Unsur fisika inti atom dan partikel elementer. Kekuatan penetrasi partikel beta

2.3 Polaα - Danβ -membusuk

AktivitasAnuklidadalam sumber radioaktif, jumlah peluruhan yang terjadi pada inti sampel dalam 1 s disebut:

Satuan kegiatan — becquerel (Bq): 1Bq - aktivitas nuklida, di mana satu peristiwa peluruhan terjadi dalam 1 s.Unit kegiatan non-sistemnuklida dalam sumber radioaktif -curie (Ku): 1 Ku=3,7·1010 Bk.

Peluruhan alfa. Peluruhan alfa adalah transformasi spontan inti atom dengan jumlah proton Z dan neutron N menjadi inti lain (anak perempuan) yang mengandung jumlah proton Z – 2 dan neutron N – 2. Dalam hal ini, partikel alfa dipancarkan - partikel alfa. inti atom helium. Contoh dari proses tersebut adalah peluruhan α radium:

Partikel alfa yang dipancarkan oleh inti atom radium digunakan oleh Rutherford dalam eksperimen hamburan inti unsur berat. Kecepatan partikel α yang dipancarkan selama peluruhan α inti radium, diukur dari kelengkungan lintasan dalam medan magnet, kira-kira sama dengan 1,5 107 m/s, dan energi kinetik yang bersangkutan adalah sekitar 7,5 · 10–13 J (sekitar 4,8 MeV). Nilai ini dapat dengan mudah ditentukan dari nilai massa inti ibu dan anak serta inti helium yang diketahui. Meskipun kecepatan pelepasan partikel α sangat besar, kecepatannya masih hanya 5% dari kecepatan cahaya, jadi saat menghitung, Anda dapat menggunakan ekspresi non-relativistik untuk energi kinetik.

Penelitian telah menunjukkan bahwa zat radioaktif dapat memancarkan partikel alfa dengan beberapa energi terpisah. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa inti atom, seperti atom, dapat berada dalam keadaan tereksitasi yang berbeda. Inti anak mungkin berada dalam salah satu keadaan tereksitasi ini selama peluruhan α. Selama transisi selanjutnya dari inti ini ke keadaan dasar, kuantum-γ dipancarkan. Diagram peluruhan α radium dengan emisi partikel α dengan dua nilai energi kinetik ditunjukkan pada Gambar 2.4.

Jadi, peluruhan α inti dalam banyak kasus disertai dengan radiasi γ.

Dalam teori peluruhan α, diasumsikan bahwa gugus yang terdiri dari dua proton dan dua neutron, yaitu partikel α, dapat terbentuk di dalam inti. Inti induk merupakan sumur potensial bagi partikel α, yang dibatasi oleh penghalang potensial. Energi partikel α dalam inti tidak cukup untuk mengatasi penghalang ini (Gambar 2.5). Pelepasan partikel alfa dari inti hanya mungkin terjadi karena fenomena mekanika kuantum yang disebut efek terowongan. Menurut mekanika kuantum, ada kemungkinan bukan nol suatu partikel lewat di bawah penghalang potensial. Fenomena tunneling bersifat probabilistik.

Peluruhan beta. Selama peluruhan beta, sebuah elektron dikeluarkan dari inti. Elektron tidak dapat berada di dalam inti (lihat § 1.2), elektron muncul selama peluruhan beta sebagai akibat dari transformasi neutron menjadi proton. Proses ini dapat terjadi tidak hanya di dalam inti, tetapi juga dengan neutron bebas. Masa hidup rata-rata neutron bebas adalah sekitar 15 menit. Ketika neutron meluruhberubah menjadi protondan elektron

Pengukuran menunjukkan bahwa dalam proses ini jelas terdapat pelanggaran terhadap hukum kekekalan energi, karena energi total proton dan elektron yang dihasilkan dari peluruhan neutron lebih kecil daripada energi neutron. Pada tahun 1931, W. Pauli mengemukakan bahwa selama peluruhan neutron, partikel lain dengan massa dan muatan nol dilepaskan, yang menghilangkan sebagian energinya. Partikel baru diberi namaneutrino(neutron kecil). Karena kurangnya muatan dan massa neutrino, partikel ini berinteraksi sangat lemah dengan atom-atom materi, sehingga sangat sulit dideteksi dalam eksperimen. Kemampuan ionisasi neutrino sangat kecil sehingga satu peristiwa ionisasi di udara terjadi kira-kira dalam jarak 500 km. Partikel ini baru ditemukan pada tahun 1953. Saat ini diketahui ada beberapa jenis neutrino. Selama peluruhan neutron, sebuah partikel tercipta, yang disebut elektronantineutrino. Hal ini ditunjukkan dengan simbolOleh karena itu, reaksi peluruhan neutron ditulis dalam bentuk

Proses serupa terjadi di dalam inti selama peluruhan β. Sebuah elektron yang terbentuk sebagai hasil peluruhan salah satu neutron nuklir segera dikeluarkan dari “rumah induk” (inti) dengan kecepatan yang sangat besar, yang hanya berbeda sepersekian persen dari kecepatan cahaya. Karena distribusi energi yang dilepaskan selama peluruhan β antara elektron, neutrino, dan inti anak bersifat acak, elektron β dapat memiliki kecepatan berbeda pada rentang nilai yang luas.

Selama peluruhan β, nomor muatan Z bertambah satu, tetapi nomor massa A tetap tidak berubah. Inti anak ternyata adalah inti salah satu isotop suatu unsur, yang nomor urutnya dalam tabel periodik satu lebih tinggi dari nomor urut inti aslinya. Contoh khas peluruhan β adalah transformasi isoton toriumtimbul dari peluruhan α uraniummenjadi paladium

Seiring dengan peluruhan β elektronik, apa yang disebut peluruhan positron β ditemukan+ -peluruhan di mana positron dipancarkan dari intidan neutrino. Positron adalah partikel kembaran elektron, yang berbeda hanya dalam tanda muatannya. Keberadaan positron telah diprediksi oleh fisikawan terkemuka P. Dirac pada tahun 1928. Beberapa tahun kemudian, positron ditemukan dalam sinar kosmik. Positron muncul sebagai hasil reaksi pengubahan proton menjadi neutron menurut skema berikut:

Peluruhan gamma. Berbeda dengan radioaktivitas α- dan β, radioaktivitas inti tidak berhubungan dengan perubahan struktur internal inti dan tidak disertai dengan perubahan muatan atau nomor massa. Baik selama peluruhan α dan β, inti anak mungkin berada dalam keadaan tereksitasi dan memiliki kelebihan energi. Transisi inti dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar disertai dengan emisi satu atau lebih kuanta, yang energinya dapat mencapai beberapa MeV.

1.3. Peluruhan alfa, peluruhan beta, dan emisi gamma dari inti radioaktif

Peluruhan alfa adalah emisi spontan partikel alfa, yang mewakili inti atom helium, oleh inti radioaktif. Pembusukan berlangsung sesuai skema

DI DALAM Dalam persamaan (1.13), huruf X melambangkan lambang kimia inti yang membusuk (induk), dan huruf Y melambangkan lambang kimia inti (anak) yang dihasilkan. Seperti dapat dilihat pada diagram (1.13), nomor atom inti anak adalah dua dan nomor massa lebih kecil empat satuan dari inti aslinya.

Partikel alfa mempunyai muatan positif. Partikel alfa mencirikan dua-

berdasarkan parameter dasar: panjang perjalanan (di udara hingga 9 cm, di jaringan biologis hingga 10-3 cm) dan energi kinetik dalam kisaran 2...9 MeV.

Peluruhan alfa hanya diamati pada inti berat dengan Am>200 dan nomor muatan Z>82. Di dalam inti tersebut, terjadi pembentukan partikel terisolasi dari dua proton dan dua neutron. Pemisahan kelompok nukleon ini difasilitasi oleh kejenuhan gaya nuklir, sehingga partikel alfa yang terbentuk terkena gaya tarik menarik nuklir yang lebih sedikit dibandingkan nukleon individu. Pada saat yang sama, partikel alfa mengalami gaya tolak Coulomb yang lebih besar dari proton inti dibandingkan proton individu. Hal ini menjelaskan emisi partikel alfa dari inti, dan bukan nukleon individu.

DI DALAM Dalam kebanyakan kasus, suatu zat radioaktif mengeluarkan beberapa kelompok partikel alfa dengan energi yang sama tetapi berbeda, mis. kelompok mempunyai spektrum energi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa inti anak dapat muncul tidak hanya dalam keadaan dasar, tetapi juga dalam keadaan tereksitasi dengan tingkat energi yang berbeda.

Masa hidup keadaan tereksitasi untuk sebagian besar inti atom berada di dalam masa hidup

urusan dari 10 - 8 hingga 10 - 15 detik. Selama waktu ini, inti anak berpindah ke keadaan tereksitasi dasar atau lebih rendah, memancarkan kuantum gamma dengan energi yang sesuai, sama dengan perbedaan antara energi keadaan sebelumnya dan selanjutnya. Inti yang tereksitasi juga dapat memancarkan partikel apa pun: proton, neutron, elektron, atau partikel alfa. Ia juga dapat mentransfer kelebihan energi ke salah satu elektron di lapisan dalam yang mengelilingi inti. Perpindahan energi dari inti ke elektron terdekat pada lapisan K terjadi tanpa emisi kuantum gamma. Elektron yang menerima energi terbang keluar dari atom. Proses ini disebut konversi internal. Posisi kosong yang dihasilkan diisi oleh elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi. Transisi elektronik pada lapisan dalam atom menyebabkan emisi sinar-X yang memiliki spektrum energi diskrit (karakteristik sinar-X). Secara total, sekitar 25 isotop radioaktif alfa alami dan sekitar 100 buatan telah diketahui.

Peluruhan beta menggabungkan tiga jenis transformasi nuklir: elektronik (β−)

dan peluruhan positron (β+ ), serta penangkapan elektron atau penangkapan K. Dua jenis transformasi pertama terdiri dari fakta bahwa inti memancarkan elektron dan antineutrino (selama peluruhan β−) atau positron dan neutrino (selama peluruhan β+). Elek-

tron (positron) dan antineutrino (neutrino) tidak ada dalam inti atom. Proses-proses ini terjadi dengan mengubah satu jenis nukleon dalam nukleus menjadi jenis lain - neutron menjadi proton atau proton menjadi neutron. Hasil transformasi ini adalah peluruhan β, yang skemanya berbentuk:

dimana − 1 e0 dan + 1 e0 adalah sebutan untuk elektron dan positron,

0 ν0 dan 0 ~ ν0 – sebutan neutrino dan antineutrino.

Dengan peluruhan beta negatif, jumlah muatan radionuklida bertambah satu, dan dengan peluruhan beta positif, jumlah muatannya berkurang satu.

Peluruhan elektronik (β − peluruhan) dapat dialami oleh radionuklida alami dan buatan. Jenis peluruhan inilah yang merupakan ciri dari banyaknya radionuklida paling berbahaya bagi lingkungan yang dilepaskan ke lingkungan sebagai akibat dari kecelakaan Chernobyl. Diantara mereka

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

Peluruhan positron (β + – peluruhan) terutama merupakan karakteristik radionuklida buatan.

Karena selama peluruhan beta dua partikel dipancarkan dari inti, dan berdistribusi

diantara keduanya energi total terjadi secara statistik, maka spektrum energi elektron (positron) kontinu dari nol sampai nilai maksimum Emax disebut batas atas spektrum beta. Untuk inti radioaktif beta, nilai Emax terletak pada wilayah energi dari 15 keV hingga 15 MeV. Panjang jalur partikel beta di udara mencapai 20 m, dan di jaringan biologis hingga 1,5 cm.

Peluruhan beta biasanya disertai dengan emisi sinar gamma. Alasan kemunculannya sama seperti dalam kasus peluruhan alfa: inti anak muncul tidak hanya dalam keadaan dasar (stabil), tetapi juga dalam keadaan tereksitasi. Kemudian beralih ke keadaan energi yang lebih rendah, inti memancarkan foton gamma.

Selama penangkapan elektron, salah satu proton inti diubah menjadi neutron:

1 hal 1+ − 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .

Dengan transformasi ini, salah satu elektron yang paling dekat dengan inti (elektron lapisan K atom) menghilang. Sebuah proton, berubah menjadi neutron, “menangkap” sebuah elektron. Dari sinilah istilah “penangkapan elektronik” berasal. Fitur

Jenis peluruhan β ini adalah emisi satu partikel dari inti - neutrino. Seperti apa rangkaian penangkapan elektroniknya

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

Penangkapan elektronik, berbeda dengan peluruhan β±, selalu disertai dengan karakter-

radiasi sinar-x bakteri. Yang terakhir terjadi ketika elektron yang lebih jauh dari inti berpindah ke tempat kosong yang muncul

lapisan K. Panjang gelombang sinar-X berkisar antara 10 − 7 hingga 10 − 11 m. Jadi, selama peluruhan beta, nomor massa inti kekal, dan nomor massanya

biayanya berubah satu per satu. Waktu paruh inti radioaktif beta

terletak dalam rentang waktu yang luas dari 10 − 2 s hingga 2 1015 tahun.

Hingga saat ini, sekitar 900 isotop radioaktif beta telah diketahui. Dari jumlah tersebut, hanya sekitar 20 yang alami, sisanya diperoleh secara buatan. Sebagian besar pengalaman isotop ini

β− -peluruhan, yaitu dengan emisi elektron.

Semua jenis peluruhan radioaktif disertai dengan radiasi gamma. Sinar gamma adalah radiasi elektromagnetik gelombang pendek, yang bukan merupakan jenis radioaktivitas independen. Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa sinar gamma dipancarkan oleh inti anak selama transisi nuklir dari keadaan energi tereksitasi ke keadaan energi dasar atau keadaan kurang tereksitasi. Energi sinar gamma sama dengan selisih antara energi tingkat energi awal dan akhir inti. Panjang gelombang sinar gamma tidak melebihi 0,2 nanometer.

Proses radiasi gamma bukanlah jenis radioaktivitas yang berdiri sendiri, karena terjadi tanpa mengubah Z dan Am inti.

Pertanyaan kontrol:

1. Apa yang dimaksud dengan bilangan massa dan muatan dalam tabel periodik Mendeleev?

2. Konsep “isotop” dan “isobar”. Apa perbedaan antara istilah-istilah ini?

3. Gaya nuklir inti dan ciri-ciri terpentingnya.

4. Mengapa massa inti lebih kecil dari jumlah massa nuklida penyusunnya?

5. Zat apa yang disebut radioaktif?

6. Apa yang mencirikan dan menunjukkan konstanta peluruhan radioaktif?

7. Tentukan waktu paruh suatu zat.

8. Sebutkan satuan pengukuran volumetrik, permukaan, dan aktivitas spesifik.

9. Jenis utama radiasi inti radioaktif dan parameternya.

Geser11

Peluruhan alfa adalah emisi partikel alfa (inti helium) oleh inti atom dalam keadaan dasar (tidak tereksitasi).

Ciri-ciri utama waktu paruh T 1/2, energi kinetik T α dan jarak tempuh dalam hal ini R α partikel α dalam materi.

Sifat dasar peluruhan alfa

1. Peluruhan alfa hanya terjadi pada inti atom berat. Sekitar 300 inti radioaktif α diketahui

2. Waktu paruh inti aktif α terletak pada rentang yang sangat jauh dari

10 17 tahun ()

dan ditentukan hukum Geiger-Nettall

. (1.32)

misalnya untuk konstanta Z=84 A= 128,8 dan B = - 50,15, T α– energi kinetik partikel α dalam saya

3. Energi partikel α inti radioaktif terkandung di dalamnya

(saya)

T α menit = 1,83 saya (), Tαmaks = 11,65 saya(isomer

4. Struktur halus spektrum inti radioaktif diamati. Spektrum ini terpisah. Pada Gambar 1.5. Diagram peluruhan inti plutonium ditunjukkan. Spektrum partikel α terdiri dari sejumlah garis monoenergi yang berhubungan dengan transisi ke berbagai tingkat inti anak.

6. Jarak tempuh partikel α di udara dalam kondisi normal

R α (cm) = 0,31 T α 3/2 saya jam 4< T α <7 saya) (1.33)

7. Skema umum reaksi peluruhan α

dimana inti induk adalah inti anak

Energi ikat partikel α dalam inti harus kurang dari nol agar peluruhan α dapat terjadi.

E St α =<0 (1.34)

Energi dilepaskan selama peluruhan α Eα terdiri dari energi kinetik partikel α Tα dan energi kinetik inti anak T i

E =| E St α | = T α +T saya (1,35)

Energi kinetik partikel α lebih dari 98% total energi peluruhan α

Jenis dan sifat peluruhan beta

Slide peluruhan beta 12

Peluruhan beta suatu inti adalah proses transformasi spontan inti yang tidak stabil menjadi inti isobar sebagai akibat dari emisi elektron (positron) atau penangkapan elektron. Sekitar 900 inti radioaktif beta diketahui.

Dalam peluruhan β elektronik, salah satu neutron inti berubah menjadi proton dengan emisi elektron dan antineutrino elektron.

peluruhan neutron bebas , T 1/2 =10,7 menit;

peluruhan tritium , T 1/2 = 12 bertahun-tahun .

Pada peluruhan positron β+ salah satu proton inti berubah menjadi neutron dengan emisi elektron bermuatan positif (positron) dan elektron neutrino

Kapan tangkapan elektronik elektronik inti menangkap elektron dari kulit elektron (biasanya kulit K) atomnya sendiri.

Energi β - -peluruhan terletak pada kisaran tersebut

()0,02 saya < Е β < 13,4 saya ().

Spektrum partikel β yang dipancarkan kontinu dari nol hingga nilai maksimum. Rumus perhitungan energi maksimum peluruhan beta:

, (1.42)

, (1.43)

. (1.44)

dimana adalah massa inti induk, adalah massa inti anak. Saya–massa elektron.

Setengah hidup T 1/2 dikaitkan dengan probabilitas hubungan peluruhan beta

Kemungkinan peluruhan beta sangat bergantung pada energi peluruhan beta ( ~ Eβ jam 5 Eβ >> saya dan c 2) oleh karena itu waktu paruhnya T 1/2 sangat bervariasi

10 -2 detik< T 1/2< 2 10 15 лет

Peluruhan beta terjadi akibat interaksi lemah, salah satu interaksi mendasar.

Keluarga radioaktif (seri) Slide 13

Hukum perpindahan inti selama peluruhan α ( SEBUAH→SEBUAH – 4 ; Z→Z- 2) selama peluruhan β ( SEBUAH→SEBUAH; Z→Z+1).Sejak nomor massa A selama peluruhan α berubah menjadi 4, dan selama peluruhan β A tidak berubah, maka anggota keluarga radioaktif yang berbeda tidak “bingung” satu sama lain. Mereka membentuk rangkaian radioaktif terpisah (rantai inti), yang diakhiri dengan isotop stabilnya.

Jumlah massa anggota setiap keluarga radioaktif dicirikan oleh rumus tersebut

a=0 untuk keluarga thorium, A=1 untuk keluarga neptunia, A=2 untuk keluarga uranium, A=3 untuk keluarga aktinouranium. N- bilangan bulat. lihat tabel 1.2

Tabel 1.2

Dari perbandingan waktu paruh nenek moyang keluarga dengan umur geologis bumi (4,5 miliar tahun), terlihat bahwa hampir seluruh thorium-232 terawetkan dalam substansi bumi, uranium-238 terurai menjadi sekitar setengahnya, sebagian besar uranium-235, dan hampir seluruhnya neptunium-237.

Waktu paruh inti radioaktif α yang diketahui sangat bervariasi. Jadi, isotop tungsten 182 W memiliki waktu paruh T 1/2 > 8,3·10 18 tahun, dan isotop protaktinium 219 Pa memiliki T 1/2 = 5,3·10 -8 s.

Beras. 2.1. Ketergantungan waktu paruh suatu unsur radioaktif pada energi kinetik partikel α suatu unsur radioaktif alami. Garis putus-putus adalah hukum Geiger-Nattall.

Untuk isotop genap genap, ketergantungan waktu paruh pada energi peluruhan α Q α dijelaskan secara empiris hukum Geiger-Nettall

di mana Z adalah muatan inti akhir, waktu paruh T 1/2 dinyatakan dalam detik, dan energi partikel E dalam MeV. Pada Gambar. Gambar 2.1 menunjukkan nilai percobaan waktu paruh isotop genap-radioaktif α (Z bervariasi dari 74 hingga 106) dan deskripsinya menggunakan relasi (2.3).
Untuk inti ganjil-genap, genap-ganjil, dan ganjil-ganjil kecenderungan umum ketergantungan
log T 1/2 dari Q α dipertahankan, tetapi waktu paruhnya 2–100 kali lebih lama dibandingkan inti genap genap dengan Z dan Q α yang sama.
Agar peluruhan α dapat terjadi, massa inti awal M(A,Z) harus lebih besar dari jumlah massa inti akhir M(A-4, Z-2) dan partikel α M :

dimana Q α = c 2 adalah energi peluruhan α.
Sejak M α<< M(A-4, Z-2), bagian utama energi peluruhan α dibawa oleh α ‑ partikel dan hanya ≈ 2% - inti akhir (A-4, Z-2).
Spektrum energi partikel α dari banyak unsur radioaktif terdiri dari beberapa garis (struktur halus spektrum α). Alasan munculnya struktur halus spektrum adalah peluruhan inti awal (A,Z) menjadi keadaan tereksitasi inti (A-4, Z-2). Dengan mengukur spektrum partikel alfa seseorang dapat memperoleh informasi tentang sifat keadaan tereksitasi
inti (A-4, Z-2).
Untuk menentukan kisaran nilai inti A dan Z yang memungkinkan terjadinya peluruhan α, digunakan data eksperimen tentang energi ikat inti. Ketergantungan energi peluruhan α Q α pada nomor massa A ditunjukkan pada Gambar. 2.2.
Dari Gambar. 2.2 jelas bahwa peluruhan α menjadi mungkin secara energetik dimulai dari A ≈ 140. Di daerah A = 140–150 dan A ≈ 210, nilai Q α memiliki nilai maksimum yang berbeda, yang disebabkan oleh struktur cangkang inti. Nilai maksimum pada A = 140–150 dikaitkan dengan pengisian kulit neutron dengan bilangan ajaib N = A – Z = 82, dan maksimum pada A ≈ 210 dikaitkan dengan pengisian kulit proton pada Z = 82. Hal ini disebabkan oleh struktur cangkang inti atom sehingga daerah pertama (rare earth) dari inti aktif α dimulai dengan N = 82, dan inti radioaktif α berat menjadi sangat banyak mulai dari Z = 82.

Beras. 2.2. Ketergantungan energi peluruhan α pada nomor massa A.

Kisaran waktu paruh yang luas, serta besarnya nilai periode ini untuk banyak inti radioaktif α, dijelaskan oleh fakta bahwa partikel α tidak dapat “seketika” meninggalkan inti, meskipun faktanya hal ini bersifat energetik. baik. Untuk meninggalkan inti, partikel α harus mengatasi penghalang potensial - daerah di batas inti, yang terbentuk karena energi potensial tolakan elektrostatik partikel α dan inti akhir serta gaya tarik menarik antara nukleon. Dari sudut pandang fisika klasik, partikel alfa tidak dapat mengatasi penghalang potensial, karena ia tidak memiliki energi kinetik yang diperlukan untuk itu. Namun, mekanika kuantum memungkinkan adanya kemungkinan seperti itu − α ‑ partikel mempunyai peluang tertentu untuk melewati penghalang potensial dan meninggalkan inti. Fenomena mekanika kuantum ini disebut “efek terowongan” atau “tunneling”. Semakin besar tinggi dan lebar penghalang, semakin rendah kemungkinan terjadinya terowongan, dan waktu paruhnya pun semakin lama. Rentang waktu paruh yang luas
Pemancar α dijelaskan oleh kombinasi energi kinetik partikel α yang berbeda dan ketinggian penghalang potensial. Jika penghalang tidak ada, maka partikel alfa akan meninggalkan inti di belakang karakteristik inti
waktu ≈ 10 -21 – 10 -23 detik.
Model peluruhan α yang paling sederhana diusulkan pada tahun 1928 oleh G. Gamow dan, secara independen, oleh G. Gurney dan E. Condon. Dalam model ini, diasumsikan bahwa partikel α selalu ada di dalam inti. Saat partikel alfa berada di dalam inti, gaya tarik-menarik nuklir bekerja padanya. Jari-jari aksinya sebanding dengan jari-jari inti R. Kedalaman potensial nuklir adalah V 0. Di luar permukaan inti pada r > R potensialnya adalah potensial tolak Coulomb

V(r) = 2Ze 2 /r.

Beras. 2.3. Energi partikel α E α tergantung pada jumlah neutron N
di kernel asli. Garis menghubungkan isotop dari unsur kimia yang sama.

Diagram sederhana dari aksi gabungan potensial tarik-menarik nuklir dan potensial tolak-menolak Coulomb ditunjukkan pada Gambar 2.4. Untuk meninggalkan inti, partikel α dengan energi E α harus melewati penghalang potensial yang terdapat di daerah dari R ke R c . Probabilitas peluruhan α terutama ditentukan oleh probabilitas D partikel α melewati penghalang potensial

Dalam kerangka model ini, ketergantungan yang kuat dari probabilitas α dapat dijelaskan ‑ peluruhan dari energi partikel α.

Beras. 2.4. Energi potensial partikel α. Potensi penghalang.

Untuk menghitung konstanta peluruhan λ, perlu mengalikan koefisien lewatnya partikel α melalui penghalang potensial, pertama, dengan probabilitas w α bahwa partikel α terbentuk di dalam inti, dan kedua, dengan kemungkinan bahwa itu akan berada di batas inti. Jika partikel alfa dalam inti berjari-jari R mempunyai kecepatan v, maka partikel tersebut akan mendekati batas rata-rata ≈ v/2R kali per detik. Hasilnya, untuk konstanta peluruhan λ kita memperoleh relasinya

(2.6)

Kecepatan partikel α di dalam inti dapat diperkirakan berdasarkan energi kinetiknya E α + V 0 di dalam sumur potensial nuklir, yang menghasilkan v ≈ (0,1-0,2) s. Oleh karena itu, jika terdapat partikel alfa di dalam inti, kemungkinannya untuk melewati penghalang D<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
Kekasaran estimasi faktor pra-eksponensial tidak terlalu signifikan, karena konstanta peluruhan yang bergantung padanya jauh lebih kecil daripada eksponennya.
Dari rumus (2.6) dapat disimpulkan bahwa waktu paruh sangat bergantung pada jari-jari inti R, karena jari-jari R tidak hanya termasuk dalam faktor pra-eksponensial, tetapi juga dalam eksponen, sebagai batas integrasi. Oleh karena itu, dari data peluruhan α dimungkinkan untuk menentukan jari-jari inti atom. Jari-jari yang diperoleh dengan cara ini ternyata 20–30% lebih besar daripada jari-jari yang ditemukan dalam eksperimen hamburan elektron. Perbedaan ini disebabkan oleh fakta bahwa dalam percobaan dengan elektron cepat, jari-jari distribusi muatan listrik dalam inti diukur, dan dalam peluruhan α, jarak antara inti dan partikel α diukur, di mana gaya nuklir berhenti. bertindak.
Kehadiran konstanta Planck pada eksponen (2.6) menjelaskan ketergantungan yang kuat dari waktu paruh pada energi. Bahkan perubahan kecil dalam energi menyebabkan perubahan eksponen yang signifikan dan dengan demikian menyebabkan perubahan yang sangat tajam dalam waktu paruh. Oleh karena itu, energi partikel α yang dipancarkan sangat terbatas. Untuk inti atom yang berat, partikel α dengan energi di atas 9 MeV terbang keluar hampir seketika, dan dengan energi di bawah 4 MeV mereka tinggal di dalam inti begitu lama sehingga peluruhan α bahkan tidak dapat dideteksi. Untuk inti radioaktif α tanah jarang, kedua energinya dikurangi dengan mengurangi jari-jari inti dan tinggi penghalang potensial.
Pada Gambar. Gambar 2.5 menunjukkan ketergantungan energi peluruhan α isotop Hf (Z = 72) pada nomor massa A dalam rentang nomor massa A = 156–185. Tabel 2.1 menunjukkan energi peluruhan α, waktu paruh, dan saluran peluruhan utama isotop 156–185 Hf. Dapat dilihat bagaimana, dengan bertambahnya nomor massa A, energi peluruhan α menurun, yang menyebabkan penurunan kemungkinan peluruhan α dan peningkatan kemungkinan peluruhan β (Tabel 2.1). Isotop 174 Hf, sebagai isotop stabil (dalam campuran isotop alami adalah 0,16%), namun meluruh dengan waktu paruh T 1/2 = 2·10 15 tahun dengan emisi partikel α.

Beras. 2.5. Ketergantungan energi peluruhan α Q α dari isotop Hf (Z = 72)
dari nomor massa A.

Tabel 2.1

Ketergantungan energi peluruhan α Q α, waktu paruh T 1/2,
mode peluruhan isotop H f yang berbeda (Z = 72) tergantung pada nomor massa A

Isotop Hf dengan A = 176–180 merupakan isotop stabil. Isotop-isotop ini juga mempunyai energi peluruhan α positif. Namun, energi peluruhan α ~1,3–2,2 MeV terlalu rendah dan peluruhan α dari isotop-isotop ini tidak terdeteksi, meskipun kemungkinan peluruhan α bukan nol. Dengan bertambahnya nomor massa A > 180, peluruhan β menjadi saluran peluruhan yang dominan.
Selama peluruhan radioaktif, inti akhir mungkin tidak hanya berada dalam keadaan dasar, tetapi juga dalam salah satu keadaan tereksitasi. Namun, ketergantungan yang kuat dari kemungkinan peluruhan α pada energi partikel α mengarah pada fakta bahwa peluruhan ke tingkat tereksitasi dari inti akhir biasanya terjadi dengan intensitas yang sangat rendah, karena ketika inti akhir tereksitasi, inti akhir akan tereksitasi. energi partikel α berkurang. Oleh karena itu, hanya peluruhan ke tingkat rotasi dengan energi eksitasi yang relatif rendah yang dapat diamati secara eksperimental. Peluruhan ke tingkat tereksitasi dari inti akhir menyebabkan munculnya struktur halus dalam spektrum energi partikel α yang dipancarkan.
Faktor utama yang menentukan sifat peluruhan adalah lewatnya partikel melalui penghalang potensial. Faktor-faktor lain bermanifestasi relatif lemah, namun dalam beberapa kasus faktor-faktor tersebut memungkinkan diperolehnya informasi tambahan tentang struktur inti dan mekanisme peluruhan α inti. Salah satu faktor tersebut adalah munculnya penghalang sentrifugal mekanika kuantum. Jika partikel α dipancarkan dari inti (A,Z) yang mempunyai spin J i , dan terbentuklah inti berhingga
(A-4, Z-2) dalam keadaan spin J f, maka partikel α harus membawa momentum total J, ditentukan oleh relasi

Karena partikel α mempunyai putaran nol, momentum sudut totalnya J bertepatan dengan momentum sudut orbital l yang dibawa oleh partikel α

Akibatnya, penghalang sentrifugal mekanika kuantum muncul.

Perubahan bentuk penghalang potensial akibat energi sentrifugal tidak signifikan, terutama karena fakta bahwa energi sentrifugal berkurang seiring bertambahnya jarak jauh lebih cepat daripada energi Coulomb (1/r 2, dan bukan 1/r). Namun, karena perubahan ini dibagi dengan konstanta Planck dan masuk ke dalam eksponen, maka pada besarnya l, hal ini menyebabkan perubahan masa hidup inti.
Tabel 2.2 menunjukkan perhitungan permeabilitas penghalang sentrifugal B l untuk partikel α yang dipancarkan dengan momentum orbital l relatif terhadap permeabilitas penghalang sentrifugal B 0 untuk partikel α yang dipancarkan dengan momentum orbital l = 0 untuk inti dengan Z = 90, energi partikel α E α = 4,5 MeV. Dapat dilihat bahwa dengan peningkatan momentum orbital l yang dibawa oleh partikel , permeabilitas penghalang sentrifugal mekanika kuantum turun tajam.

Tabel 2.2

Permeabilitas relatif dari penghalang sentrifugal untukα -partikel,
berangkat dengan momentum orbital l
(Z = 90, E = 4,5 MeV)

Faktor yang lebih signifikan yang secara dramatis dapat mendistribusikan kembali kemungkinan berbagai cabang peluruhan α mungkin adalah perlunya restrukturisasi signifikan struktur internal inti selama emisi partikel α. Jika inti awal berbentuk bola, dan keadaan dasar inti akhir mengalami deformasi yang kuat, maka untuk berevolusi menjadi keadaan dasar inti akhir, inti awal harus mengatur ulang dirinya sendiri dalam proses memancarkan partikel alfa, yang sangat berubah. bentuknya. Perubahan bentuk inti seperti itu biasanya melibatkan sejumlah besar nukleon dan sistem dengan sedikit nukleon seperti α ‑ partikel yang meninggalkan inti mungkin tidak dapat menyediakannya. Artinya kemungkinan pembentukan inti akhir dalam keadaan dasar dapat diabaikan. Jika di antara keadaan tereksitasi inti akhir terdapat keadaan yang mendekati bola, maka inti awal dapat, tanpa penataan ulang yang signifikan, masuk ke dalamnya sebagai akibat dari α ‑ pembusukan Kemungkinan populasi pada tingkat seperti itu mungkin menjadi besar, jauh melebihi kemungkinan populasi di negara bagian yang letaknya lebih rendah, termasuk negara bagian dasar.
Dari diagram peluruhan α dari isotop 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra, ketergantungan yang kuat dari kemungkinan peluruhan α menjadi keadaan tereksitasi pada energi partikel α dan momentum orbital aku terbawa oleh partikel α terlihat.
Peluruhan α juga dapat terjadi dari keadaan tereksitasi inti atom. Sebagai contoh, Tabel 2.3 dan 2.4 menunjukkan mode peluruhan keadaan dasar dan isomer isotop 151 Ho dan 149 Tb.

Tabel 2.3

peluruhan α bumi dan keadaan isomer 151 Ho

Tabel 2.4

peluruhan α tanah dan keadaan isomer 149 Tb

Pada Gambar. Gambar 2.6 menunjukkan diagram energi peluruhan bumi dan keadaan isomer isotop 149 Tb dan 151 Ho.

Beras. 2.6 Diagram energi peluruhan bumi dan keadaan isomer isotop 149 Tb dan 151 Ho.

Peluruhan α dari keadaan isomer dari isotop 151 Ho (JP = (1/2) + , isomer E = 40 keV) lebih mungkin terjadi (80%) dibandingkan penangkapan elektronik pada keadaan isomer ini. Pada saat yang sama, kondisi dasar 151 Ho meluruh terutama akibat penangkapan elektronik (78%).
Pada isotop 149 Tb, peluruhan keadaan isomer (JP = (11/2) - , isomer E = 35,8 keV) sebagian besar terjadi sebagai akibat dari penangkapan elektronik. Ciri-ciri peluruhan bumi dan keadaan isomer yang diamati dijelaskan oleh besarnya energi peluruhan α dan penangkapan e serta momentum sudut orbital yang terbawa oleh partikel α atau neutrino.

Kondisi pembusukan. Peluruhan alfa merupakan karakteristik inti berat yang mengalami pertumbuhan A penurunan energi ikat per nukleon diamati. Di wilayah nomor massa ini, penurunan jumlah nukleon dalam inti menyebabkan terbentuknya inti yang terikat lebih erat. Pada saat yang sama, perolehan energi menurun A satu jauh lebih kecil daripada energi ikat satu nukleon di dalam inti; oleh karena itu, pelepasan proton atau neutron, yang memiliki energi ikat sama dengan nol di luar inti, tidak mungkin terjadi. Emisi inti 4 Ne ternyata menguntungkan secara energetik, karena energi ikat spesifik suatu nukleon dalam inti tertentu adalah sekitar 7,1 MeV. Peluruhan alfa dimungkinkan jika energi ikat total inti produk dan partikel alfa lebih besar daripada energi ikat inti asal. Atau dalam satuan massa:

M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + M α (3.12)

Peningkatan energi ikat nukleon berarti penurunan energi diam sebesar jumlah energi yang dilepaskan selama peluruhan alfa E α. Oleh karena itu, jika kita membayangkan partikel alfa secara keseluruhan di dalam inti produk, maka partikel tersebut harus menempati tingkat energi positif yang sama dengan E α(Gbr. 3.5).

Beras. 3.5. Diagram tingkat energi partikel alfa dalam inti berat

Ketika partikel alfa meninggalkan inti, energi ini dilepaskan dalam bentuk bebas, sebagai energi kinetik produk peluruhan: partikel alfa dan inti baru. Energi kinetik didistribusikan antara produk peluruhan ini berbanding terbalik dengan massanya dan, karena massa partikel alfa jauh lebih kecil daripada massa inti yang baru terbentuk, hampir seluruh energi peluruhan terbawa oleh partikel alfa. ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, dengan sangat akurat E α adalah energi kinetik partikel alfa setelah peluruhan.

Pada saat yang sama, pelepasan energi dicegah oleh penghalang potensial Coulomb Inggris(lihat Gambar 3.5), kemungkinan lewatnya partikel alfa kecil dan menurun dengan sangat cepat seiring menurunnya E α. Oleh karena itu, relasi (3.12) bukanlah kondisi yang cukup untuk peluruhan alfa.

Ketinggian penghalang Coulomb untuk partikel bermuatan yang menembus ke dalam atau keluar inti meningkat sebanding dengan muatannya. Oleh karena itu, penghalang Coulomb merupakan hambatan yang lebih besar lagi terhadap lepasnya inti ringan lain yang terikat erat dari inti berat, seperti 12C atau 16 HAI. Energi ikat rata-rata suatu nukleon dalam inti ini bahkan lebih tinggi daripada di dalam inti 4 Tidak, sehubungan dengan ini, dalam beberapa kasus, emisi inti 16 HAI alih-alih memancarkan empat partikel alfa secara berurutan, hal ini akan lebih menguntungkan secara energi. Dalam hal ini, emisi inti lebih berat dibandingkan inti 4 Tidak, tidak terlihat.

Penjelasan tentang keruntuhan. Mekanisme peluruhan alfa dijelaskan oleh mekanika kuantum, karena dalam kerangka fisika klasik proses ini tidak mungkin dilakukan. Hanya partikel dengan sifat gelombang yang dapat muncul di luar sumur potensial bila E α . Selain itu, ternyata hanya penghalang potensial dengan lebar tak terhingga, dengan probabilitas sama dengan satu, yang membatasi keberadaan partikel di dalam sumur potensial. Jika lebar penghalang itu terbatas, maka kemungkinan untuk melampaui penghalang potensial pada dasarnya selalu berbeda dari nol. Benar, kemungkinan ini berkurang dengan cepat seiring bertambahnya lebar dan tinggi penghalang. Peralatan mekanika kuantum menghasilkan ekspresi berikut untuk transparansi atau probabilitas penghalang ω agar suatu partikel berada di luar penghalang potensial ketika bertabrakan dengan dindingnya: