частину енергії. Так народилося уявлення про нейтрино.

Теорія β-розпаду була створена 1934 р. італійським фізиком Е. Фермі. У ній учений припустив, що електрон і нейтрино народжуються на момент розпаду нуклону в ядрі. Він ввів у теорію константу G, яка грала для β-розпаду таку ж роль, що і заряд для електромагнітних процесів, і обчислив її величину на підставі експериментальних даних. Теорія Фермі дозволила розрахувати форму p-спектрів та зв'язати граничну енергію розпаду E0 з часом життя радіоактивного ядра. Нейтрино в цій теорії мало заряд, рівний нулю, і нульову масу (принаймні, m v ~< m e).

Протягом наступних років теорію прагнули видозмінити, доповнити та ускладнити, оскільки здавалося, що вона надто проста та не описує всіх досвідчених даних. Пройшло кілька десятиліть, перш ніж фізики переконалися, що всі ці доповнення ґрунтуються на помилкових експериментах, а шлях, обраний Фермі, правильний. Створена зараз теорія об'єднаної слабкої та електромагнітної взаємодії включає його як перше наближення (див. Четність, Нейтрино, Слабкі взаємодії).

Наведемо деякі дані про бета-розпад ядер.

Гранична енергія β-частинок (E 0) - від кількох Кев до - 17 МеВ.

Час життя ядер по відношенню до β-розпаду -від 1,3x10 -2 з до ~2x10 13 років.

Пробіг β-частинок у легких речовинах – кілька сантиметрів. Вони втрачають свою енергію на іонізацію та збудження атомів.

Відповідно до видів радіоактивних випромінюваньіснують кілька видів радіоактивного розпаду (типів радіоактивних перетворень). Радіоактивному перетворенню піддаються елементи, в ядрах яких дуже багато протонів або нейтронів. Розглянемо види радіоактивного розпаду.

1. Альфа-розпадхарактерний для природних радіоактивних елементів із великим порядковим номером (тобто з малими енергіями зв'язку). Відомо близько 160 альфа-активних видів ядер, в основному порядковий номер їх понад 82 (Z > 82). Альфа-розпад супроводжується випромінюванням з ядра нестійкого елемента альфа-частинки, яка є ядро ​​атома гелію Не (у його складі 2 протона і 2 нейтрона). Заряд ядра зменшується на 2, масове число – на 4.

ZАХ → Z-2 А-4 У + 2 4Не; 92238U →24 Не + 90234Th;

88 226Ra→2 4He + 86 222Ra + γ изл.

Альфа – розпад піддається понад 10% радіоактивних ізотопів.

2. Бета-розпад.Ряд природних і штучних радіоактивних ізотопів зазнають розпаду з випромінюванням електронів або позитронів:

а) Електронний бета-розпад. характерний як для природних, так штучних радіонуклідів, які мають надлишок нейтронів (тобто в основному для важких радіоактивних ізотопів). Електронний бета-розпад піддається близько 46% всіх радіоактивних ізотопів. При цьому один з нейтронів перетворюється на , а ядро ​​випускає і антинейтрино. Заряд ядра і атомний номер елемента при цьому збільшується на одиницю, а масове число залишається без зміни.

АZ Х → АZ+1 У + е- + v-; 24194Pu→24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.

При випромінюванні β-частинок ядра атомів можуть бути у збудженому стані, коли в дочірньому ядрі виявляється надлишок енергії, яка не захоплена корпускулярними частинками. Цей надлишок енергії висвічується як гамма-квантов.

13785Cs → 13756 + е - + v - + γ изл.;

б) позитронний бета-розпад. Спостерігається у деяких штучних радіоактивних ізотопів, які мають ядрі надлишок протонів. Він уражає 11% радіоактивних ізотопів, що у першій половині таблиці 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, вилетівши з ядра, зриває з оболонки атома "зайвий" або взаємодіє з вільним електроном, утворюючи пару "позитрон-електрон", яка миттєво перетворюється на два гамма-кванти з енергією, еквівалентній масі частинок (е і е). Процес перетворення пари «позитрон-електрон» у два гамма-кванти отримав назву анігіляції (знищення), а електромагнітне випромінювання, що виникає, - анігіляційного. У разі відбувається перетворення однієї форми матерії (частинок речовини) в іншу - гамма-фотони;

в) електронне захоплення. Це такий вид радіоактивного перетворення, коли ядро ​​атома захоплює електрон із найближчого до ядра енергетичного К-рівня (електронний К-захоплення) або рідше в 100 разів - з L рівня. В результаті один з протонів ядра нейтралізується електроном, перетворюючись на . Порядковий номер нового ядра стає на одиницю меншим, а масове число не змінюється. Ядро випромінює антинейтрино. Звільнене місце, яке займав К або L-рівні захоплений, заповнюється електроном з більш віддалених від ядра енергетичних рівнів. Надлишок енергії, що звільнився за такого переходу, випускається атомом у вигляді характеристичного рентгенівського випромінювання.

AZХ + е- → AZ-1 У + v- + рентгенівське випромінювання;

4019К + е- → Аr + v-+ рентгенівське випромінювання;

6429Сu + е- → 6428 Ni + v- + рентгенівське випромінювання.

p align="justify"> Електронний К-захоплення характерний для 25% всіх радіоактивних ядер, але в основному для штучних радіоактивних ізотопів, розташованих в іншій половині таблиці Д.І. Менделєєва і надлишок протонів (Z = 45 - 105). Тільки три природні елементи зазнають К-захоплення: калій-40, лантан-139, лютецій-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).

Деякі ядра можуть розпадатися двома або трьома способами: шляхом альфа- та бета-розпаду та К-захоплення.

Калій-40 піддається, як зазначалося, електронного розпаду - 88%, і К-захвату - 12%. Мідь-64 (6428Сu) перетворюється на нікель (позитронний розпад - 19%, К-захоплення - 42%; (електронний розпад - 39%).

3. Випускання γ-випромінювання не є видом радіоактивного розпаду (при цьому не відбувається перетворення елементів), а являє собою потік електромагнітних хвиль, що виникають при альфа-і бета-розпаді ядер атомів (як природних, так і штучних радіоактивних ізотопів), коли в дочірньому ядрі виявляється надлишок енергії, не захоплений корпускулярним випромінюванням (альфа-і бета-частинкою). Цей надлишок миттєво висвічується як гамма-квантов.

13153I → 13154Xe + e-+v-+2γ кванта; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ квант.

4. - Випускання протона з ядра в основному стані. Цей процес може спостерігатися у штучно отриманих ядер із великим дефіцитом нейтронів:

лютецій - 151 (15171Lu) - у ньому на 24 нейтрони менше, ніж у стабільному ізотопі 17671Lu.

Ядра більшості атомів – це досить стійкі утворення. Однак ядра атомів радіоактивних речовин у процесі радіоактивного розпаду мимоволі перетворюються на ядра атомів інших речовин. Так у 1903 році Резерфорд виявив, що поміщений у посудину радій через деякий час перетворився на радон. А в посудині додатково з'явився гелій: (88 226) Ra → (86 222) Rn + (2 4) He. Щоб розуміти зміст написаного виразу, вивчіть тему про масове та зарядове число ядра атома .

Вдалося встановити, що основні види радіоактивного розпаду: альфа та бета-розпад відбуваються згідно з наступним правилом усунення:

Альфа-розпад

При альфа-розпадівипромінюється -частка (ядро атома гелію). З речовини з кількістю протонів Z та нейтронів N в атомному ядрі вона перетворюється на речовину з кількістю протонів Z-2 та кількістю нейтронів N-2 і, відповідно, атомною масою А-4: (Z^A)X→(Z-2^ (A-4)) Y + (2 ^ 4) He. Тобто відбувається зміщення елемента, що утворився, на дві клітини назад у періодичній системі.

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

Альфа-розпад - це внутрішньоядерний процес. У складі важкого ядра за рахунок складної картини поєднання ядерних і електростатичних сил утворюється самостійна α-частка, яка виштовхується кулонівськими силами набагато активніше за інші нуклони. За певних умов вона може подолати сили ядерної взаємодії та вилетіти з ядра.

Бета-розпад

При бета-розпадівипромінюється електрон (β-частка). В результаті розпаду одного нейтрону на протон, електрон та антинейтрино, склад ядра збільшується на один протон, а електрон та антинейтрино випромінюються зовні: (Z^A)X→(Z+1^A)Y+(-1^0)e+(0 ^0)v. Відповідно, елемент, що утворився, зміщується в періодичній системі на одну клітину вперед.

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

Бета-розпад - це внутрішньонуклонний процес. Перетворення зазнає нейтрону. Існує також бета-плюс-розпадабо позитронний бета-розпад. При позитронний розпад ядро ​​випускає позитрон і нейтрино, а елемент зміщується при цьому на одну клітину назад по періодичній таблиці. Позитронний бета-розпад зазвичай супроводжується електронним захопленням.

Гамма-розпад

Крім альфа та бета-розпаду існує також гамма-розпад. Гамма-розпад - це випромінювання гамма-квантів ядрами в збудженому стані, при якому вони мають велику в порівнянні з незбудженим станом енергією. У збуджений стан ядра можуть приходити при ядерних реакціях чи радіоактивних розпадах інших ядер. Більшість збуджених станів ядер мають дуже нетривалий час життя – менш наносекунди.

Також існують розпади з емісією нейтрону, протона, кластерна радіоактивність та деякі інші дуже рідкісні види розпадів. Але превалюючі

Чи знаєте ви, у чому хибність поняття "фізичний вакуум"?

Фізичний вакуум - поняття релятивістської квантової фізики, під ним там розуміють нижчий (основний) енергетичний стан квантованого поля, що має нульовий імпульс, момент імпульсу та інші квантові числа. Фізичним вакуумом релятивістські теоретики називають повністю позбавлене речовини простір, заповнений невимірюваним, отже, лише уявним полем. Такий стан на думку релятивістів не є абсолютною порожнечею, але простір, заповнений деякими фантомними (віртуальними) частинками. Релятивістська квантова теорія поля стверджує, що, згідно з принципом невизначеності Гейзенберга, у фізичному вакуумі постійно народжуються і зникають віртуальні, тобто частки, що здаються (кому здаються?): відбуваються так звані нульові коливання полів. Віртуальні частки фізичного вакууму, а отже, він сам, за визначенням не мають системи відліку, тому що в іншому випадку порушувався б принцип відносності Ейнштейна, на якому ґрунтується теорія відносності (тобто стала б можливою абсолютна система вимірювання з відліком від частинок фізичного вакууму, що у свою чергу однозначно спростувало б принцип відносності, на якому побудована СТО). Таким чином, фізичний вакуум і його частинки не є елементами фізичного світу, але лише елементи теорії відносності, які існують не в реальному світі, але лише в релятивістських формулах, порушуючи при цьому принцип причинності (виникають і зникають так), принцип об'єктивності (віртуальні частки можна вважати залежно від бажання теоретика або існуючими, або не існуючими), принцип фактичної вимірності (не спостерігаються, не мають своєї ISO).

Коли той чи інший фізик використовує поняття "фізичний вакуум", він або не розуміє абсурдності цього терміна, або лукавить, будучи прихованим або явним прихильником релятивістської ідеології.

Зрозуміти абсурдність цього поняття найлегше звернувшись до витоків його виникнення. Народжено воно було Полем Діраком у 1930-х, коли стало зрозуміло, що заперечення ефіру в чистому вигляді, як це робив великий математик, але посередній фізик вже не можна. Занадто багато фактів суперечить цьому.

Для захисту релятивізму Поль Дірак ввів афізичне та алогічне поняття негативної енергії, а потім і існування "моря" двох компенсуючих один одного енергій у вакуумі - позитивної і негативної, а також "моря" частинок, що компенсують одна одну, - віртуальних (тобто здаються) електронів і позитронів у вакуумі.

Накопичувачі важких іонів відкривають нові можливості у вивченні якостей екзотичних ядер. Зокрема, вони дозволяють накопичувати та протягом тривалого часу використовувати повністю іонізовані атоми – «голі» ядра. В результаті стає можливим дослідити властивості атомних ядер, у яких немає електронного оточення і в яких відсутній кулонівський вплив зовнішньої електронної оболонки з атомним ядром.

Мал. 3.2 Схема e-захоплення в ізотопі (ліворуч) та повністю іонізованих атомах та (праворуч)

Розпад на зв'язаний стан атома був вперше виявлений в 1992 р. Спостерігався β-розпад повністю іонізованого атома на зв'язані атомні стани. Ядро 163 Dy на N-Z діаграмі атомних ядер позначено чорним кольором. Це означає, що вона є стабільним ядром. Дійсно, входячи до складу нейтрального атома, ядро ​​163 Dy стабільне. Його основний стан (5/2+) може заселятися в результаті e-захоплення з основного стану (7/2+) ядра 163 Ho. Ядро 163 Ho, оточене електронною оболонкою, --радіоактивно і його період напіврозпаду становить ~10 4 років. Однак це справедливо, якщо розглядати ядро ​​в оточенні електронної оболонки. Для повністю іонізованих атомів картина зовсім інша. Тепер основний стан ядра 163 Dy виявляється за енергією вище основного стану ядра 163 Ho і відкривається можливість для розпаду 163 Dy (рис. 3.2)

Електрон, що утворюється в результаті розпаду, може бути захоплений на вакантну К або L-оболонку іона. В результаті розпад (3.8) має вигляд

→ + e - + e (у зв'язаному стані).

Енергії β-розпадів на K та L-оболонки рівні відповідно (50.3±1) кеВ та (1.7±1) кеВ. Для спостереження розпаду на зв'язані стани K- і L-оболонки в накопичувальному кільці ESR в GSI було накопичено 108 повністю іонізованих ядер. Протягом часу накопичення в результаті β+-розпаду утворювалися ядра (рис. 3.3).

Мал. 3.3. Динаміка накопичення іонів: а - струм накопичених у накопичувальному кільці ESR іонів Dy 66+ під час різних стадій експерименту;

Так як іони Ho 66+ мають практично те саме M/q, що і іони первинного пучка Dy 66+, вони накопичуються на одній і тій же орбіті. Час накопичення становив ~ 30 хв. Для того, щоб виміряти період напіврозпаду ядра Dy 66+, накопичений на орбіті пучок необхідно було очистити від домішки іонів Ho 66+. Для очищення пучка від іонів в камеру інжектувалася аргонова газова струмінь щільністю 6·10 12 атом/см 2 діаметром 3 мм, яка перетинала накопичений пучок іонів у вертикальному напрямку. За рахунок того, що іони Ho66+ захоплювали електрони, вони вибували з рівноважної орбіти. Очищення пучка проходило протягом приблизно 500 с. Після чого газовий струмінь перекривався і в кільці продовжували циркулювати іони Dy 66+ і знову утворилися (після вимкнення газового струменя) в результаті розпаду іони Ho 66+. Тривалість цього етапу змінювалася від 10 до 85 хв. Детектування та ідентифікація Ho 66+ базувалися на тому, що Ho 66+ можна ще сильніше іонізувати. Для цього на останньому етапі накопичувальне кільце знову інжектувався газовий струмінь. Відбувалося обдирання останнього електрона з іона 163 Ho 66+ і в результаті виходив іон 163 Ho 67+. Поруч із газовим струменем розташовувався позиційно-чутливий детектор, яким реєструвалися іони, що вибувають з пучка 163 Ho 67+ . На рис. 3.4 показано залежність числа утворюються в результаті β-розпаду ядер 163 Ho від часу накопичення. На вставці показано просторову роздільну здатність позиційно-чутливого детектора.
Таким чином, накопичення в пучку 163 Dy ядер 163 Ho стало доказом можливості розпаду.

→ + e - + e (у зв'язаному стані).

Мал. 3.4. Відношення дочірніх іонів 163 Ho 66+ до первинних 163 Dy 66+ залежно від часу накопичення. На врізці пік 163 Ho 67+ зареєстрований внутрішнім детектором

Варіюючи інтервал часу між очищенням пучка від домішки Ho 66+ і часом реєстрації домішки іонів Ho 66+, що знову утворюються в пучку, можна виміряти період напіврозпаду повністю іонізованого ізотопу Dy 66+ . Воно виявилося рівним ~0.1 року.
Аналогічний розпад був виявлений і для 187 Re 75+. Отриманий результат дуже важливий для астрофізики. Справа в тому, що нейтральні атоми 187 Re мають період напіврозпаду 4·10 10 років і використовуються як радіоактивний годинник. Період напіврозпаду 187 Re 75+ становить лише 33±2 роки. Тому в астрофізичні виміри необхідно вносити відповідні виправлення, т.к. у зірках 187 Re найчастіше знаходиться в іонізованому стані.
Вивчення властивостей повністю іонізованих атомів відкриває новий напрямок досліджень екзотичних властивостей ядер, позбавлених кулонівського впливу зовнішньої електронної оболонки.