Atom nüvəsinin və elementar hissəciklərin fizikasının elementləri. Beta hissəciklərinin nüfuzetmə gücü

2.3 Nümunələrα - Vəβ - çürümə

FəaliyyətAnuklidradioaktiv mənbədə nümunənin nüvələri ilə 1 saniyə ərzində baş verən parçalanmaların sayı deyilir:

Fəaliyyət vahidi — becquerel (Bq): 1Bq - 1 s ərzində bir parçalanma hadisəsi baş verən nuklidin aktivliyi.Qeyri-sistem fəaliyyət vahidiradioaktiv mənbədə nuklid -küri (Ku): 1 Ku=3,7·1010 Bk.

Alfa çürüməsi. Alfa parçalanması protonların sayı Z və neytronların sayı olan atom nüvəsinin Z – 2 və neytronların sayı N – 2 olan başqa (qızı) nüvəyə kortəbii çevrilməsidir. Bu halda alfa hissəciyi buraxılır - helium atomunun nüvəsi. Belə bir prosesə misal olaraq radiumun α-parçalanması göstərilə bilər:

Radium atomlarının nüvələri tərəfindən yayılan alfa hissəcikləri Ruterford tərəfindən ağır elementlərin nüvələri tərəfindən səpilmə təcrübələrində istifadə edilmişdir. Radium nüvələrinin α-parçalanması zamanı buraxılan α-hissəciklərin maqnit sahəsində trayektoriyanın əyriliyindən ölçülən sürəti təxminən 1,5 10-a bərabərdir.7 m/s, müvafiq kinetik enerji isə təxminən 7,5 10 təşkil edir–13 J (təxminən 4,8 MeV). Bu dəyər ana və qız nüvələrinin və helium nüvəsinin kütlələrinin məlum dəyərlərindən asanlıqla müəyyən edilə bilər. Qaçan α-hissəciyin sürəti nəhəng olsa da, o, hələ də işığın sürətinin cəmi 5%-ni təşkil edir, ona görə də hesablayarkən kinetik enerji üçün qeyri-relativistik ifadədən istifadə etmək olar.

Tədqiqatlar göstərdi ki, radioaktiv maddə bir neçə diskret enerjiyə malik alfa hissəcikləri buraxa bilər. Bu, nüvələrin atomlar kimi müxtəlif həyəcanlı vəziyyətlərdə ola bilməsi ilə izah olunur. Qız nüvəsi α parçalanması zamanı bu həyəcanlı vəziyyətlərdən birinə düşə bilər. Bu nüvənin əsas vəziyyətə sonrakı keçidi zamanı γ-kvant buraxılır. Kinetik enerjinin iki dəyəri olan α-hissəciklərin emissiyası ilə radiumun α-parçalanmasının diaqramı Şəkil 2.4-də göstərilmişdir.

Beləliklə, nüvələrin α-parçalanması bir çox hallarda γ-radiasiya ilə müşayiət olunur.

α-parçalanma nəzəriyyəsində nüvələrin içərisində iki proton və iki neytrondan ibarət qrupların, yəni α hissəciyinin yarana biləcəyi güman edilir. Ana nüvə potensial maneə ilə məhdudlaşan α hissəcikləri üçün potensial quyudur. Nüvədəki α hissəciyinin enerjisi bu maneəni aşmaq üçün kifayət etmir (Şəkil 2.5). Alfa hissəciyinin nüvədən qaçması yalnız tunel effekti adlanan kvant mexaniki hadisə sayəsində mümkündür. Kvant mexanikasına görə, zərrəciyin potensial maneə altından keçmə ehtimalı sıfırdan fərqlidir. Tunelləmə fenomeni təbiətdə ehtimal xarakteri daşıyır.

Beta çürüməsi. Beta parçalanma zamanı nüvədən bir elektron atılır. Elektronlar nüvələrin içərisində mövcud ola bilməz (bax § 1.2); onlar neytronun protona çevrilməsi nəticəsində beta parçalanması zamanı yaranır. Bu proses təkcə nüvənin daxilində deyil, həm də sərbəst neytronlarda baş verə bilər. Sərbəst bir neytronun orta ömrü təxminən 15 dəqiqədir. Neytron parçalandıqdaprotona çevrilirvə elektron

Ölçmələr göstərdi ki, bu prosesdə enerjinin saxlanması qanununun aşkar şəkildə pozulması var, çünki neytronun parçalanması nəticəsində yaranan proton və elektronun ümumi enerjisi neytronun enerjisindən azdır. 1931-ci ildə V.Pauli təklif etdi ki, neytronun parçalanması zamanı kütləsi və yükü sıfır olan başqa bir hissəcik ayrılır ki, bu da enerjinin bir hissəsini götürür. Yeni hissəcik adlanırneytrino(kiçik neytron). Neytrino yükünün və kütləsinin olmaması səbəbindən bu hissəcik maddənin atomları ilə çox zəif qarşılıqlı təsir göstərir, ona görə də təcrübədə aşkar etmək olduqca çətindir. Neytrinoların ionlaşma qabiliyyəti o qədər kiçikdir ki, havada bir ionlaşma hadisəsi təxminən 500 km məsafədə baş verir. Bu zərrəcik yalnız 1953-cü ildə kəşf edilib.Hazırda neytrinoların bir neçə növü olduğu məlumdur. Neytronun parçalanması zamanı bir hissəcik yaranır ki, bu da elektron adlanırantineytrino. Simvol ilə göstərilirBuna görə də neytron parçalanma reaksiyası şəklində yazılır

Bənzər bir proses β-parçalanma zamanı nüvələrin içərisində baş verir. Nüvə neytronlarından birinin parçalanması nəticəsində əmələ gələn elektron dərhal “valideyn evindən” (nüvədən) işıq sürətindən yalnız bir faizlə fərqlənə bilən böyük sürətlə atılır. Elektron, neytrino və ana nüvə arasında β-parçalanma zamanı ayrılan enerjinin paylanması təsadüfi olduğundan, β-elektronların geniş dəyər diapazonunda fərqli sürətləri ola bilər.

β-parçalanma zamanı yük sayı Z bir artır, lakin A kütlə sayı dəyişməz qalır. Qız nüvəsi elementin izotoplarından birinin nüvəsi olur, dövri cədvəldəki seriya nömrəsi orijinal nüvənin seriya nömrəsindən bir çoxdur. β-parçalanmanın tipik nümunəsi torium izotonun çevrilməsidiruranın α-parçalanması nəticəsində yaranırpalladiuma

Elektron β çürüməsi ilə yanaşı, pozitron β tənəzzülü də kəşf edildi.+ -nüvədən pozitronun buraxıldığı çürüməvə neytrinolar. Pozitron elektronun hissəcik əkizidir, ondan yalnız yükünün işarəsi ilə fərqlənir. Pozitronun mövcudluğu 1928-ci ildə görkəmli fizik P.Dirak tərəfindən proqnozlaşdırıldı. Bir neçə ildən sonra pozitron kosmik şüalarda kəşf edildi. Pozitronlar aşağıdakı sxemə uyğun olaraq bir protonun neytrona çevrilməsi reaksiyası nəticəsində yaranır:

Qamma çürüməsi. α- və β-radioaktivlikdən fərqli olaraq, nüvələrin γ-radioaktivliyi nüvənin daxili strukturunun dəyişməsi ilə əlaqəli deyil və yükün və ya kütlə ədədlərinin dəyişməsi ilə müşayiət olunmur. Həm α-, həm də β-parçalanma zamanı qız nüvəsi özünü hansısa həyəcanlı vəziyyətdə tapa bilər və artıq enerjiyə malik ola bilər. Nüvənin həyəcanlanmış vəziyyətdən əsas vəziyyətə keçməsi enerjisi bir neçə MeV-ə çata bilən bir və ya bir neçə γ kvantının emissiyası ilə müşayiət olunur.

1.3. Alfa parçalanmaları, beta parçalanmaları və radioaktiv nüvələrin qamma emissiyaları

Alfa parçalanması bir helium atomunun nüvələrini təmsil edən alfa hissəciklərinin radioaktiv nüvə tərəfindən kortəbii emissiyasıdır. Çürümə sxemə uyğun olaraq davam edir

IN (1.13) ifadəsində X hərfi çürüyən (ana) nüvənin kimyəvi simvolunu, Y hərfi isə yaranan (qızı) nüvənin kimyəvi simvolunu bildirir. Diaqramdan (1.13) göründüyü kimi, ana nüvənin atom nömrəsi iki, kütlə sayı isə ilk nüvədən dörd vahid azdır.

Alfa hissəciyinin müsbət yükü var. Alfa hissəcikləri iki-

əsas parametrlər üzrə: səyahət uzunluğu (havada 9 sm-ə qədər, bioloji toxumada 10-3 sm-ə qədər) və 2...9 MeV diapazonunda kinetik enerji.

Alfa parçalanması yalnız Am>200 və yük sayı Z>82 olan ağır nüvələrdə müşahidə olunur. Belə nüvələrin içərisində iki proton və iki neytrondan ibarət təcrid olunmuş hissəciklərin əmələ gəlməsi baş verir. Bu qrup nuklonların ayrılması nüvə qüvvələrinin doyması ilə asanlaşdırılır, beləliklə, əmələ gələn alfa hissəciyi ayrı-ayrı nuklonlara nisbətən daha az nüvə cəlbedici qüvvələrə məruz qalır. Eyni zamanda, alfa hissəciyi nüvənin protonlarından ayrı-ayrı protonlara nisbətən daha çox Coulomb itələmə qüvvələri yaşayır. Bu, ayrı-ayrı nuklonlardan deyil, nüvədən alfa hissəciklərinin emissiyasını izah edir.

IN Əksər hallarda radioaktiv maddə bir neçə qrup yayır oxşar, lakin fərqli enerjili alfa hissəcikləri, yəni. qrupların enerji spektri var. Bunun səbəbi, qız nüvəsinin yalnız zəmin vəziyyətində deyil, həm də müxtəlif enerji səviyyələri olan həyəcanlı vəziyyətlərdə yarana bilməsidir.

Əksər nüvələr üçün həyəcanlı vəziyyətlərin ömrü içəridədir

10 - 8-dən 10 - 15-ə qədər işlər. Bu müddət ərzində qız nüvəsi əvvəlki və sonrakı vəziyyətlərin enerjiləri arasındakı fərqə bərabər müvafiq enerjinin qamma kvantını buraxaraq yerə və ya aşağı həyəcanlı vəziyyətə keçir. Həyəcanlanmış nüvə də hər hansı bir hissəcik buraxa bilər: proton, neytron, elektron və ya alfa hissəcik. O, həmçinin artıq enerjini nüvəni əhatə edən daxili təbəqədəki elektronlardan birinə ötürə bilər. Enerjinin nüvədən K qatının ən yaxın elektronuna ötürülməsi qamma kvantının emissiyası olmadan baş verir. Enerji alan elektron atomdan uçur. Bu proses daxili çevrilmə adlanır. Yaranan boş mövqe daha yüksək enerji səviyyələrindən gələn elektronlarla doldurulur. Atomun daxili təbəqələrində elektron keçidlər diskret enerji spektrinə malik olan rentgen şüalarının (xarakterik rentgen şüaları) yayılmasına səbəb olur. Ümumilikdə 25-ə yaxın təbii və 100-ə yaxın süni alfa radioaktiv izotop məlumdur.

Beta parçalanması üç növ nüvə transformasiyasını birləşdirir: elektron (β−)

və pozitron (β+) parçalanmaları, həmçinin elektron tutma və ya K-tutma. İlk iki növ çevrilmə nüvənin elektron və antineytrino (β− parçalanma zamanı) və ya pozitron və neytrino (β+ parçalanması zamanı) yayması faktından ibarətdir. elek-

Atom nüvələrində tron ​​(pozitron) və antineytrino (neytrino) yoxdur. Bu proseslər nüvədəki bir növ nuklonun digərinə - neytronu protona və ya protonu neytrona çevirməklə baş verir. Bu çevrilmələrin nəticəsi β-çürümələrdir, onların sxemləri aşağıdakı formadadır:

burada − 1 e0 və + 1 e0 elektron və pozitronun təyinidir,

0 ν0 və 0 ~ ν0 – neytrinoların və antineytrinoların təyini.

Mənfi beta parçalanması ilə radionuklidin yük sayı bir artır, müsbət beta parçalanması ilə isə bir azalır.

Elektron çürümə (β - çürümə) həm təbii, həm də süni radionuklidlər tərəfindən yaşana bilər. Çernobıl qəzası nəticəsində ətraf mühitə atılan ekoloji cəhətdən ən təhlükəli radionuklidlərin böyük sayı üçün xarakterik olan bu çürümə növüdür. Onların arasında

134 55 Cs, 137 55 Cs, 90 38 Sr, 131 53 I və s.

Pozitron parçalanması (β + – parçalanma) əsasən süni radionuklidlər üçün xarakterikdir.

Beta parçalanma zamanı nüvədən iki hissəcik ayrıldığından və paylanması

onların arasında ümumi enerji statistik olaraq baş verir, sonra elektronların (pozitronların) enerji spektri sıfırdan maksimum dəyərinə qədər davamlıdır Emax beta spektrinin yuxarı həddi adlanır. Beta radioaktiv nüvələr üçün Emax dəyəri 15 keV ilə 15 MeV arasında olan enerji bölgəsində yerləşir. Havada beta hissəciyinin yolu uzunluğu 20 m-ə qədər, bioloji toxumada isə 1,5 sm-ə qədərdir.

Beta parçalanması adətən qamma şüalarının emissiyası ilə müşayiət olunur. Onların meydana gəlməsinin səbəbi alfa parçalanması ilə eynidir: qız nüvəsi yalnız torpaq (sabit) vəziyyətdə deyil, həm də həyəcanlı vəziyyətdə görünür. Sonra daha aşağı enerji vəziyyətinə keçən nüvə bir qamma fotonu buraxır.

Elektron tutulması zamanı nüvənin protonlarından biri neytrona çevrilir:

1 p 1+ − 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .

Bu çevrilmə ilə nüvəyə ən yaxın olan elektronlardan biri (atomun K təbəqəsinin elektronu) yox olur. Neytrona çevrilən proton bir elektronu "tutur". "Elektron tutma" termini buradan gəlir. Xüsusiyyət

Bu tip β-parçalanma nüvədən bir hissəciyin - neytrino emissiyasıdır. Elektron tutma sxemi belə görünür

Am Z X+ − 1 e0 → Am Z − 1 Y+ 0 ν 0 . (1.16)

Elektron tutma, β± tənəzzüldən fərqli olaraq, həmişə xarakterik xüsusiyyətlərlə müşayiət olunur.

bakterial rentgen şüalanması. Sonuncu, nüvədən daha uzaqda olan bir elektron meydana gələn boş yerə hərəkət etdikdə baş verir.

K qatı. Rentgen şüalarının dalğa uzunluğu 10 − 7 ilə 10 − 11 m aralığındadır.Beləliklə, beta parçalanma zamanı nüvənin kütlə sayı qorunub saxlanılır və onun

şarj bir dəfə dəyişir. Beta radioaktiv nüvələrin yarı ömrü

10 − 2 s-dən 2 1015 ilə qədər geniş zaman aralığında yatır.

Bu günə qədər 900-ə yaxın beta radioaktiv izotop məlumdur. Bunlardan yalnız 20-yə yaxını təbii, qalanları isə süni yolla əldə edilir. Bu izotopların böyük əksəriyyəti təcrübədədir

β− - çürümə, yəni. elektronların emissiyası ilə.

Radioaktiv parçalanmanın bütün növləri qamma şüalanması ilə müşayiət olunur. Qamma şüaları müstəqil radioaktivlik növü olmayan qısa dalğalı elektromaqnit şüalanmasıdır. Eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir ki, qamma şüaları həyəcanlı enerji vəziyyətlərindən yerə və ya daha az həyəcanlanmış vəziyyətə nüvə keçidləri zamanı qız nüvəsi tərəfindən buraxılır. Qamma şüalarının enerjisi nüvənin ilkin və son enerji səviyyələrinin enerjiləri arasındakı fərqə bərabərdir. Qamma şüalarının dalğa uzunluğu 0,2 nanometrdən çox deyil.

Qamma şüalanma prosesi nüvənin Z və Am-nı dəyişmədən baş verdiyi üçün müstəqil radioaktivlik növü deyil.

Nəzarət sualları:

1. Mendeleyevin dövri cədvəlindəki kütlə və yük ədədləri dedikdə nə nəzərdə tutulur?

2. “İzotoplar” və “izobarlar” anlayışı. Bu terminlər arasındakı fərq nədir?

3. Nüvənin nüvə qüvvələri və onların ən mühüm xüsusiyyətləri.

4. Nə üçün nüvənin kütləsi onu təşkil edən nuklidlərin kütlələrinin cəmindən azdır?

5. Hansı maddələr radioaktiv adlanır?

6. Radioaktiv parçalanma sabitini nə xarakterizə edir və göstərir?

7. Maddənin yarı ömrünü təyin edin.

8. Həcm, səth və xüsusi fəaliyyət üçün ölçü vahidlərini sadalayın.

9. Radioaktiv nüvələrdən şüalanmanın əsas növləri və onların parametrləri.

Slayd 11

Alfa parçalanması, yeraltı (həyəcanlanmamış) vəziyyətdə olan bir atom nüvəsi tərəfindən alfa hissəciklərinin (helium nüvələrinin) emissiyasıdır.

Yarımparçalanma dövrünün əsas xüsusiyyətləri T 1/2, kinetik enerji T α və maddədəki kilometr R α maddədəki α-hissəciklər.

Alfa çürüməsinin əsas xüsusiyyətləri

1. Alfa parçalanması yalnız ağır nüvələrdə müşahidə olunur. 300-ə yaxın α-radioaktiv nüvə məlumdur

2. α-aktiv nüvələrin yarımparçalanma dövrü böyük diapazonda yerləşir

10 17 yaş ()

və müəyyən edilir Geiger-Nettall qanunu

. (1.32)

məsələn, Z=84 sabitləri üçün A= 128.8 və B = - 50,15, T α– α-hissəciyin kinetik enerjisi Mev

3. Radioaktiv nüvələrin α-hissəciklərinin enerjiləri daxilindədir

(Mev)

T α min = 1,83 Mev (), Tαmax = 11.65 Mev(izomer

4. Radioaktiv nüvələrin α-spektrlərinin incə strukturu müşahidə edilir. Bu spektrlər diskret. Şəkil 1.5-də. Plutonium nüvəsinin parçalanmasının diaqramı göstərilmişdir. α hissəciklərinin spektri qız nüvəsinin müxtəlif səviyyələrinə keçidlərə uyğun gələn bir sıra monoenergetik xətlərdən ibarətdir.

6. Normal şəraitdə havada α-hissəciklərin yürüşü

R α (sm) = 0,31 T α 3/2 Mev(4< T α <7 Mev) (1.33)

7. α-parçalanma reaksiyasının ümumi sxemi

ana nüvə haradadır, qız nüvəsidir

α parçalanmasının baş verməsi üçün nüvədəki α hissəciyinin bağlanma enerjisi sıfırdan az olmalıdır.

E St α =<0 (1.34)

α-parçalanma zamanı ayrılan enerji Eα α hissəciyinin kinetik enerjisindən ibarətdir Tα və qız nüvəsinin kinetik enerjisi T i

E α =| E St α | = T α +T i (1.35)

α hissəciyinin kinetik enerjisi α parçalanmasının ümumi enerjisinin 98%-dən çoxunu təşkil edir.

Beta çürüməsinin növləri və xüsusiyyətləri

Beta çürümə slayd 12

Nüvənin beta parçalanması elektronun (pozitronun) emissiyası və ya elektronun tutulması nəticəsində qeyri-sabit nüvənin kortəbii olaraq izobar nüvəyə çevrilməsi prosesidir. 900-ə yaxın beta radioaktiv nüvə məlumdur.

Elektron β - parçalanmada nüvənin neytronlarından biri elektron və elektron antineytrino emissiyası ilə protona çevrilir.

sərbəst neytron parçalanması , T 1/2 =10,7 min;

tritiumun çürüməsi , T 1/2 = 12 illər .

At pozitron β+ parçalanması nüvənin protonlarından biri müsbət yüklü elektron (pozitron) və elektron neytrino emissiyası ilə neytrona çevrilir.

Nə vaxt elektron e-çəkmə nüvə öz atomunun elektron qabığından (adətən K-qabığından) bir elektron tutur.

β - - çürümə enerjisi diapazonda yerləşir

()0,02 Mev < Е β < 13,4 Mev ().

Emissiya olunan β hissəciklərinin spektri davamlı sıfırdan maksimum dəyərə qədər. Hesablama düsturları beta tənəzzülünün maksimum enerjisi:

, (1.42)

, (1.43)

. (1.44)

ana nüvənin kütləsi haradadır, qız nüvəsinin kütləsidir. m e- elektron kütləsi.

Yarı həyat T 1/2 ehtimalla əlaqələndirilir beta parçalanma əlaqəsi

Beta parçalanma ehtimalı beta parçalanma enerjisindən çox asılıdır ( ~ Eβ 5 saat Eβ >> m e c 2) buna görə də yarımxaricolma dövrü T 1/2 geniş şəkildə dəyişir

10 -2 san< T 1/2< 2 10 15 лет

Beta çürüməsi əsas qarşılıqlı təsirlərdən biri olan zəif qarşılıqlı təsir nəticəsində baş verir.

Radioaktiv ailələr (seriya) Slayd 13

α-parçalanma zamanı nüvə yerdəyişməsi qanunları ( A→A – 4 ; Z→Z- 2) β-parçalanma zamanı ( A→A; Z→Z+1).Kütlə sayından bəri Aα-parçalanma zamanı 4-ə, β-çürümə zamanı isə dəyişir A dəyişmir, onda müxtəlif radioaktiv ailələrin üzvləri bir-biri ilə “çaşmır”. Onlar sabit izotopları ilə bitən ayrı-ayrı radioaktiv seriyalar (nüvə zəncirləri) əmələ gətirirlər.

Hər bir radioaktiv ailənin üzvlərinin kütləvi sayları düsturla xarakterizə olunur

torium ailəsi üçün a=0, a neptuniya ailəsi üçün =1, a uran ailəsi üçün =2, a Aktinouran ailəsi üçün =3. n- tam ədəd. cədvələ baxın 1.2

Cədvəl 1.2

Ailələrin əcdadlarının yarımparçalanma dövrlərinin Yerin geoloji ömrü ilə (4,5 milyard il) müqayisəsindən məlum olur ki, torium-232-nin demək olar ki, hamısı Yerin maddəsində qorunub saxlanılıb, uran-238 tərəfindən parçalanıb. təxminən yarısı, əksər hissəsi uran-235 və demək olar ki, hamısı neptunium-237 .

Məlum α-radioaktiv nüvələrin yarı ömrü geniş şəkildə dəyişir. Beləliklə, volfram izotopunun 182 Vt yarı ömrü T 1/2 > 8,3·10 18 il, protaktinium izotopu 219 Pa isə T 1/2 = 5,3·10 -8 s.

düyü. 2.1. Radioaktiv elementin yarımparçalanma dövrünün təbii radioaktiv elementin α-hissəciyinin kinetik enerjisindən asılılığı. Kəsik xətt Geiger-Nattall qanunudur.

Cüt-cüt izotoplar üçün yarımparçalanma müddətinin α-parçalanma enerjisindən asılılığı Q α empirik şəkildə təsvir edilmişdir Geiger-Nettall qanunu

burada Z son nüvənin yüküdür, yarımparçalanma müddəti T 1/2 saniyələrlə ifadə edilir və α-hissəciyin E α enerjisi MeV-dir. Şəkildə. Şəkil 2.1-də α-radioaktiv cüt-cüt izotoplar üçün (Z 74-dən 106-a qədər dəyişir) yarı ömrünün eksperimental dəyərləri və onların (2.3) əlaqəsindən istifadə edərək təsviri göstərilir.
Tək-cüt, cüt-tək və tək-tək nüvələr üçün asılılığın ümumi meyli
log T 1/2 Q α saxlanılır, lakin yarımxaricolma dövrü eyni Z və Q α olan cüt-cüt nüvələrə nisbətən 2-100 dəfə uzundur.
α parçalanmasının baş verməsi üçün ilkin nüvənin M(A,Z) kütləsinin son nüvənin M(A-4, Z-2) və α hissəciyinin kütlələrinin cəmindən çox olması lazımdır. M α:

burada Q α = c 2 α-çürümə enerjisidir.
M α-dan bəri<< M(A-4, Z-2), α-parçalanma enerjisinin əsas hissəsi α tərəfindən daşınır ‑ hissəcik və yalnız ≈ 2% - son nüvə (A-4, Z-2).
Bir çox radioaktiv elementlərin α-hissəciklərinin enerji spektrləri bir neçə xəttdən ibarətdir (α-spektrlərin incə quruluşu). α spektrinin incə strukturunun yaranmasının səbəbi ilkin nüvənin (A,Z) nüvənin həyəcanlanmış vəziyyətinə (A-4, Z-2) çürüməsidir. Alfa hissəciklərinin spektrlərini ölçməklə həyəcanlanmış vəziyyətlərin təbiəti haqqında məlumat əldə etmək olar.
nüvələr (A-4, Z-2).
α-parçalanmasının enerji baxımından mümkün olduğu A və Z nüvələrinin dəyərlərinin diapazonunu müəyyən etmək üçün nüvələrin bağlanma enerjiləri haqqında eksperimental məlumatlar istifadə olunur. α-pozunma enerjisinin Q α-nın A kütlə sayından asılılığı Şəkildə göstərilmişdir. 2.2.
Şəkildən. 2.2 aydındır ki, α parçalanması A ≈ 140-dan başlayaraq enerji baxımından mümkün olur. A = 140–150 və A ≈ 210 bölgələrində Q α-nın dəyəri nüvənin qabıq quruluşu ilə əlaqədar olan fərqli maksimumlara malikdir. A = 140-150-də maksimum neytron qabığının N = A – Z = 82 sehrli nömrəsi ilə doldurulması ilə, A ≈ 210-da maksimum isə Z-də proton qabığının doldurulması ilə əlaqələndirilir. = 82. Atom nüvəsinin qabıq quruluşu ilə əlaqədardır ki, α-aktiv nüvələrin birinci (nadir torpaq) bölgəsi N = 82-dən başlayır, ağır α-radioaktiv nüvələr isə Z = 82-dən başlayaraq xüsusilə çoxalır.

düyü. 2.2. α-parçalanma enerjisinin A kütlə sayından asılılığı.

Yarımparçalanma dövrlərinin geniş diapazonu, eləcə də bir çox α-radioaktiv nüvələr üçün bu dövrlərin böyük dəyərləri onunla izah olunur ki, α hissəciyi enerjili olmasına baxmayaraq nüvəni “bir anda” tərk edə bilməz. əlverişli. Nüvədən çıxmaq üçün α-hissəcik potensial maneəni - nüvənin sərhəddində α-hissəciyin və son nüvənin elektrostatik itələməsinin potensial enerjisi və onların arasında olan cəlbedici qüvvələr hesabına əmələ gələn bölgəni keçməlidir. nuklonlar. Klassik fizika nöqteyi-nəzərindən alfa hissəciyi potensial maneəni aşa bilməz, çünki bunun üçün lazım olan kinetik enerjisi yoxdur. Bununla belə, kvant mexanikası belə bir ehtimala imkan verir - α ‑ zərrəciyin potensial maneədən keçib nüvəni tərk etməsinin müəyyən ehtimalı var. Bu kvant mexaniki hadisəyə “tunel effekti” və ya “tunelləşmə” deyilir. Baryerin hündürlüyü və eni nə qədər böyükdürsə, tunelin düşmə ehtimalı bir o qədər aşağı olur və yarımparçalanma müddəti müvafiq olaraq daha uzun olur. Geniş yarı ömrü
α-emitterlər α-hissəciklərin kinetik enerjilərinin müxtəlif kombinasiyaları və potensial maneələrin hündürlükləri ilə izah olunur. Əgər maneə olmasaydı, alfa hissəciyi nüvəni xarakterik nüvənin arxasında tərk edərdi.
vaxt ≈ 10 -21 – 10 -23 s.
α-parçalanmanın ən sadə modeli 1928-ci ildə G. Gamow və müstəqil olaraq G. Gurney və E. Condon tərəfindən təklif edilmişdir. Bu modeldə α hissəciyinin nüvədə daim mövcud olduğu güman edilirdi. Alfa hissəciyi nüvədə olarkən, nüvə cazibə qüvvələri ona təsir edir. Onların hərəkət radiusu nüvənin radiusu ilə müqayisə edilə bilər R. Nüvə potensialının dərinliyi V 0-dır. Nüvə səthindən kənarda r > R-də potensial Kulon itələmə potensialıdır

V(r) = 2Ze 2 /r.

düyü. 2.3. α-hissəciklərin enerjiləri E α neytronların sayından asılı olaraq N
orijinal nüvədə. Xətlər eyni kimyəvi elementin izotoplarını birləşdirir.

Nüvə cəlbedici potensialının və Kulon itələmə potensialının birgə hərəkətinin sadələşdirilmiş diaqramı Şəkil 2.4-də göstərilmişdir. Nüvədən çıxmaq üçün enerjisi E α olan α zərrəciyi R-dən R c-yə qədər bölgədə olan potensial maneədən keçməlidir. α parçalanma ehtimalı əsasən potensial maneədən keçən α hissəciyinin D ehtimalı ilə müəyyən edilir.

Bu model çərçivəsində α ehtimalının güclü asılılığını izah etmək mümkün olmuşdur ‑ α-hissəciyin enerjisindən parçalanma.

düyü. 2.4. α hissəciyinin potensial enerjisi. Potensial maneə.

Çürümə sabitini λ hesablamaq üçün α-zərrəciyin potensial maneədən keçmə əmsalını, birincisi, α-zərrəciyin nüvədə əmələ gəlməsi ehtimalı w α ilə, ikincisi, əsas sərhəddə olması ehtimalı ilə. Əgər R radiuslu nüvədəki alfa hissəciyi v sürətinə malikdirsə, o zaman o, sərhədə saniyədə orta hesabla ≈ v/2R dəfə yaxınlaşacaq. Nəticədə, λ tənəzzül sabiti üçün əlaqəni əldə edirik

(2.6)

Nüvədəki α hissəciyinin sürəti onun nüvə potensialı quyusunun daxilindəki kinetik enerjisi E α + V 0 əsasında qiymətləndirilə bilər ki, bu da v ≈ (0,1-0,2) s verir. Artıq bundan belə nəticə çıxır ki, nüvədə alfa hissəciyi varsa, onun D maneəsindən keçmə ehtimalı<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
Eksponentdən əvvəlki amilin qiymətləndirilməsinin kobudluğu çox əhəmiyyətli deyil, çünki tənəzzül sabiti eksponentdən müqayisə olunmayacaq dərəcədə az asılıdır.
(2.6) düsturundan belə nəticə çıxır ki, yarımparçalanma müddəti nüvənin R radiusundan güclü şəkildə asılıdır, çünki R radiusu inteqrasiyanın həddi kimi təkcə pre-eksponensial faktora deyil, həm də eksponentə daxil edilir. Buna görə də α-çürümə məlumatlarından atom nüvələrinin radiuslarını təyin etmək mümkündür. Bu yolla əldə edilən radiuslar elektron səpilmə təcrübələrində tapılanlardan 20-30% daha böyük olur. Bu fərq, sürətli elektronlarla aparılan təcrübələrdə nüvədə elektrik yükünün paylanmasının radiusunun, α-çökmədə isə nüvə ilə α-hissəcik arasındakı məsafənin ölçülməsi ilə əlaqədardır ki, bu zaman nüvə qüvvələri dayanır. hərəkət.
Plank sabitinin eksponentdə (2.6) olması yarımparçalanma dövrünün enerjidən güclü asılılığını izah edir. Enerjidəki kiçik bir dəyişiklik belə eksponentdə əhəmiyyətli bir dəyişikliyə və beləliklə, yarımparçalanma müddətinin çox kəskin dəyişməsinə səbəb olur. Buna görə də, buraxılan α hissəciklərinin enerjiləri çox məhduddur. Ağır nüvələr üçün enerjisi 9 MeV-dən yuxarı olan α-hissəciklər demək olar ki, dərhal uçur və 4 MeV-dən aşağı enerjilərlə onlar nüvədə o qədər uzun müddət yaşayırlar ki, α-parçalanmasını belə aşkar etmək olmur. Nadir torpaq α-radioaktiv nüvələr üçün nüvənin radiusunu və potensial maneənin hündürlüyünü azaltmaqla hər iki enerji azalır.
Şəkildə. Şəkil 2.5-də Hf izotoplarının (Z = 72) α-parçalanma enerjisinin A = 156–185 kütlə ədədləri diapazonunda A kütlə sayından asılılığı göstərilir. Cədvəl 2.1-də 156–185 Hf izotoplarının α-çürümə enerjiləri, yarımparçalanma dövrləri və əsas parçalanma kanalları göstərilir. Kütləvi sayı A artdıqca α-çürümə enerjisinin necə azaldığını görmək olar ki, bu da α-pozunma ehtimalının azalmasına və β-pozunma ehtimalının artmasına səbəb olur (Cədvəl 2.1). 174 Hf izotopu stabil izotop olmaqla (izotopların təbii qarışığında bu 0,16%), buna baxmayaraq, α-hissəciyin emissiyası ilə T 1/2 = 2·10 15 il yarımxaricolma dövrü ilə parçalanır.

düyü. 2.5. Hf izotoplarının α-parçalanma enerjisindən Q α asılılığı (Z = 72)
Kütləvi nömrədən A.

Cədvəl 2.1

α-parçalanma enerjisindən asılılıq Q α, yarı ömrü T 1/2,
kütlə sayından asılı olaraq H f izotoplarının müxtəlif çürümə rejimləri (Z = 72). A

A = 176-180 olan Hf izotopları sabit izotoplardır. Bu izotoplar da müsbət α parçalanma enerjisinə malikdir. Bununla belə, α-parçalanma enerjisi ~1.3–2.2 MeV çox aşağıdır və α-parçalanma ehtimalının sıfıra bərabər olmasına baxmayaraq, bu izotopların α-parçalanması aşkar edilməmişdir. Kütləvi sayının daha da artması ilə A > 180, β - çürümə dominant çürümə kanalına çevrilir.
Radioaktiv parçalanmalar zamanı son nüvə nəinki qrunt vəziyyətində, həm də həyəcanlı vəziyyətlərdən birinə düşə bilər. Bununla belə, α-parçalanma ehtimalının α-hissəciyin enerjisindən güclü asılılığı ona gətirib çıxarır ki, son nüvənin həyəcanlanmış səviyyələrinə parçalanmalar adətən çox aşağı intensivliklə baş verir, çünki son nüvə həyəcanlandıqda, α-hissəciyin enerjisi azalır. Buna görə də, eksperimental olaraq yalnız nisbətən aşağı həyəcan enerjiləri ilə fırlanma səviyyələrinə çürümələr müşahidə edilə bilər. Son nüvənin həyəcanlanmış səviyyələrinə parçalanmalar, yayılan α hissəciklərinin enerji spektrində incə strukturun yaranmasına səbəb olur.
α parçalanmasının xassələrini təyin edən əsas amil α hissəciklərinin potensial maneədən keçməsidir. Digər amillər nisbətən zəif şəkildə özünü göstərir, lakin bəzi hallarda nüvənin quruluşu və nüvənin α-parçalanma mexanizmi haqqında əlavə məlumat əldə etməyə imkan verir. Bu amillərdən biri də kvant mexaniki mərkəzdənqaçma maneəsinin yaranmasıdır. spini J i olan nüvədən (A,Z) α hissəciyi buraxılarsa və sonlu nüvə yaranarsa
(A-4, Z-2) spin J f olan bir vəziyyətdə, onda α-hissəcik əlaqə ilə müəyyən edilmiş J ümumi impulsunu daşımalıdır.

α-hissəciyin spini sıfır olduğundan, onun ümumi bucaq impulsu J α-hissəciyin apardığı orbital bucaq impulsu l ilə üst-üstə düşür.

Nəticədə kvant mexaniki mərkəzdənqaçma maneəsi meydana çıxır.

Mərkəzdənqaçma enerjisi səbəbindən potensial maneənin formasının dəyişməsi əhəmiyyətsizdir, əsasən mərkəzdənqaçma enerjisi məsafə ilə Kulon enerjisindən çox daha sürətli azalır (1/r kimi deyil, 1/r 2 kimi). Lakin bu dəyişiklik Plank sabitinə bölündüyündən və eksponentə düşdüyündən, böyük l-də nüvənin ömrünün dəyişməsinə gətirib çıxarır.
Cədvəl 2.2-də Z = 90 olan nüvə üçün orbital impulsu l = 0 olan α-hissəciklər üçün mərkəzdənqaçma maneənin B 0 keçiriciliyinə nisbətən l orbital impulsu ilə buraxılan α-hissəciklər üçün B l mərkəzdənqaçma maneəsinin hesablanmış keçiriciliyi, α-hissəcik enerjisi E α = 4,5 MeV. Görünür ki, α hissəciyinin apardığı orbital impuls l-in artması ilə kvant mexaniki mərkəzdənqaçma maneəsinin keçiriciliyi kəskin şəkildə aşağı düşür.

Cədvəl 2.2

Üçün mərkəzdənqaçma maneənin nisbi keçiriciliyiα -hissəciklər,
orbital impulsla yola düşən l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)

α-parçalanmanın müxtəlif qollarının ehtimallarını kəskin şəkildə yenidən bölüşdürə bilən daha əhəmiyyətli amil α-hissəciyin emissiyası zamanı nüvənin daxili strukturunun əhəmiyyətli dərəcədə yenidən qurulması ehtiyacı ola bilər. Əgər ilkin nüvə sferikdirsə və son nüvənin əsas vəziyyəti güclü şəkildə deformasiyaya uğrayıbsa, onda son nüvənin əsas vəziyyətinə keçmək üçün ilkin nüvə alfa hissəciyinin buraxılması prosesində özünü yenidən təşkil etməlidir. onun forması. Nüvənin formasının belə dəyişməsi adətən çoxlu sayda nuklonları və α kimi bir neçə nuklonlu sistemi əhatə edir. ‑ nüvədən çıxan bir hissəcik bunu təmin edə bilməyə bilər. Bu o deməkdir ki, əsas vəziyyətdə son nüvənin əmələ gəlməsi ehtimalı cüzi olacaq. Əgər son nüvənin həyəcanlanmış halları arasında sferik vəziyyətə yaxın bir vəziyyət varsa, onda ilkin nüvə əhəmiyyətli bir yenidən qurulmadan α nəticəsində ona daxil ola bilər. ‑ tənəzzül Belə səviyyəli əhalinin ehtimalı böyük ola bilər və aşağı dövlətlərin, o cümlədən yerüstü dövlətlərin əhalisinin ehtimalını əhəmiyyətli dərəcədə üstələyir.
253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra izotoplarının α-parçalanma diaqramlarından α-zərrəciyin enerjisindən və apardığı orbital impuls l-dən həyəcanlanmış vəziyyətlərə α-parçalanma ehtimalının güclü asılılıqları. α-hissəcik görünür.
α parçalanması atom nüvələrinin həyəcanlı vəziyyətlərindən də baş verə bilər. Nümunə olaraq, Cədvəl 2.3 və 2.4-də yerin parçalanma rejimləri və 151 Ho və 149 Tb izotoplarının izomerik halları göstərilir.

Cədvəl 2.3

151 Ho-nun yerin α-parçalanması və izomer halları

Cədvəl 2.4

149 Tb-lik yerin α-çürülmələri və izomerlik halları

Şəkildə. Şəkil 2.6-da 149 Tb və 151 Ho izotoplarının yerin və izomer hallarının parçalanmasının enerji diaqramları göstərilir.

düyü. 2.6 Yerin parçalanmasının enerji diaqramları və 149 Tb və 151 Ho izotoplarının izomer halları.

151 Ho izotopunun izomer vəziyyətindən (J P = (1/2) + , E izomeri = 40 keV) α-parçalanması bu izomer vəziyyətə e-tutmadan daha çox ehtimal olunur (80%). Eyni zamanda, 151 Ho-nun əsas vəziyyəti əsasən elektron tutma (78%) nəticəsində çürüyür.
149 Tb izotopda izomer vəziyyətin (J P = (11/2) - , E izomeri = 35,8 keV) çürüməsi e-tutma nəticəsində baş verir. Yerin və izomer vəziyyətlərin parçalanmasının müşahidə edilən xüsusiyyətləri α-çürümə və e-tutma enerjisinin böyüklüyü və α-hissəcik və ya neytrino tərəfindən daşınan orbital bucaq momentumu ilə izah olunur.

Çürümə vəziyyəti. Alfa çürüməsi böyümənin olduğu ağır nüvələr üçün xarakterikdir A nuklon başına bağlanma enerjisinin azalması müşahidə olunur. Kütləvi sayların bu bölgəsində nüvədəki nuklonların sayının azalması daha sıx bağlanmış nüvənin əmələ gəlməsinə səbəb olur. Eyni zamanda, enerjinin azalması ilə qazanc A biri nüvədəki bir nuklonun bağlanma enerjisindən çox azdır, buna görə də nüvədən kənarda bağlanma enerjisi sıfıra bərabər olan proton və ya neytronun emissiyası qeyri-mümkündür. 4 Ne nüvənin emissiyası enerji baxımından əlverişlidir, çünki müəyyən bir nüvədə bir nukleonun xüsusi bağlanma enerjisi təxminən 7,1 MeV-dir. Məhsul nüvəsinin və alfa hissəciyinin ümumi bağlanma enerjisi orijinal nüvənin bağlanma enerjisindən çox olarsa, alfa parçalanması mümkündür. Və ya kütlə vahidlərində:

M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + M α (3.12)

Nuklonların bağlanma enerjisinin artması, istirahət enerjisinin alfa parçalanması zamanı ayrılan enerjinin miqdarına görə azalması deməkdir. E α. Bu səbəbdən alfa zərrəciyini bütövlükdə məhsulun nüvəsində təsəvvür etsək, o zaman müsbət enerjiyə bərabər olan səviyyəni tutmalıdır. E α(Şəkil 3.5).

düyü. 3.5. Ağır nüvədəki alfa hissəciyinin enerji səviyyəsinin diaqramı

Alfa hissəciyi nüvəni tərk etdikdə, bu enerji parçalanma məhsullarının kinetik enerjisi kimi sərbəst formada buraxılır: alfa hissəciyi və yeni nüvə. Kinetik enerji bu parçalanma məhsulları arasında kütlələrinə tərs mütənasib olaraq paylanır və alfa hissəciyinin kütləsi yeni yaranan nüvənin kütləsindən çox az olduğu üçün parçalanma enerjisinin demək olar ki, hamısı alfa hissəciyi tərəfindən daşınır. ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, böyük dəqiqliklə E α alfa hissəciyinin parçalanmadan sonrakı kinetik enerjisidir.

Eyni zamanda, enerjinin buraxılmasının qarşısı Coulomb potensial maneəsi tərəfindən alınır Uk(Şəkil 3.5-ə baxın), alfa hissəciyi tərəfindən keçmə ehtimalı kiçikdir və azaldıqca çox tez düşür. E α. Bu səbəbdən (3.12) əlaqə alfa çürüməsi üçün kifayət qədər şərt deyil.

Nüvəyə nüfuz edən və ya nüvədən çıxan yüklü hissəcik üçün Kulon maneəsinin hündürlüyü onun yükü ilə mütənasib olaraq artır. Bu səbəbdən, Coulomb maneəsi digər sıx bağlanmış yüngül nüvələrin, məsələn, ağır nüvədən qaçmasına daha böyük maneə yaradır. 12 C və ya 16 O. Bu nüvələrdə bir nuklonun orta bağlanma enerjisi nüvədəkindən daha yüksəkdir 4 yox, bununla əlaqədar olaraq bir sıra hallarda nüvənin emissiyası 16 O ardıcıl olaraq dörd alfa hissəciyi yaymaq əvəzinə, enerji baxımından daha əlverişli olardı. Bu vəziyyətdə nüvədən daha ağır nüvələrin emissiyası 4 yox, görünmür.

Dağılmanın izahı. Alfa parçalanma mexanizmi kvant mexanikası ilə izah olunur, çünki klassik fizika çərçivəsində bu proses mümkün deyil. Potensial quyudan kənarda yalnız dalğa xassələri olan hissəcik görünə bilər E α . Üstəlik, belə çıxır ki, yalnız sonsuz enli potensial maneə, ehtimalı 1-ə bərabərdir, potensial quyuda hissəciyin mövcudluğunu məhdudlaşdırır. Əgər maneənin eni məhduddursa, potensial maneədən kənara çıxma ehtimalı həmişə sıfırdan fərqlidir. Düzdür, maneənin eni və hündürlüyü artdıqca bu ehtimal sürətlə azalır. Kvant mexanikasının aparatı maneə şəffaflığı və ya ehtimalı üçün aşağıdakı ifadəyə gətirib çıxarır. ω bir hissəciyin divarı ilə toqquşduğu zaman potensial maneədən kənarda olması üçün: