Atomiytimen ja alkuainehiukkasten fysiikan elementit. Beetahiukkasten tunkeutumiskyky

2.3 Kuviotα - Jaβ - rappeutuminen

ToimintaAnuklidiradioaktiivisessa lähteessä näytteen ytimien kanssa 1 sekunnissa tapahtuvien hajoamisten lukumäärää kutsutaan:

Toimintayksikkö — becquerel (Bq): 1Bq - nuklidin aktiivisuus, jossa yksi hajoamistapahtuma tapahtuu 1 sekunnissa.Ei-systeeminen toimintayksikkönuklidi radioaktiivisessa lähteessä -curie (Ku): 1 Ku = 3,7·1010 Bk.

Alfa hajoaminen. Alfahajoaminen on protonien Z ja neutronien N lukumäärän sisältävän atomiytimen spontaani muuttuminen toiseksi (tytär)ytimeksi, joka sisältää protoneja Z – 2 ja neutroneja N – 2. Tällöin vapautuu alfahiukkanen - heliumatomin ydin. Esimerkki tällaisesta prosessista on radiumin α-hajoaminen:

Rutherford käytti radiumatomien ytimien emittoimia alfahiukkasia raskaiden alkuaineiden ytimien sironnan kokeissa. Radiumytimien α-hajoamisen aikana emittoituneiden α-hiukkasten nopeus, mitattuna liikeradan kaarevuudesta magneettikentässä, on suunnilleen yhtä suuri kuin 1,5 107 m/s, ja vastaava kineettinen energia on noin 7,5 10–13 J (noin 4,8 MeV). Tämä arvo voidaan helposti määrittää tunnetuista emo- ja tytärytimien sekä heliumytimen massojen arvoista. Vaikka karkaavan α-hiukkasen nopeus on valtava, se on silti vain 5 % valon nopeudesta, joten laskettaessa voit käyttää liike-energialle ei-relativistista lauseketta.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että radioaktiivinen aine voi lähettää alfahiukkasia, joilla on useita erillisiä energioita. Tämä selittyy sillä, että ytimet voivat olla atomien tapaan erilaisissa viritystiloissa. Tytärydin voi päätyä johonkin näistä virittyneistä tiloista α-hajoamisen aikana. Tämän ytimen myöhemmän siirtymisen aikana perustilaan säteilee γ-kvantti. Kaavio radiumin α-hajoamisesta α-hiukkasten emission kanssa kahdella kineettisen energian arvolla on esitetty kuvassa 2.4.

Siten ytimien α-hajoamiseen liittyy monissa tapauksissa y-säteilyä.

α-hajoamisen teoriassa oletetaan, että ytimien sisään voi muodostua kahdesta protonista ja kahdesta neutronista koostuvia ryhmiä eli α-hiukkasta. Emäydin on potentiaalinen kaivo α-hiukkasille, jota rajoittaa potentiaalieste. Ytimen α-partikkelin energia ei riitä tämän esteen ylittämiseen (kuva 2.5). Alfahiukkasen karkaaminen ytimestä on mahdollista vain tunnelointiefektiksi kutsutun kvanttimekaanisen ilmiön ansiosta. Kvanttimekaniikan mukaan on olemassa nollasta poikkeava todennäköisyys sille, että hiukkanen läpäisee potentiaaliesteen. Tunnelointiilmiö on luonteeltaan todennäköisyys.

Beta hajoaminen. Beetahajoamisen aikana ytimestä irtoaa elektroni. Elektroneja ei voi olla ytimien sisällä (katso § 1.2), vaan ne syntyvät beetahajoamisen aikana neutronin muuttuessa protoniksi. Tämä prosessi voi tapahtua paitsi ytimen sisällä, myös vapaiden neutronien kanssa. Vapaan neutronin keskimääräinen elinikä on noin 15 minuuttia. Kun neutroni hajoaamuuttuu protoniksija elektroni

Mittaukset ovat osoittaneet, että tässä prosessissa on ilmeinen energian säilymislain rikkominen, koska neutronin hajoamisesta aiheutuva protonin ja elektronin kokonaisenergia on pienempi kuin neutronin energia. Vuonna 1931 W. Pauli ehdotti, että neutronin hajoamisen aikana vapautuu toinen hiukkanen, jonka massa ja varaus on nolla, mikä vie osan energiasta. Uusi hiukkanen on nimettyneutrino(pieni neutroni). Neutriinon varauksen ja massan puutteen vuoksi tämä hiukkanen on erittäin heikosti vuorovaikutuksessa aineen atomien kanssa, joten sitä on erittäin vaikea havaita kokeessa. Neutriinojen ionisaatiokyky on niin pieni, että yksi ionisaatiotapahtuma ilmassa tapahtuu noin 500 kilometrin matkalla. Tämä hiukkanen löydettiin vasta vuonna 1953. Nyt tiedetään, että neutriinoja on useita tyyppejä. Neutronin hajoamisen aikana syntyy hiukkanen, jota kutsutaan elektroniksiantineutrino. Se osoitetaan symbolillaSiksi neutronien hajoamisreaktio on kirjoitettu muodossa

Samanlainen prosessi tapahtuu ytimien sisällä β-hajoamisen aikana. Yhden ydinneutronin hajoamisen seurauksena muodostunut elektroni sinkoutuu välittömästi ”vanhempainkodista” (ytimestä) valtavalla nopeudella, joka voi poiketa valon nopeudesta vain prosentin murto-osalla. Koska β-hajoamisen aikana vapautuvan energian jakautuminen elektronin, neutrinon ja tytärytimen välillä on satunnainen, β-elektroneilla voi olla erilaisia ​​nopeuksia laajalla arvoalueella.

β-hajoamisen aikana varausluku Z kasvaa yhdellä, mutta massaluku A pysyy ennallaan. Tytärydin osoittautuu alkuaineen yhden isotoopin ytimeksi, jonka sarjanumero jaksollisessa taulukossa on yhtä suurempi kuin alkuperäisen ytimen sarjanumero. Tyypillinen esimerkki β-hajoamisesta on torium-isotonin muuttuminenjotka johtuvat uraanin α-hajoamisestapalladiumille

Elektronisen β-hajoamisen ohella löydettiin niin kutsuttu positroni-β-hajoaminen+ -hajoaminen, jossa positroni vapautuu ytimestäja neutriinot. Positroni on elektronin hiukkaskoksos, joka eroaa siitä vain varauksensa merkissä. Positronin olemassaolon ennusti erinomainen fyysikko P. Dirac vuonna 1928. Muutamaa vuotta myöhemmin positroni löydettiin kosmisista säteistä. Positronit syntyvät reaktion seurauksena, jossa protoni muunnetaan neutroniksi seuraavan kaavion mukaisesti:

Gammahajoaminen. Toisin kuin α- ja β-radioaktiivisuus, ytimien y-radioaktiivisuus ei liity muutokseen ytimen sisäisessä rakenteessa eikä siihen liity varaus- tai massalukujen muutosta. Sekä α- että β-hajoamisen aikana tytärydin voi olla jossain kiihtyneessä tilassa ja sillä voi olla ylimääräistä energiaa. Ytimen siirtymiseen virittyneestä tilasta perustilaan liittyy yhden tai useamman γ-kvantin emissio, jonka energia voi saavuttaa useita MeV.

1.3. Radioaktiivisten ytimien alfahajoaminen, beetahajoaminen ja gammapäästöt

Alfahajoaminen on heliumatomin ytimiä edustavien alfahiukkasten spontaani päästö radioaktiivisesta ytimestä. Hajoaminen etenee kaavion mukaisesti

SISÄÄN Lausekkeessa (1.13) kirjain X tarkoittaa hajoavan (äiti)ytimen kemiallista symbolia ja kirjain Y tarkoittaa tuloksena olevan (tytär)ytimen kemiallista symbolia. Kuten kaaviosta (1.13) voidaan nähdä, tytärytimen atomiluku on kaksi ja massaluku neljä yksikköä pienempi kuin alkuperäisen ytimen.

Alfahiukkasella on positiivinen varaus. Alfahiukkaset luonnehtivat kahta

perusparametrien mukaan: matkan pituus (ilmassa 9 cm, biologisessa kudoksessa 10-3 cm) ja liike-energia välillä 2...9 MeV.

Alfahajoamista havaitaan vain raskaissa ytimissä, joissa Am>200 ja varausnumero Z>82. Tällaisten ytimien sisällä tapahtuu kahden protonin ja kahden neutronin eristettyjen hiukkasten muodostumista. Tämän nukleoniryhmän erottamista helpottaa ydinvoimien kyllästyminen, joten muodostunut alfahiukkanen altistuu vähemmän ydinvoimalle kuin yksittäisiin nukleoniin. Samaan aikaan alfahiukkanen kokee suurempia Coulombin hylkimisvoimia ytimen protoneista kuin yksittäiset protonit. Tämä selittää alfahiukkasten päästön ytimestä, ei yksittäisistä nukleoneista.

SISÄÄN Useimmissa tapauksissa radioaktiivinen aine lähettää useita ryhmiä alfahiukkasia, joilla on samanlainen, mutta eri energia, ts. ryhmillä on energiaspektri. Tämä johtuu siitä, että tytärydin voi syntyä ei vain perustilassa, vaan myös viritystiloissa, joilla on eri energiatasot.

Useimpien ytimien virittyneiden tilojen elinikä on sisällä

asiat klo 10-8-10-15s. Tänä aikana tytärydin siirtyy maa- tai alempaan virittyneeseen tilaan ja lähettää vastaavan energian gamma-kvantin, joka on yhtä suuri kuin edellisen ja seuraavien tilojen energioiden välinen ero. Kiihtynyt ydin voi myös lähettää minkä tahansa hiukkasen: protonin, neutronin, elektronin tai alfahiukkasen. Se voi myös siirtää ylimääräistä energiaa yhteen ydintä ympäröivän sisäkerroksen elektronista. Energian siirtyminen ytimestä K-kerroksen lähimpään elektroniin tapahtuu ilman gamma-kvantin säteilyä. Energiaa vastaanottava elektroni lentää pois atomista. Tätä prosessia kutsutaan sisäiseksi muuntamiseksi. Tuloksena oleva vapaa paikka täytetään elektroneilla korkeammista energiatasoista. Elektroniset siirtymät atomin sisäkerroksissa johtavat röntgensäteiden emissioon, joilla on erillinen energiaspektri (tyypillisiä röntgensäteitä). Kaikkiaan tunnetaan noin 25 luonnollista ja noin 100 keinotekoista alfa-radioaktiivista isotooppia.

Beetahajoaminen yhdistää kolmen tyyppisiä ydinmuunnoksia: elektronisia (β−)

ja positroni (β+ ) hajoaminen, samoin kuin elektronien sieppaus tai K-sieppaus. Kaksi ensimmäistä muunnostyyppiä koostuvat siitä, että ydin emittoi elektronin ja antineutriinon (β−-hajoamisen aikana) tai positronin ja neutrinon (β+-hajoamisen aikana). Elek-

tronia (positronia) ja antineutrinoa (neutrinoa) ei ole atomiytimissä. Nämä prosessit tapahtuvat muuntamalla yhden tyyppinen nukleoni ytimessä toiseksi - neutroni protoniksi tai protoni neutroniksi. Näiden muunnosten tulos on β-hajoaminen, jonka kaaviot ovat muotoa:

jossa − 1 e0 ja + 1 e0 ovat elektronin ja positronin nimitys,

0 ν0 ja 0 ~ ν0 – neutriinojen ja antineutriinojen nimitys.

Negatiivisen beeta-hajoamisen yhteydessä radionuklidin varausluku kasvaa yhdellä ja positiivisella beeta-hajoamisella se pienenee yhdellä.

Elektronisen hajoamisen (β − hajoaminen) voivat kokea sekä luonnolliset että keinotekoiset radionuklidit. Juuri tämäntyyppinen hajoaminen on tyypillistä Tšernobylin onnettomuuden seurauksena ympäristöön joutuneiden ympäristön kannalta vaarallisimpien radionuklidien ylivoimaiselle määrälle. Heidän joukossa

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

Positronihajoaminen (β + – hajoaminen) on ominaista lähinnä keinotekoisille radionuklideille.

Koska beetahajoamisen aikana ytimestä vapautuu kaksi hiukkasta, ja jakautuminen

niiden välillä kokonaisenergia esiintyy tilastollisesti, jolloin elektronien (positronien) energiaspektri on jatkuva nollasta maksimiarvoon Emax, jota kutsutaan beetaspektrin ylärajaksi. Beeta-radioaktiivisten ytimien Emax-arvo on energia-alueella 15 keV - 15 MeV. Beetahiukkasen polun pituus ilmassa on jopa 20 m ja biologisessa kudoksessa 1,5 cm.

Beetahajoamiseen liittyy yleensä gammasäteilyn emission. Syy niiden esiintymiseen on sama kuin alfahajoamisen tapauksessa: tytärydin ei esiinny vain perustilassa (stabiilissa), vaan myös virittyneessä tilassa. Sitten siirtyessään alemman energian tilaan ydin lähettää gammafotonin.

Elektronien sieppauksen aikana yksi ytimen protoneista muuttuu neutroniksi:

1 p 1+ − 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .

Tämän muunnoksen myötä yksi ydintä lähinnä olevista elektroneista (atomin K-kerroksen elektroni) katoaa. Protoni, joka muuttuu neutroniksi, "vangitsee" elektronin. Tästä tulee termi "elektroninen sieppaus". Ominaisuus

Tämän tyyppinen β-hajoaminen on yhden hiukkasen - neutrinon - emissio ytimestä. Elektroninen sieppauspiiri näyttää tältä

Am Z X+ − 1 e0 → Am Z − 1 Y+ 0 ν 0 . (1,16)

Elektroniseen sieppaukseen, toisin kuin β±-hajoamiseen, liittyy aina luonne

bakteerien röntgensäteily. Jälkimmäinen tapahtuu, kun ytimestä kauempana oleva elektroni siirtyy esiin nousevaan vapaaseen paikkaan

K-kerros. Röntgensäteiden aallonpituus on välillä 10 − 7 - 10 − 11 m. Siten beetahajoamisen aikana ytimen massaluku säilyy ja sen massaluku säilyy.

maksu muuttuu yhdellä. Beetaradioaktiivisten ytimien puoliintumisajat

ovat laajalla aikavälillä 10–2 sekunnista 2 1015 vuoteen.

Tähän mennessä tunnetaan noin 900 radioaktiivista beeta-isotooppia. Näistä vain noin 20 on luonnollisia, loput saadaan keinotekoisesti. Suurin osa näistä isotoopeista kokee

β− -hajoaminen, ts. elektronien emission kanssa.

Kaikentyyppiseen radioaktiiviseen hajoamiseen liittyy gammasäteilyä. Gammasäteet ovat lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä, joka ei ole itsenäinen radioaktiivisuuden tyyppi. On kokeellisesti osoitettu, että tytärydin lähettää gammasäteitä ytimen siirtyessä viritetyistä energiatiloista pohja- tai vähemmän virittyneeseen tilaan. Gammasäteiden energia on yhtä suuri kuin ytimen alku- ja loppuenergiatason energioiden välinen ero. Gammasäteiden aallonpituus ei ylitä 0,2 nanometriä.

Gammasäteilyprosessi ei ole itsenäinen radioaktiivisuuden tyyppi, koska se tapahtuu muuttamatta ytimen Z- ja Am-arvoja.

Kontrollikysymykset:

1. Mitä tarkoitetaan massa- ja varausluvuilla Mendelejevin jaksollisessa taulukossa?

2. Käsite "isotoopit" ja "isobaarit". Mitä eroa näillä termeillä on?

3. Ytimen ydinvoimat ja niiden tärkeimmät ominaisuudet.

4. Miksi ytimen massa on pienempi kuin sen muodostavien nuklidien massojen summa?

5. Mitä aineita kutsutaan radioaktiivisiksi?

6. Mikä luonnehtii ja osoittaa radioaktiivisen hajoamisvakion?

7. Määrittele aineen puoliintumisaika.

8. Listaa tilavuus-, pinta- ja ominaisaktiivisuuden mittayksiköt.

9. Radioaktiivisten ytimien pääasialliset säteilytyypit ja niiden parametrit.

Dia11

Alfahajoaminen on alfahiukkasten (heliumytimien) päästöä atomiytimen toimesta perustilassa (virittymättömässä).

Puoliintumisajan tärkeimmät ominaisuudet T 1/2, liike-energia T a ja kilometrimäärä asiaan R aα-hiukkaset aineessa.

Alfahajoamisen perusominaisuudet

1. Alfahajoamista havaitaan vain raskaissa ytimissä. Tunnetaan noin 300 α-radioaktiivista ydintä

2. α-aktiivisten ytimien puoliintumisaika on valtava vaihteluväli

10 17 vuotta vanha ()

ja on päättäväinen Geiger-Nettallin laki

. (1.32)

esimerkiksi Z=84 vakioille A= 128,8 ja B = - 50,15, T a– α-hiukkasen kineettinen energia in Mev

3. Radioaktiivisten ytimien α-hiukkasten energiat sisältyvät siihen

(Mev)

T amin = 1,83 Mev (), Tαmax = 11,65 Mev(isomeeri

4. Havaitaan radioaktiivisten ytimien α-spektrien hieno rakenne. Nämä spektrit diskreetti. Kuvassa 1.5. Esitetään kaavio plutoniumytimen hajoamisesta. α-hiukkasten spektri koostuu useista monoenergeettisistä viivoista, jotka vastaavat siirtymiä tytärytimen eri tasoille.

6. α-hiukkasten mittarilukema ilmassa normaaleissa olosuhteissa

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

7. α-hajoamisreaktion yleinen kaavio

missä on äitiydin, on tytärydin

α-hiukkasen sitoutumisenergian ytimessä on oltava pienempi kuin nolla, jotta α-hajoaminen tapahtuisi.

E St α =<0 (1.34)

Energiaa vapautuu α-hajoamisen aikana Eα koostuu α-hiukkasen kineettisestä energiasta Tα ja tytärytimen kineettinen energia T i

E α =| E St α | = T α + T i (1,35)

α-hiukkasen kineettinen energia on yli 98 % α-hajoamisen kokonaisenergiasta

Beetahajoamisen tyypit ja ominaisuudet

Beta-hajoamisdia 12

Ytimen beetahajoaminen on prosessi, jossa epästabiili ydin muuttuu spontaanisti isobar-ytimeksi elektronin (positronin) emission tai elektronin sieppaamisen seurauksena. Noin 900 beetaradioaktiivista ydintä tunnetaan.

Elektronisessa β-hajoamisessa yksi ytimen neutroneista muuttuu protoniksi elektronin ja elektronin antineutrinon emissiolla.

vapaa neutronien hajoaminen , T 1/2 = 10,7 min;

tritiumin hajoaminen , T 1/2 = 12 vuotta .

klo positronin β+ hajoaminen yksi ytimen protoneista muuttuu neutroniksi positiivisesti varautuneen elektronin (positronin) ja elektronineutrinon emission kanssa

Kun sähköinen e-kaappaus ydin vangitsee elektronin oman atominsa elektronikuoresta (yleensä K-kuoresta).

β - -hajoamisenergia on alueella

()0,02 Mev < Е β < 13,4 Mev ().

Emitoituneiden β-hiukkasten spektri jatkuva nollasta maksimiarvoon. Laskentakaavat beeta-hajoamisen suurin energia:

, (1.42)

, (1.43)

. (1.44)

missä on emoytimen massa, on tytärytimen massa. minä- elektronimassa.

Puolikas elämä T 1/2 liittyy todennäköisyyteen beeta-hajoamissuhde

Beetan hajoamisen todennäköisyys riippuu voimakkaasti beetan hajoamisenergiasta ( ~ E β 5 klo E β >> m e c 2) siis puoliintumisaika T 1/2 vaihtelee suuresti

10-2 sek< T 1/2< 2 10 15 лет

Beetahajoaminen tapahtuu heikon vuorovaikutuksen seurauksena, joka on yksi perusvuorovaikutuksista.

Radioaktiiviset perheet (sarja) Dia 13

Ydinsiirtymän lait α-hajoamisen aikana ( A → A – 4 ; Z → Z- 2) β-hajoamisen aikana ( A → A; Z → Z+1).Massanumerosta lähtien Aα-hajoamisen aikana se muuttuu 4:ksi ja β-hajoamisen aikana A ei muutu, silloin eri radioaktiivisten perheiden jäsenet eivät "sekoitu" toisiinsa. Ne muodostavat erilliset radioaktiiviset sarjat (ydinketjut), jotka päättyvät niiden stabiileihin isotoopeihin.

Kunkin radioaktiivisen perheen jäsenten massaluvut on kuvattu kaavalla

a=0 toriumperheelle, a= 1 neptunia-perheelle, a= 2 uraaniperheelle, a= 3 aktinouraaniperheelle. n- kokonaisluku. katso taulukko 1.2

Taulukko 1.2

Suvujen esi-isien puoliintumisaikojen vertailusta Maan geologiseen elinikään (4,5 miljardia vuotta) on selvää, että lähes kaikki torium-232 oli säilynyt maan aineessa, uraani-238 hajosi noin puolet, uraani-235 suurin osa ja lähes kaikki neptunium-237.

Tunnettujen α-radioaktiivisten ytimien puoliintumisajat vaihtelevat suuresti. Siten volframi-isotoopin 182 W puoliintumisaika on T 1/2 > 8,3 · 10 18 vuotta ja protaktiinumisotoopin 219 Pa puoliintumisaika T 1/2 = 5,3 · 10 -8 s.

Riisi. 2.1. Radioaktiivisen alkuaineen puoliintumisajan riippuvuus luonnollisesti radioaktiivisen alkuaineen α-hiukkasen kineettisestä energiasta. Katkoviiva on Geiger-Nattallin laki.

Parillisten isotooppien puoliintumisajan riippuvuus α-hajoamisenergiasta Q α kuvataan empiirisesti Geiger-Nettallin laki

missä Z on lopullisen ytimen varaus, puoliintumisaika T 1/2 ilmaistaan ​​sekunteina ja α-partikkelin E α energia on MeV:ssa. Kuvassa Kuvassa 2.1 on esitetty puoliintumisaikojen kokeelliset arvot α-radioaktiivisille parillisille isotoopeille (Z vaihtelee välillä 74-106) ja niiden kuvaus relaatiolla (2.3).
Parittomille, parillisille ja parittomille ytimille riippuvuuden yleinen taipumus
Q α:n log T 1/2 säilyy, mutta puoliintumisajat ovat 2–100 kertaa pidemmät kuin parillisilla ytimillä, joilla on sama Z ja Q α .
Jotta α-hajoaminen tapahtuisi, on välttämätöntä, että alkuytimen M(A,Z) massa on suurempi kuin lopullisen ytimen M(A-4, Z-2) ja α-hiukkasen massojen summa. M α:

missä Q α = c 2 on α-hajoamisenergia.
Koska M α<< M(A-4, Z-2), α kuljettaa pois suurimman osan α-hajoamisenergiasta ‑ hiukkanen ja vain ≈ 2 % - lopullinen ydin (A-4, Z-2).
Monien radioaktiivisten alkuaineiden α-hiukkasten energiaspektrit koostuvat useista viivoista (α-spektrien hieno rakenne). Syynä α-spektrin hienorakenteen ilmaantumiseen on alkuytimen (A,Z) hajoaminen ytimen virittyneeseen tilaan (A-4, Z-2). Alfahiukkasten spektrejä mittaamalla saadaan tietoa virittyneiden tilojen luonteesta
ytimet (A-4, Z-2).
Sen A- ja Z-ytimien arvojen alueen määrittämiseksi, joille α-hajoaminen on energeettisesti mahdollista, käytetään kokeellisia tietoja ytimien sitoutumisenergioista. α-hajoamisenergian Q α riippuvuus massaluvusta A on esitetty kuvassa. 2.2.
Kuvasta 2.2 on selvää, että α:n hajoaminen tulee energeettisesti mahdolliseksi alkaen arvosta A ≈ 140. Alueilla A = 140–150 ja A ≈ 210 Q α:n arvolla on selkeät maksimit, jotka johtuvat ytimen kuorirakenteesta. Maksimi kohdassa A = 140–150 liittyy neutronikuoren täyttymiseen maagisella numerolla N = A – Z = 82 ja maksimi kohdassa A ≈ 210 liittyy protonikuoren täyttöön kohdassa Z. = 82. Atomiytimen kuorirakenteesta johtuen α-aktiivisten ytimien ensimmäinen (harvinaisen maametallin) alue alkaa N = 82:sta ja raskaat α-radioaktiiviset ytimet lisääntyvät erityisen paljon Z = 82:sta alkaen.

Riisi. 2.2. α-hajoamisenergian riippuvuus massaluvusta A.

Puoliintumisaikojen laaja valikoima sekä näiden ajanjaksojen suuret arvot monille α-radioaktiivisille ytimille selittyvät sillä, että α-partikkeli ei voi "hetkellä" poistua ytimestä huolimatta siitä, että tämä on energeettisesti suotuisa. Poistuakseen ytimestä α-hiukkasen on voitettava potentiaalieste - ytimen rajalla oleva alue, joka muodostuu α-hiukkasen ja lopullisen ytimen sähköstaattisen repulsion potentiaalienergian ja välisten vetovoimien vuoksi. nukleonit. Klassisen fysiikan näkökulmasta alfahiukkanen ei voi ylittää potentiaaliestettä, koska sillä ei ole tähän tarvittavaa liike-energiaa. Kvanttimekaniikka sallii kuitenkin tällaisen mahdollisuuden − α ‑ hiukkasella on tietty todennäköisyys läpäistä potentiaaliesteen läpi ja poistua ytimestä. Tätä kvanttimekaanista ilmiötä kutsutaan "tunneliefektiksi" tai "tunnelaatioksi". Mitä korkeampi ja leveämpi este on, sitä pienempi on tunneloitumisen todennäköisyys ja puoliintumisaika on vastaavasti pidempi. Laaja valikoima puoliintumisaikoja
α-emitterit selittyvät α-hiukkasten kineettisten energioiden ja potentiaaliesteiden korkeuksien erilaisilla yhdistelmillä. Jos estettä ei olisi olemassa, alfahiukkanen jättäisi ytimen tunnusomaisen ytimen taakse
aika ≈ 10 -21 - 10 -23 s.
Yksinkertaisinta α-hajoamismallia ehdottivat vuonna 1928 G. Gamow ja itsenäisesti G. Gurney ja E. Condon. Tässä mallissa oletettiin, että α-partikkeli on jatkuvasti olemassa ytimessä. Kun alfahiukkanen on ytimessä, ydinvoimat vaikuttavat siihen. Niiden vaikutussäde on verrattavissa ytimen R säteeseen. Ydinpotentiaalin syvyys on V 0 . Ydinpinnan ulkopuolella kohdassa r > R potentiaali on Coulombin repulsiivinen potentiaali

V(r) = 2Ze2/r.

Riisi. 2.3. α-hiukkasten energiat E α riippuvat neutronien lukumäärästä N
alkuperäisessä ytimessä. Viivat yhdistävät saman kemiallisen alkuaineen isotooppeja.

Yksinkertaistettu kaavio ydinvoiman vetopotentiaalin ja Coulombin repulsiivisen potentiaalin yhteisvaikutuksesta on esitetty kuvassa 2.4. Poistuakseen ytimestä α-partikkelin, jonka energia on E α, on läpäistävä potentiaalieste, joka sijaitsee alueella R:stä Rc:hen. α:n hajoamisen todennäköisyys määräytyy pääasiassa todennäköisyydellä D, että α-hiukkanen läpäisee potentiaaliesteen

Tämän mallin puitteissa oli mahdollista selittää todennäköisyyden α voimakas riippuvuus ‑ hajoaminen α-hiukkasen energiasta.

Riisi. 2.4. α-hiukkasen potentiaalienergia. Mahdollinen este.

Vaimenemisvakion λ laskemiseksi on välttämätöntä kertoa α-hiukkasen potentiaaliesteen läpi kulkemisen kerroin ensinnäkin todennäköisyydellä w α, että α-hiukkanen muodostui ytimeen, ja toiseksi sillä todennäköisyydellä, että se on ytimen rajalla. Jos alfahiukkasen ytimessä, jonka säde on R, on nopeus v, niin se lähestyy rajaa keskimäärin ≈ v/2R kertaa sekunnissa. Tuloksena vaimenevakiolle λ saadaan relaatio

(2.6)

α-hiukkasen nopeus ytimessä voidaan arvioida sen kineettisen energian E α + V 0 perusteella ydinpotentiaalikaivon sisällä, jolloin saadaan v ≈ (0,1-0,2) s. Tästä jo seuraa, että jos ytimessä on alfahiukkanen, sen todennäköisyys läpäistä esteen D<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
Preeksponentiaalisen tekijän estimaatin karheus ei ole kovin merkittävää, koska vaimennusvakio riippuu siitä verrattomasti vähemmän kuin eksponentti.
Kaavasta (2.6) seuraa, että puoliintumisaika riippuu voimakkaasti ytimen R säteestä, koska säde R ei sisälly vain preeksponentiaaliseen tekijään, vaan myös eksponenttiin integroinnin rajana. Siksi α-hajoamistiedoista on mahdollista määrittää atomiytimien säteet. Tällä tavalla saadut säteet osoittautuvat 20–30 % suuremmiksi kuin elektroninsirontakokeissa havaitut. Tämä ero johtuu siitä, että kokeissa nopeilla elektroneilla mitataan sähkövarauksen jakautumisen säde ytimessä ja α-hajoamisessa mitataan ytimen ja α-hiukkasen välinen etäisyys, jolla ydinvoimat lakkaavat toimia.
Planckin vakion läsnäolo eksponentissa (2.6) selittää puoliintumisajan voimakkaan riippuvuuden energiasta. Pienikin muutos energiassa johtaa merkittävään eksponentin muutokseen ja siten erittäin jyrkän puoliintumisajan muutokseen. Siksi emittoituneiden α-hiukkasten energiat ovat erittäin rajallisia. Raskaiden ytimien kohdalla α-hiukkaset, joiden energia on yli 9 MeV, lentävät ulos lähes välittömästi, ja alle 4 MeV:n energioilla ne elävät ytimessä niin kauan, ettei α-hajoamista voida edes havaita. Harvinaisten maametallien α-radioaktiivisissa ytimissä molempia energioita vähennetään vähentämällä ytimen sädettä ja potentiaaliesteen korkeutta.
Kuvassa Kuvassa 2.5 on esitetty Hf-isotooppien (Z = 72) α-hajoamisenergian riippuvuus massaluvusta A massalukujen alueella A = 156–185. Taulukossa 2.1 on esitetty 156–185 Hf-isotooppien α-hajoamisenergiat, puoliintumisajat ja päähajoamiskanavat. On nähtävissä, kuinka massaluvun A kasvaessa α-hajoamisenergia pienenee, mikä johtaa α-hajoamisen todennäköisyyden pienenemiseen ja β-hajoamisen todennäköisyyden kasvuun (taulukko 2.1). 174 Hf isotooppi, joka on stabiili isotooppi (isotooppien luonnollisessa seoksessa on 0,16 %), kuitenkin hajoaa puoliintumisajalla T 1/2 = 2·10 15 vuotta α-partikkelin emission kanssa.

Riisi. 2.5. Hf-isotooppien α-hajoamisenergian Q α riippuvuus (Z = 72)
massanumerosta A.

Taulukko 2.1

α-hajoamisenergian riippuvuus Q α, puoliintumisaika T 1/2,
H f-isotooppien (Z = 72) eri hajoamismuodot massaluvusta riippuen A

Hf-isotoopit, joiden A = 176–180, ovat pysyviä isotooppeja. Näillä isotoopeilla on myös positiivinen α-hajoamisenergia. α-hajoamisenergia ~1,3–2,2 MeV on kuitenkin liian alhainen, eikä näiden isotooppien α-hajoamista havaittu, vaikka α-hajoamisen todennäköisyys ei ole nolla. Kun massaluku A > 180 kasvaa edelleen, β-hajoamisesta tulee hallitseva vaimennuskanava.
Radioaktiivisten hajoamisen aikana lopullinen ydin voi päätyä paitsi perustilaan myös johonkin virittyneeseen tilaan. α-hajoamisen todennäköisyyden voimakas riippuvuus α-hiukkasen energiasta johtaa kuitenkin siihen, että hajoamiset lopullisen ytimen virittyneiksi tasoiksi tapahtuvat yleensä hyvin alhaisella intensiteetillä, koska kun lopullinen ydin viritetään, α-partikkelin energia vähenee. Siksi vain vaimentumista rotaatiotasoille, joilla on suhteellisen alhainen viritysenergia, voidaan havaita kokeellisesti. Hajoaminen lopullisen ytimen virittyneiksi tasoiksi johtaa hienon rakenteen ilmaantumiseen emittoivien α-hiukkasten energiaspektrissä.
Päätekijä, joka määrittää α-hajoamisen ominaisuuksia, on α-hiukkasten kulkeutuminen potentiaaliesteen läpi. Muut tekijät ilmenevät suhteellisen heikosti, mutta joissain tapauksissa niiden avulla on mahdollista saada lisätietoa ytimen rakenteesta ja ytimen α-hajoamismekanismista. Yksi näistä tekijöistä on kvanttimekaanisen keskipakoesteen syntyminen. Jos ytimestä (A,Z), jolla on spin J i , emittoituu α-partikkeli ja muodostuu äärellinen ydin
(A-4, Z-2) tilassa, jossa on spin J f, niin α-hiukkasen täytyy kuljettaa pois kokonaisliikemäärä J, joka määräytyy suhteessa

Koska α-hiukkasella on nollaspin, sen kokonaiskulmaliikemäärä J osuu yhteen α-hiukkasen kuljettaman radan kulmamomentin l kanssa

Tämän seurauksena syntyy kvanttimekaaninen keskipakoeste.

Keskipakoenergiasta johtuva potentiaalisulun muodon muutos on merkityksetön, mikä johtuu pääasiassa siitä, että keskipakoenergia pienenee etäisyyden myötä paljon nopeammin kuin Coulombin energia (1/r 2, eikä 1/r). Koska tämä muutos kuitenkin jaetaan Planckin vakiolla ja osuu eksponenttiin, niin suurella l:llä se johtaa muutokseen ytimen eliniässä.
Taulukossa 2.2 on esitetty keskipakoesteen Bl laskettu permeabiliteetti α-hiukkasille, jotka emittoidaan kiertoradalla l, suhteessa keskipakoesteen B 0 läpäisevyyteen α-hiukkasille, jotka emittoivat kiertoradalla l = 0 ytimelle, jonka Z = 90, α-hiukkasenergia E α = 4,5 MeV. Voidaan nähdä, että α-partikkelin kuljettaman kiertoradan liikemäärän l kasvaessa kvanttimekaanisen keskipakoesteen läpäisevyys laskee jyrkästi.

Taulukko 2.2

Keskipakoesteen suhteellinen läpäisevyysα - hiukkasia,
lähtee kiertoradalla l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)

Merkittävämpi tekijä, joka voi dramaattisesti jakaa uudelleen eri α-hajoamisen haarojen todennäköisyyksiä, voi olla tarve ytimen sisäiseen rakenteeseen merkittävällä tavalla uudelleenjärjestelyyn a-hiukkasen emission aikana. Jos alkuydin on pallomainen ja lopullisen ytimen perustila on voimakkaasti epämuodostunut, niin kehittyäkseen lopullisen ytimen perustilaan alkuperäisen ytimen on järjestettävä itsensä uudelleen lähettäessään alfahiukkasta, joka muuttuu suuresti. sen muoto. Tällainen ytimen muodon muutos sisältää yleensä suuren määrän nukleoneja ja järjestelmän, jossa on vähän nukleoneja, kuten α ‑ ytimestä lähtevä hiukkanen ei ehkä pysty tarjoamaan sitä. Tämä tarkoittaa, että lopullisen ytimen muodostumisen todennäköisyys perustilassa on mitätön. Jos loppuytimen virittyneiden tilojen joukossa on tila, joka on lähellä pallomaista, niin alkuydin voi ilman merkittävää uudelleenjärjestelyä mennä siihen α:n seurauksena. ‑ rappeutuminen Tällaisen tason populaation todennäköisyys voi osoittautua suureksi, ylittäen merkittävästi alempana olevien valtioiden, mukaan lukien perustilan, populaation todennäköisyyden.
Isotooppien 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra α-hajoamiskaavioista α-hajoamisen todennäköisyyden voimakkaat riippuvuudet virittyneisiin tiloihin α-hiukkasen energiasta ja kiertoradan liikemäärästä l. α-hiukkaset ovat näkyvissä.
α-hajoaminen voi tapahtua myös atomiytimien virittyneistä tiloista. Esimerkkinä taulukoissa 2.3 ja 2.4 on esitetty isotooppien 151 Ho ja 149 Tb perus- ja isomeeristen tilojen vaimenemistavat.

Taulukko 2.3

151H:n perus- ja isomeeristen tilojen α-hajoaminen

Taulukko 2.4

149 Tb:n perus- ja isomeeristen tilojen α-hajoaminen

Kuvassa Kuvassa 2.6 on esitetty energiakaaviot isotooppien 149 Tb ja 151 Ho perus- ja isomeeristen tilojen hajoamisesta.

Riisi. 2.6 Energiakaaviot isotooppien 149 Tb ja 151 Ho perus- ja isomeeristen tilojen hajoamisesta.

α-hajoaminen 151Ho-isotoopin isomeeritilasta (J P = (1/2) + , E isomeeri = 40 keV) on todennäköisempää (80 %) kuin e-kaappaus tähän isomeeritilaan. Samaan aikaan 151 Ho:n perustila heikkenee pääasiassa e-kaappauksen seurauksena (78 %).
149 Tb:n isotoopissa isomeerisen tilan (J P = (11/2) - , E isomeeri = 35,8 keV) hajoaminen tapahtuu ylivoimaisesti e-kaappauksen seurauksena. Pohja- ja isomeeristen tilojen hajoamisen havaitut piirteet selittyvät α-hajoamisen ja e-kaappauksen energian suuruudella ja α-hiukkasen tai neutrinon kuljettamalla kiertoradan kulmamomentilla.

Hajoamistila. Alfahajoaminen on ominaista raskaille ytimille, joissa kasvua A havaitaan sitoutumisenergian lasku nukleonia kohti. Tällä massalukualueella ytimessä olevien nukleonien määrän väheneminen johtaa tiukemmin sitoutuneen ytimen muodostumiseen. Samaan aikaan energian lisäys vähenee A yksi on paljon pienempi kuin yhden nukleonin sitoutumisenergia ytimessä; siksi protonin tai neutronin emissio, jonka sitoutumisenergia on nolla ytimen ulkopuolella, on mahdotonta. 4 Ne-ytimen emissio osoittautuu energeettisesti suotuisaksi, koska nukleonin spesifinen sitoutumisenergia tietyssä ytimessä on noin 7,1 MeV. Alfahajoaminen on mahdollista, jos tuoteytimen ja alfahiukkasen kokonaissitoutumisenergia on suurempi kuin alkuperäisen ytimen sitoutumisenergia. Tai massayksiköissä:

M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + M a (3.12)

Nukleonien sitoutumisenergian lisääntyminen tarkoittaa lepoenergian vähenemistä juuri alfahajoamisen aikana vapautuvan energiamäärän verran E α. Tästä syystä, jos kuvittelemme alfahiukkasen kokonaisuutena tuotteen ytimessä, sen pitäisi olla tasolla, jolla on positiivinen energia, joka on yhtä suuri kuin E α(Kuva 3.5).

Riisi. 3.5. Kaavio alfahiukkasen energiatasosta raskaassa ytimessä

Kun alfahiukkanen poistuu ytimestä, tämä energia vapautuu vapaassa muodossa hajoamistuotteiden: alfahiukkasen ja uuden ytimen kineettisenä energiana. Kineettinen energia jakautuu näiden hajoamistuotteiden välillä käänteisessä suhteessa niiden massoihin, ja koska alfahiukkasen massa on paljon pienempi kuin vasta muodostuneen ytimen massa, alfahiukkanen kuljettaa pois lähes kaiken hajoamisenergian. . Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, suurella tarkkuudella E α on alfahiukkasen kineettinen energia hajoamisen jälkeen.

Samalla Coulombin potentiaalieste estää energian vapautumisen Iso-Britannia(katso kuva 3.5), jonka todennäköisyys alfahiukkasen läpikulkuun on pieni ja putoaa hyvin nopeasti pienentyessä E α. Tästä syystä relaatio (3.12) ei ole riittävä ehto alfa-hajoamiselle.

Coulombin esteen korkeus ytimeen tunkeutuvalle tai sieltä poistuvalle varautuneelle hiukkaselle kasvaa suhteessa sen varaukseen. Tästä syystä Coulombin este muodostaa vielä suuremman esteen muiden tiukasti sitoutuneiden kevyiden ytimien paeta raskaasta ytimestä, kuten esim. 12 C tai 16 O. Nukleonin keskimääräinen sitoutumisenergia näissä ytimissä on jopa suurempi kuin ytimessä 4 Ei, tässä yhteydessä useissa tapauksissa ytimen emissio 16 O sen sijaan, että se lähettäisi peräkkäin neljä alfahiukkasta, se olisi energeettisesti edullisempi. Tässä tapauksessa ydintä raskaampien ytimien emissio 4 Ei, ei näkyvä.

Selitys romahtamisesta. Alfahajoamisen mekanismia selittää kvanttimekaniikka, koska klassisen fysiikan puitteissa tämä prosessi on mahdoton. Vain hiukkanen, jolla on aaltoominaisuuksia, voi ilmaantua potentiaalikaivon ulkopuolelle, kun E α . Lisäksi käy ilmi, että vain äärettömän leveä potentiaalieste, jonka todennäköisyys on yhtä suuri, rajoittaa hiukkasen läsnäoloa potentiaalikaivossa. Jos esteen leveys on äärellinen, niin todennäköisyys siirtyä potentiaaliesteen yli on pohjimmiltaan aina erilainen kuin nolla. Totta, tämä todennäköisyys pienenee nopeasti esteen leveyden ja korkeuden kasvaessa. Kvanttimekaniikan laitteisto johtaa seuraavaan esteen läpinäkyvyyden tai todennäköisyyden lausekkeeseen ω jotta hiukkanen on potentiaaliesteen ulkopuolella, kun se törmää seinäänsä: