Atom çekirdeğinin fiziğinin unsurları ve temel parçacıklar. Beta parçacıklarının nüfuz etme gücü

2.3 Desenlerα - Veβ -çürümek

AktiviteAçekirdekRadyoaktif bir kaynakta, bir numunenin çekirdeğinde 1 saniyede meydana gelen bozunma sayısına şu ad verilir:

Etkinlik ünitesi — bekerel (Bq): 1Bq - 1 saniyede bir bozunma olayının meydana geldiği bir nüklidin aktivitesi.Sistem dışı faaliyet birimiradyoaktif bir kaynaktaki nüklid -Curie (Ku): 1 Ku=3,7·1010 Bk.

Alfa bozunması. Alfa bozunması, proton Z ve nötron N sayısına sahip bir atom çekirdeğinin, proton Z – 2 ve nötron N – 2 sayısını içeren başka bir (yardımcı) çekirdeğe kendiliğinden dönüşümüdür. Bu durumda, bir alfa parçacığı yayılır - helyum atomunun çekirdeği. Böyle bir sürecin bir örneği, radyumun α bozunmasıdır:

Radyum atomlarının çekirdekleri tarafından yayılan alfa parçacıkları, Rutherford tarafından ağır elementlerin çekirdekleri tarafından saçılma deneylerinde kullanıldı. Radyum çekirdeklerinin a bozunması sırasında yayılan a parçacıklarının hızı, manyetik alandaki yörüngenin eğriliğinden ölçülen, yaklaşık olarak 1,5 10'a eşittir.7 m/s ve karşılık gelen kinetik enerji yaklaşık 7,5 10'dur–13 J (yaklaşık 4,8 MeV). Bu değer, ana ve kız çekirdek ile helyum çekirdeğinin kütlelerinin bilinen değerlerinden kolaylıkla belirlenebilir. Kaçan α parçacığının hızı çok büyük olmasına rağmen yine de ışık hızının yalnızca %5'idir, dolayısıyla hesaplama yaparken kinetik enerji için göreceli olmayan bir ifade kullanabilirsiniz.

Araştırmalar, radyoaktif bir maddenin çeşitli farklı enerjilere sahip alfa parçacıkları yayabildiğini göstermiştir. Bu, çekirdeklerin atomlar gibi farklı uyarılmış hallerde olabileceği gerçeğiyle açıklanmaktadır. Yavru çekirdek, α bozunması sırasında bu uyarılmış durumlardan birine girebilir. Bu çekirdeğin daha sonra temel duruma geçişi sırasında bir γ-kuantumu yayılır. İki kinetik enerji değerine sahip a parçacıklarının emisyonu ile radyumun a bozunmasının bir diyagramı Şekil 2.4'te gösterilmektedir.

Bu nedenle, çekirdeklerin α-bozunmasına çoğu durumda γ-radyasyonu eşlik eder.

α bozunması teorisinde çekirdek içerisinde iki proton ve iki nötrondan oluşan grupların yani bir α parçacığının oluşabileceği varsayılmaktadır. Ana çekirdek, potansiyel bir bariyerle sınırlanan α parçacıkları için bir potansiyel kuyusudur. Çekirdekteki α parçacığının enerjisi bu engeli aşmaya yeterli değildir (Şekil 2.5). Bir alfa parçacığının çekirdekten kaçması ancak tünel etkisi adı verilen kuantum mekaniksel bir olay nedeniyle mümkündür. Kuantum mekaniğine göre bir parçacığın potansiyel bir bariyerin altından geçme olasılığı sıfırdan farklıdır. Tünel açma olgusu doğası gereği olasılıksaldır.

Beta bozunması. Beta bozunması sırasında çekirdekten bir elektron çıkarılır. Elektronlar çekirdeğin içinde bulunamaz (bkz. § 1.2); beta bozunması sırasında bir nötronun protona dönüşmesi sonucu ortaya çıkarlar. Bu işlem yalnızca çekirdeğin içinde değil aynı zamanda serbest nötronlarda da gerçekleşebilir. Serbest bir nötronun ortalama ömrü yaklaşık 15 dakikadır. Bir nötron bozunduğundaprotona dönüşürve elektron

Ölçümler, bu süreçte enerjinin korunumu yasasının açıkça ihlal edildiğini göstermiştir, çünkü bir nötronun bozunmasından kaynaklanan proton ve elektronun toplam enerjisi, nötronun enerjisinden daha azdır. 1931'de W. Pauli, bir nötronun bozunması sırasında, sıfır kütle ve yüke sahip başka bir parçacığın serbest bırakıldığını ve bunun da enerjinin bir kısmını aldığını öne sürdü. Yeni parçacığın adınötrino(küçük nötron). Bir nötrinonun yükünün ve kütlesinin olmaması nedeniyle, bu parçacık maddenin atomlarıyla çok zayıf etkileşime girer, bu nedenle deneyde tespit edilmesi son derece zordur. Nötrinoların iyonlaşma yeteneği o kadar küçüktür ki, havada bir iyonizasyon olayı yaklaşık 500 km mesafede meydana gelir. Bu parçacık yalnızca 1953'te keşfedildi. Artık birkaç tür nötrino olduğu biliniyor. Bir nötronun bozunması sırasında elektron adı verilen bir parçacık yaratılır.antinötrino. Sembol ile gösterilirBu nedenle nötron bozunma reaksiyonu şu şekilde yazılmıştır:

β-bozunması sırasında çekirdeklerin içinde benzer bir süreç meydana gelir. Nükleer nötronlardan birinin bozunması sonucu oluşan bir elektron, “ebeveyn evinden” (çekirdekten) muazzam bir hızla, ışık hızından yalnızca yüzde bir oranında farklılık gösterebilen bir hızla dışarı atılır. β bozunması sırasında açığa çıkan enerjinin elektron, nötrino ve kardeş çekirdek arasındaki dağılımı rastgele olduğundan, β elektronları geniş bir değer aralığında farklı hızlara sahip olabilir.

β-bozunması sırasında Z yük numarası bir artar, ancak A kütle numarası değişmeden kalır. Kız çekirdeğin, periyodik tablodaki seri numarası orijinal çekirdeğin seri numarasından bir yüksek olan elementin izotoplarından birinin çekirdeği olduğu ortaya çıktı. β bozunmasının tipik bir örneği toryum izotonunun dönüşümüdür.uranyumun α bozunmasından kaynaklananpaladyuma

Elektronik β bozunumuyla birlikte, pozitron β bozunması adı verilen bozunum da keşfedildi+ -Çekirdekten pozitronun salındığı bozunmave nötrinolar. Pozitron, bir elektronun parçacık ikizidir ve ondan yalnızca yükünün işareti bakımından farklılık gösterir. Pozitronun varlığı, 1928'de seçkin fizikçi P. Dirac tarafından tahmin edildi. Birkaç yıl sonra, kozmik ışınlarda pozitron keşfedildi. Pozitronlar, bir protonun aşağıdaki şemaya göre nötrona dönüştürülmesi reaksiyonunun bir sonucu olarak ortaya çıkar:

Gama bozunması. α- ve β-radyoaktivitesinden farklı olarak, çekirdeklerin γ-radyoaktivitesi, çekirdeğin iç yapısındaki bir değişiklikle ilişkili değildir ve yük veya kütle sayılarında bir değişiklik eşlik etmez. Hem α hem de β bozunması sırasında, yavru çekirdek kendisini uyarılmış bir durumda bulabilir ve aşırı enerjiye sahip olabilir. Bir çekirdeğin uyarılmış durumdan temel duruma geçişine, enerjisi birkaç MeV'ye ulaşabilen bir veya daha fazla γ kuantanın emisyonu eşlik eder.

1.3. Radyoaktif çekirdeklerin alfa bozunmaları, beta bozunmaları ve gama emisyonları

Alfa bozunması, bir helyum atomunun çekirdeğini temsil eden alfa parçacıklarının radyoaktif bir çekirdek tarafından kendiliğinden emisyonudur. Çürüme şemaya göre ilerliyor

İÇİNDE (1.13) numaralı ifadede, X harfi bozunan (ana) çekirdeğin kimyasal sembolünü, Y harfi ise ortaya çıkan (yavru) çekirdeğin kimyasal sembolünü göstermektedir. Diyagram (1.13)'ten görülebileceği gibi, yavru çekirdeğin atom numarası iki, kütle numarası ise orijinal çekirdeğin atom numarasından dört birim eksiktir.

Alfa parçacığının pozitif yükü vardır. Alfa parçacıkları iki özelliği karakterize eder:

temel parametrelere göre: hareket uzunluğu (havada 9 cm'ye kadar, biyolojik dokuda 10-3 cm'ye kadar) ve 2...9 MeV aralığında kinetik enerji.

Alfa bozunması yalnızca Am>200 ve yük numarası Z>82 olan ağır çekirdeklerde görülür. Bu tür çekirdeklerin içinde iki proton ve iki nötrondan oluşan izole parçacıkların oluşumu meydana gelir. Bu nükleon grubunun ayrılması, nükleer kuvvetlerin doyması ile kolaylaştırılır, böylece oluşan alfa parçacığı, tek tek nükleonlardan daha az nükleer çekici kuvvete maruz kalır. Aynı zamanda, alfa parçacığı, çekirdeğin protonlarından gelen Coulomb itme kuvvetinin tek tek protonlara göre daha büyük etkisine maruz kalır. Bu, tek tek nükleonları değil, çekirdekten alfa parçacıklarının yayılmasını açıklar.

İÇİNDE Çoğu durumda, bir radyoaktif madde birden fazla grup yayar. benzer ancak farklı enerjilere sahip alfa parçacıkları; Grupların bir enerji spektrumu vardır. Bunun nedeni, bir yavru çekirdeğin yalnızca temel durumda değil, aynı zamanda farklı enerji seviyelerine sahip uyarılmış durumlarda da ortaya çıkabilmesidir.

Çoğu çekirdek için uyarılmış durumların ömrü,

10 - 8 ila 10 - 15 saniye arası işler. Bu süre zarfında, yavru çekirdek, önceki ve sonraki durumların enerjileri arasındaki farka eşit olan karşılık gelen enerjinin bir gama kuantumunu yayarak temel veya daha düşük uyarılmış duruma geçer. Uyarılmış bir çekirdek aynı zamanda herhangi bir parçacığı da yayabilir: proton, nötron, elektron veya alfa parçacığı. Ayrıca fazla enerjiyi çekirdeği çevreleyen iç katmandaki elektronlardan birine aktarabilir. Enerjinin çekirdekten K katmanının en yakın elektronuna aktarımı, bir gama kuantumu emisyonu olmadan gerçekleşir. Enerji alan elektron atomdan dışarı uçar. Bu işleme iç dönüşüm denir. Ortaya çıkan boş pozisyon, daha yüksek enerji seviyelerinden gelen elektronlarla doldurulur. Atomun iç katmanlarındaki elektronik geçişler, ayrı bir enerji spektrumuna sahip X-ışınlarının (karakteristik X-ışınları) emisyonuna yol açar. Toplamda yaklaşık 25 doğal ve yaklaşık 100 yapay alfa radyoaktif izotop bilinmektedir.

Beta bozunması üç tür nükleer dönüşümü birleştirir: elektronik (β−)

ve pozitron (β+) bozunumlarının yanı sıra elektron yakalama veya K yakalama. İlk iki dönüşüm türü, çekirdeğin bir elektron ve bir antinötrino (β− bozunması sırasında) veya bir pozitron ve nötrino (β+ bozunması sırasında) yayması gerçeğinden oluşur. Elek-

Atom çekirdeğinde tron ​​(pozitron) ve antinötrino (nötrino) mevcut değildir. Bu işlemler, çekirdekteki bir tür nükleonun diğerine (bir nötronun bir protona veya bir protonun bir nötrona) dönüştürülmesiyle gerçekleşir. Bu dönüşümlerin sonucu, şemaları şu şekilde olan β-bozunmalarıdır:

burada - 1 e0 ve + 1 e0 elektron ve pozitronun tanımıdır,

0 ν0 ve 0 ~ ν0 – nötrinoların ve antinötrinoların tanımı.

Negatif beta bozunması ile radyonüklidin yük sayısı bir artar, pozitif beta bozunması ile ise bir azalır.

Elektronik bozunma (β – bozunma) hem doğal hem de yapay radyonüklitlerde yaşanabilir. Çernobil kazası sonucu çevreye salınan çok sayıda çevresel açıdan en tehlikeli radyonüklitlerin karakteristik özelliği bu tür bir bozunmadır. Aralarında

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

Pozitron bozunması (β + – bozunumu) öncelikle yapay radyonüklitlerin karakteristiğidir.

Beta bozunması sırasında çekirdekten iki parçacık yayıldığından ve dağılım

aralarında toplam enerji istatistiksel olarak oluşur, daha sonra elektronların (pozitronların) enerji spektrumu sıfırdan beta spektrumunun üst sınırı olarak adlandırılan maksimum Emax değerine kadar süreklidir. Beta radyoaktif çekirdekler için Emax değeri 15 keV ile 15 MeV arasındaki enerji bölgesinde yer alır. Bir beta parçacığının havadaki yol uzunluğu 20 m'ye, biyolojik dokuda ise 1,5 cm'ye kadardır.

Beta bozunmasına genellikle gama ışınlarının emisyonu eşlik eder. Oluşmalarının nedeni alfa bozunması durumundakiyle aynıdır: yavru çekirdek yalnızca temel (kararlı) durumda değil, aynı zamanda uyarılmış durumda da görünür. Daha sonra daha düşük enerji durumuna geçen çekirdek, bir gama fotonu yayar.

Elektron yakalama sırasında çekirdeğin protonlarından biri nötrona dönüştürülür:

1 p 1+ - 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .

Bu dönüşümle çekirdeğe en yakın elektronlardan biri (atomun K katmanındaki elektron) kaybolur. Bir nötrona dönüşen proton bir elektronu “yakalar”. "Elektronik yakalama" terimi buradan geliyor. Özellik

Bu tür β bozunması çekirdekten bir parçacığın (nötrino) emisyonudur. Elektronik yakalama devresi şuna benzer:

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

Elektronik yakalama, β± bozunmalarının tersine, her zaman karakterlerle birlikte gerçekleşir.

bakteriyel x-ışını radyasyonu. İkincisi, çekirdekten daha uzaktaki bir elektronun, çekirdekte ortaya çıkan boş bir yere hareket etmesiyle meydana gelir.

K katmanı. X ışınlarının dalga boyu 10 − 7 ila 10 − 11 m aralığındadır.Böylece beta bozunması sırasında çekirdeğin kütle numarası korunur ve

ücret birer birer değişir. Beta radyoaktif çekirdeklerin yarı ömürleri

10 − 2 saniyeden 2 1015 yıla kadar geniş bir zaman aralığında yer alır.

Bugüne kadar yaklaşık 900 beta radyoaktif izotop bilinmektedir. Bunlardan sadece 20 kadarı doğal, geri kalanı ise yapay olarak elde ediliyor. Bu izotopların büyük çoğunluğunun deneyimi

β− - bozunması, yani elektronların emisyonu ile.

Her türlü radyoaktif bozunuma gama radyasyonu eşlik eder. Gama ışınları, bağımsız bir radyoaktivite türü olmayan kısa dalga elektromanyetik radyasyondur. Uyarılmış enerji durumlarından temel veya daha az uyarılmış duruma nükleer geçişler sırasında gama ışınlarının bir yavru çekirdek tarafından yayıldığı deneysel olarak tespit edilmiştir. Gama ışınlarının enerjisi, çekirdeğin başlangıç ​​ve son enerji seviyelerinin enerjileri arasındaki farka eşittir. Gama ışınlarının dalga boyu 0,2 nanometreyi geçmez.

Gama radyasyonu süreci, çekirdeğin Z ve Am'ini değiştirmeden gerçekleştiği için bağımsız bir radyoaktivite türü değildir.

Kontrol soruları:

1. Mendeleev'in periyodik tablosundaki kütle ve yük sayıları ne anlama geliyor?

2. “İzotoplar” ve “izobarlar” kavramı. Bu terimler arasındaki fark nedir?

3. Çekirdeğin nükleer kuvvetleri ve en önemli özellikleri.

4. Bir çekirdeğin kütlesi neden kendisini oluşturan nüklidlerin kütlelerinin toplamından daha azdır?

5. Hangi maddelere radyoaktif denir?

6. Radyoaktif bozunma sabitini karakterize eden ve gösteren nedir?

7. Bir maddenin yarı ömrünü tanımlayın.

8. Hacimsel, yüzeysel ve spesifik aktiviteye ilişkin ölçü birimlerini listeleyin.

9. Radyoaktif çekirdeklerden kaynaklanan ana radyasyon türleri ve parametreleri.

Slayt11

Alfa bozunması, temel (uyarılmamış) durumdaki bir atom çekirdeği tarafından alfa parçacıklarının (helyum çekirdekleri) emisyonudur.

Yarılanma ömrünün temel özellikleri T 1/2, kinetik enerji Ta ve kilometre açısından Ra Maddedeki α parçacıkları.

Alfa bozunmasının temel özellikleri

1. Alfa bozunması yalnızca ağır çekirdeklerde görülür. Yaklaşık 300 α-radyoaktif çekirdek bilinmektedir

2. α-aktif çekirdeklerin yarı ömrü,

10 17 yaşındayım ()

ve belirlendi Geiger-Nettall yasası

. (1.32)

örneğin Z=84 sabitleri için A= 128,8 ve B = - 50,15, Ta– α parçacığının kinetik enerjisi Mev

3. Radyoaktif çekirdeklerin α parçacıklarının enerjileri,

(Mev)

Ta dk = 1,83 Mev (), Tαmaks = 11,65 Mev(izomer

4. Radyoaktif çekirdeklerin α spektrumlarının ince yapısı gözlenir. Bu spektrumlar ayrık. Şekil 1.5'te. Bir plütonyum çekirdeğinin bozunmasının bir diyagramı gösterilmektedir. α parçacıklarının spektrumu, yavru çekirdeğin çeşitli seviyelerine geçişlere karşılık gelen bir dizi monoenerjetik çizgiden oluşur.

6. Normal koşullar altında α parçacıklarının havadaki kilometresi

Ra (cm) = 0,31 T α 3/2 Mev(4)'te< T α <7 Mev) (1.33)

7. α-bozunması reaksiyonunun genel şeması

anne çekirdeği nerede, kız çekirdeği nerede

α bozunmasının meydana gelmesi için çekirdekteki bir α parçacığının bağlanma enerjisinin sıfırdan küçük olması gerekir.

E Stα =<0 (1.34)

α-bozunması sırasında açığa çıkan enerji eα, α parçacığının kinetik enerjisinden oluşur Tα ve kardeş çekirdek T i'nin kinetik enerjisi

E α =| E St α | = Tα +T ben (1,35)

Bir α parçacığının kinetik enerjisi, α bozunmasının toplam enerjisinin %98'inden fazladır.

Beta bozunmasının türleri ve özellikleri

Beta bozunması slayt 12

Bir çekirdeğin beta bozunması, bir elektronun (pozitron) emisyonu veya bir elektronun yakalanması sonucu kararsız bir çekirdeğin kendiliğinden bir izobar çekirdeğine dönüşmesi sürecidir. Yaklaşık 900 beta radyoaktif çekirdek bilinmektedir.

Elektronik β bozunumunda çekirdeğin nötronlarından biri, bir elektron ve bir elektron antinötrinosunun emisyonu ile protona dönüşür.

serbest nötron bozunması , T 1/2 =10,7 dk.;

trityum bozunması , T 1/2 = 12 yıllar .

Şu tarihte: pozitron β+ bozunmasıÇekirdeğin protonlarından biri, pozitif yüklü bir elektron (pozitron) ve bir elektron nötrinosunun emisyonu ile bir nötrona dönüşür.

Ne zaman elektronik e-yakalamaçekirdek, kendi atomunun elektron kabuğundan (genellikle K kabuğundan) bir elektron yakalar.

β - - bozunma enerjisi şu aralıkta yer alır:

()0,02 Mev < Е β < 13,4 Mev ().

Yayılan β parçacıklarının spektrumu sürekli sıfırdan maksimum değere. Hesaplama formülleri beta bozunumlarının maksimum enerjisi:

, (1.42)

, (1.43)

. (1.44)

nerede ana çekirdeğin kütlesi, yavru çekirdeğin kütlesidir. Ben–elektron kütlesi.

Yarı ömür 1/2 olasılık ile ilişkili beta bozunma ilişkisi

Beta bozunma olasılığı büyük ölçüde beta bozunma enerjisine bağlıdır ( ~ E β 5'te E β >> m ve c 2) dolayısıyla yarı ömür 1/2 geniş ölçüde değişir

10 -2 saniye< 1/2< 2 10 15 лет

Beta bozunması, temel etkileşimlerden biri olan zayıf etkileşimin bir sonucu olarak ortaya çıkar.

Radyoaktif aileler (seri) Slayt 13

α-bozunması sırasında nükleer yer değiştirme yasaları ( A→A – 4 ; Z→Z- 2) β bozunması sırasında ( A→A; Z→Z+1). Kütle numarasından beri Aα bozunması sırasında 4'e değişir ve β bozunması sırasında A değişmezse, farklı radyoaktif ailelerin üyeleri birbirleriyle “karışmazlar”. Kararlı izotoplarıyla biten ayrı radyoaktif seriler (çekirdek zincirleri) oluştururlar.

Her radyoaktif ailenin üyelerinin kütle sayıları aşağıdaki formülle karakterize edilir:

toryum ailesi için a=0, A=1 Neptunia ailesi için, A=2 uranyum ailesi için, A Aktinouranyum ailesi için =3. N- Bir tam sayı. tabloya bakın 1.2

Tablo 1.2

Ailelerin atalarının yarı ömürleri ile Dünya'nın jeolojik ömrü (4,5 milyar yıl) karşılaştırıldığında, toryum-232'nin neredeyse tamamının Dünya'nın maddesinde korunduğu, uranyum-238'in bozunduğu açıktır. yaklaşık yarısı, çoğunlukla uranyum-235 ve neptunyum-237'nin neredeyse tamamı.

Bilinen α-radyoaktif çekirdeklerin yarı ömürleri büyük farklılıklar gösterir. Dolayısıyla, tungsten izotopu 182 W'nin yarı ömrü T 1/2 > 8,3·10 18 yıl, protaktinyum izotopu 219 Pa ise T 1/2 = 5,3·10 -8 s'dir.

Pirinç. 2.1. Radyoaktif bir elementin yarı ömrünün, doğal olarak radyoaktif bir elementin α parçacığının kinetik enerjisine bağımlılığı. Kesikli çizgi Geiger-Nattall yasasıdır.

Çift-çift izotoplar için yarı ömrün α-bozunma enerjisine Q α bağımlılığı ampirik olarak tanımlandı Geiger-Nettall yasası

burada Z son çekirdeğin yüküdür, yarı ömür T 1/2 saniye cinsinden ifade edilir ve a parçacığı E a'nın enerjisi MeV cinsindendir. İncirde. Şekil 2.1, α-radyoaktif çift-çift izotoplar için yarı ömürlerin deneysel değerlerini (Z 74 ila 106 arasında değişir) ve bunların (2.3) ilişkisini kullanarak açıklamalarını gösterir.
Tek-çift, çift-tek ve tek-tek çekirdekler için bağımlılığın genel eğilimi
Q α'nın log T 1/2'si korunur, ancak yarı ömürler aynı Z ve Q α'ya sahip çift-çift çekirdeklerden 2-100 kat daha uzundur.
α bozunmasının meydana gelebilmesi için, başlangıçtaki M(A,Z) çekirdeğinin kütlesinin, son çekirdek M(A-4, Z-2) ile α parçacığının kütlelerinin toplamından büyük olması gerekir. Ma:

burada Q α = c 2, α-bozunma enerjisidir.
M α'dan beri<< M(A-4, Z-2), α-bozunumu enerjisinin büyük kısmı α tarafından taşınır ‑ parçacık ve yalnızca ≈ %2 - son çekirdek (A-4, Z-2).
Birçok radyoaktif elementin α parçacıklarının enerji spektrumları birkaç çizgiden oluşur (α spektrumlarının ince yapısı). α spektrumunun ince yapısının ortaya çıkmasının nedeni, başlangıçtaki çekirdeğin (A,Z), çekirdeğin uyarılmış durumuna (A-4, Z-2) bozunmasıdır. Alfa parçacıklarının spektrumları ölçülerek uyarılmış durumların doğası hakkında bilgi elde edilebilir.
çekirdekler (A-4, Z-2).
A-bozunmasının enerjik olarak mümkün olduğu A ve Z çekirdeklerinin değer aralığını belirlemek için çekirdeklerin bağlanma enerjilerine ilişkin deneysel veriler kullanılır. α-bozunma enerjisi Q α'nın kütle numarası A'ya bağımlılığı Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.2.
Şek. Şekil 2.2'de α bozunmasının A ≈ 140'tan başlayarak enerjik olarak mümkün hale geldiği açıktır. A = 140–150 ve A ≈ 210 bölgelerinde, Q α'nın değeri, çekirdeğin kabuk yapısından kaynaklanan farklı maksimumlara sahiptir. A = 140–150'deki maksimum, nötron kabuğunun sihirli sayı N = A – Z = 82 ile doldurulması ile ilişkilidir ve A ≈ 210'daki maksimum, proton kabuğunun Z'de doldurulması ile ilişkilidir. = 82. Atom çekirdeğinin kabuk yapısından dolayı, α-aktif çekirdeklerin ilk (nadir toprak) bölgesinin N = 82 ile başlaması ve ağır α-radyoaktif çekirdeklerin özellikle Z = 82'den başlayarak çok sayıda hale gelmesidir.

Pirinç. 2.2. α bozunum enerjisinin A kütle numarasına bağımlılığı.

Birçok a-radyoaktif çekirdek için yarı ömürlerin geniş aralığı ve bu periyotların büyük değerleri, enerjisel olarak olmasına rağmen bir a parçacığının çekirdeği "anında" terk edememesiyle açıklanmaktadır. elverişli. Çekirdeği terk etmek için, α parçacığının potansiyel bariyeri (çekirdeğin sınırındaki bölge) aşması gerekir; bu bölge, α parçacığının ve son çekirdeğin elektrostatik itmesinin potansiyel enerjisi ve aralarındaki çekim kuvvetleri nedeniyle oluşur. nükleonlar. Klasik fizik açısından bakıldığında, bir alfa parçacığı bunun için gerekli kinetik enerjiye sahip olmadığı için potansiyel bir engeli aşamaz. Ancak kuantum mekaniği böyle bir olasılığa izin veriyor − α ‑ parçacığın potansiyel bariyeri geçip çekirdeği terk etme olasılığı bellidir. Bu kuantum mekaniği olgusuna "tünel etkisi" veya "tünel açma" adı verilir. Bariyerin yüksekliği ve genişliği ne kadar büyük olursa, tünel açma olasılığı o kadar düşük olur ve buna bağlı olarak yarı ömür de daha uzun olur. Geniş yarı ömür aralığı
α-yayıcılar, α-partiküllerinin kinetik enerjilerinin ve potansiyel bariyerlerin yüksekliklerinin farklı kombinasyonları ile açıklanmaktadır. Eğer bariyer olmasaydı, alfa parçacığı çekirdeği karakteristik nükleer bariyerin arkasında bırakacaktı.
süre ≈ 10 -21 – 10 -23 sn.
α-bozunmasının en basit modeli 1928'de G. Gamow ve bağımsız olarak G. Gurney ve E. Condon tarafından önerildi. Bu modelde α parçacığının çekirdekte sürekli olarak var olduğu varsayılmıştır. Alfa parçacığı çekirdekteyken ona nükleer çekim kuvvetleri etki eder. Eylemlerinin yarıçapı, R çekirdeğinin yarıçapı ile karşılaştırılabilir. Nükleer potansiyelin derinliği V 0 . Nükleer yüzeyin dışında r > R'deki potansiyel Coulomb itme potansiyelidir

V(r) = 2Ze 2 /r.

Pirinç. 2.3. Nötron sayısına bağlı olarak α parçacıkları E α'nın enerjileri
orijinal çekirdekte. Çizgiler aynı kimyasal elementin izotoplarını birbirine bağlar.

Nükleer çekici potansiyel ile Coulomb itme potansiyelinin birleşik etkisinin basitleştirilmiş bir diyagramı Şekil 2.4'te gösterilmektedir. Çekirdeği terk etmek için, E α enerjili bir α parçacığının R'den Rc'ye kadar olan bölgede bulunan potansiyel bir bariyerden geçmesi gerekir. α bozunması olasılığı esas olarak bir α parçacığının potansiyel bir bariyerden geçme olasılığı D ile belirlenir.

Bu model çerçevesinde α olasılığının güçlü bağımlılığını açıklamak mümkün olmuştur. ‑ α parçacığının enerjisinden bozunum.

Pirinç. 2.4. Bir α parçacığının potansiyel enerjisi. Potansiyel bariyer.

Bozunma sabiti λ'yi hesaplamak için, bir α parçacığının potansiyel bariyerden geçiş katsayısını, ilk olarak α parçacığının çekirdekte oluşma olasılığı w α ile çarpmak gerekir ve ikinci olarak, çekirdek sınırında olma olasılığı ile. R yarıçaplı bir çekirdekteki bir alfa parçacığının hızı v ise, bu durumda sınıra saniyede ortalama ≈ v/2R kez yaklaşacaktır. Sonuç olarak bozunum sabiti λ için şu ilişkiyi elde ederiz:

(2.6)

Çekirdekteki bir α parçacığının hızı, nükleer potansiyel kuyusu içindeki kinetik enerjisi E α + V 0'ya dayanarak tahmin edilebilir, bu da v ≈ (0,1-0,2) s'yi verir. Bundan zaten şu sonuç çıkıyor: eğer çekirdekte bir alfa parçacığı varsa, onun D bariyerinden geçme olasılığı<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
Üstel öncesi faktörün tahmininin pürüzlülüğü çok önemli değildir, çünkü bozunma sabiti, üsle kıyaslanamayacak kadar az buna bağlıdır.
Formül (2.6)'dan yarı ömrün büyük ölçüde R çekirdeğinin yarıçapına bağlı olduğu sonucu çıkar, çünkü R yarıçapı sadece üstel öncesi faktöre değil aynı zamanda entegrasyon sınırı olarak üste de dahildir. Bu nedenle, α-bozunumu verilerinden atom çekirdeğinin yarıçapını belirlemek mümkündür. Bu şekilde elde edilen yarıçapların, elektron saçılma deneylerinde bulunanlardan %20-30 daha büyük olduğu ortaya çıkar. Bu fark, hızlı elektronlarla yapılan deneylerde çekirdekteki elektrik yükü dağılımının yarıçapının ölçülmesi ve α-bozunmasında nükleer kuvvetlerin sona erdiği çekirdek ile α-parçacığı arasındaki mesafenin ölçülmesinden kaynaklanmaktadır. davranmak.
(2.6) üssünde Planck sabitinin varlığı, yarılanma ömrünün enerjiye olan güçlü bağımlılığını açıklamaktadır. Enerjideki küçük bir değişiklik bile üstelde önemli bir değişikliğe ve dolayısıyla yarılanma ömründe çok keskin bir değişikliğe yol açar. Bu nedenle yayılan α parçacıklarının enerjileri oldukça sınırlıdır. Ağır çekirdeklerde, enerjileri 9 MeV'nin üzerinde olan α-parçacıkları neredeyse anında uçup gider, 4 MeV'nin altındaki enerjilerde ise α-bozunumu fark edilemeyecek kadar uzun süre çekirdekte yaşarlar. Nadir toprak α-radyoaktif çekirdekleri için, çekirdeğin yarıçapı ve potansiyel bariyerin yüksekliği azaltılarak her iki enerji de azaltılır.
İncirde. Şekil 2.5, Hf izotoplarının (Z = 72) α-bozunma enerjisinin, A = 156-185 kütle numaraları aralığında A kütle numarasına bağımlılığını göstermektedir. Tablo 2.1 156-185 Hf izotoplarının α-bozunma enerjilerini, yarı ömürlerini ve ana bozunma kanallarını göstermektedir. A kütle numarası arttıkça α-bozunması enerjisinin nasıl azaldığı, bunun da α-bozunması olasılığında bir azalmaya ve β-bozunması olasılığında bir artışa yol açtığı görülebilir (Tablo 2.1). Kararlı bir izotop olan 174 Hf izotopu (izotopların doğal karışımında %0,16'dır), yine de bir a parçacığının emisyonu ile T 1/2 = 2·10 15 yıllık bir yarı ömürle bozunur.

Pirinç. 2.5. Hf izotoplarının α-bozunma enerjisi Q α'nın bağımlılığı (Z = 72)
A kütle numarasından

Tablo 2.1

α-bozunma enerjisinin bağımlılığı Q α, yarı ömür T 1/2,
Kütle numarasına bağlı olarak H f izotoplarının (Z = 72) farklı bozunma modları A

A = 176-180 olan Hf izotopları kararlı izotoplardır. Bu izotoplar ayrıca pozitif α bozunma enerjisine sahiptir. Bununla birlikte, α-bozunumu enerjisi ~1.3–2.2 MeV çok düşüktür ve α-bozunmasının sıfırdan farklı olasılığına rağmen bu izotopların α-bozunumu tespit edilememiştir. Kütle sayısının A > 180'e artmasıyla birlikte, β bozunumu baskın bozunma kanalı haline gelir.
Radyoaktif bozunumlar sırasında, son çekirdek yalnızca temel durumda değil, aynı zamanda uyarılmış durumlardan birinde de bulunabilir. Bununla birlikte, α-bozunması olasılığının α-parçacığının enerjisine güçlü bağımlılığı, son çekirdeğin uyarılmış seviyelerine bozunmaların genellikle çok düşük yoğunlukta meydana gelmesine neden olur, çünkü son çekirdek uyarıldığında, α parçacığının enerjisi azalır. Bu nedenle deneysel olarak yalnızca nispeten düşük uyarılma enerjilerine sahip dönme seviyelerine bozunmalar gözlemlenebilir. Son çekirdeğin uyarılmış seviyelerine bozunması, yayılan α parçacıklarının enerji spektrumunda ince bir yapının ortaya çıkmasına neden olur.
α bozunmasının özelliklerini belirleyen ana faktör, α parçacıklarının potansiyel bir bariyerden geçişidir. Diğer faktörler kendilerini nispeten zayıf bir şekilde gösterirler, ancak bazı durumlarda çekirdeğin yapısı ve çekirdeğin α-bozunma mekanizması hakkında ek bilgi elde etmeyi mümkün kılarlar. Bu faktörlerden biri kuantum mekaniksel merkezkaç bariyerinin ortaya çıkmasıdır. Ji spinine sahip bir çekirdekten (A,Z) bir α parçacığı yayınlanırsa ve sonlu bir çekirdek oluşursa
(A-4, Z-2) J f dönüşlü bir durumdaysa, o zaman α parçacığı, ilişkiyle belirlenen toplam J momentumunu taşımalıdır.

α parçacığı sıfır dönüşe sahip olduğundan, toplam açısal momentumu J, α parçacığı tarafından taşınan yörünge açısal momentumu l ile çakışır.

Sonuç olarak, kuantum mekaniksel bir merkezkaç bariyeri ortaya çıkar.

Merkezkaç enerjisinden dolayı potansiyel bariyerin şeklindeki değişiklik önemsizdir, bunun temel nedeni, merkezkaç enerjisinin mesafeyle birlikte Coulomb enerjisinden çok daha hızlı azalmasıdır (1/r olarak değil, 1/r 2 olarak). Ancak bu değişiklik Planck sabitine bölünüp üsse düştüğü için büyük l'de çekirdeğin ömründe bir değişikliğe yol açar.
Tablo 2.2, Z = 90 olan bir çekirdek için, yörünge momentumu l ile yayılan α parçacıkları için merkezkaç bariyeri B l'in hesaplanan geçirgenliğini, yörüngesel momentum l = 0 ile yayılan α parçacıkları için merkezkaç bariyeri B 0'ın geçirgenliğine göre gösterir. α-parçacık enerjisi E α = 4,5 MeV. α parçacığı tarafından taşınan yörüngesel momentum l'deki artışla birlikte, kuantum mekaniksel merkezkaç bariyerinin geçirgenliğinin keskin bir şekilde düştüğü görülebilir.

Tablo 2.2

Santrifüj bariyerinin bağıl geçirgenliğiα -partiküller,
yörüngesel momentum l ile yola çıkıyor
(Z = 90, Eα = 4,5 MeV)

α-bozunmasının çeşitli dallarının olasılıklarını önemli ölçüde yeniden dağıtabilen daha önemli bir faktör, bir α-parçacığının emisyonu sırasında çekirdeğin iç yapısının önemli ölçüde yeniden yapılandırılması ihtiyacı olabilir. Başlangıçtaki çekirdek küreselse ve son çekirdeğin temel durumu büyük ölçüde deforme olmuşsa, o zaman son çekirdeğin temel durumuna dönüşmek için, başlangıç ​​çekirdeğinin bir alfa parçacığı yayma sürecinde kendisini yeniden düzenlemesi gerekir; bu da büyük ölçüde değişir. şekli. Çekirdeğin şeklindeki böyle bir değişiklik genellikle çok sayıda nükleonu ve α gibi az sayıda nükleon içeren bir sistemi içerir. ‑ çekirdeği terk eden bir parçacık bunu sağlayamayabilir. Bu, son çekirdeğin temel durumda oluşma olasılığının ihmal edilebilir olacağı anlamına gelir. Son çekirdeğin uyarılmış durumları arasında küresele yakın bir durum varsa, o zaman ilk çekirdek, önemli bir yeniden düzenleme olmaksızın, α'nın bir sonucu olarak ona girebilir. ‑ Çürüme Böyle bir seviyedeki nüfusun olasılığı, temel durum da dahil olmak üzere daha alçakta bulunan eyaletlerin nüfus olasılığını önemli ölçüde aşarak büyük olabilir.
253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra izotoplarının α-bozunma diyagramlarından, α-parçacığının enerjisine ve tarafından taşınan yörüngesel momentuma l üzerinde uyarılmış durumlara α-bozunması olasılığının güçlü bağımlılıkları α parçacığı görülebilir.
α bozunması aynı zamanda atom çekirdeğinin uyarılmış durumlarından da meydana gelebilir. Örnek olarak Tablo 2.3 ve 2.4, 151 Ho ve 149 Tb izotoplarının temel ve izomer durumlarının bozunma modlarını göstermektedir.

Tablo 2.3

151 Ho'nun zemin ve izomerik durumlarının α bozunmaları

Tablo 2.4

149 Tb'nin zemin ve izomerik durumlarının α bozunmaları

İncirde. Şekil 2.6, temel bozunumunun enerji diyagramlarını ve 149 Tb ve 151 Ho izotoplarının izomerik durumlarını göstermektedir.

Pirinç. 2.6 Zeminin bozunumuna ve 149 Tb ve 151 Ho izotoplarının izomer durumlarına ilişkin enerji diyagramları.

151 Ho izotopunun (JP = (1/2) +, E izomeri = 40 keV) izomerik durumundan kaynaklanan α bozunması, bu izomerik duruma e-yakalamadan daha olasıdır (%80). Aynı zamanda, 151 Ho'nun temel durumu esas olarak e-yakalamanın (%78) bir sonucu olarak bozulmaktadır.
149 Tb izotopunda, e-yakalama sonucunda ezici durumda izomerik durumun bozulması (JP = (11/2) - , E izomer = 35,8 keV) meydana gelir. Zeminin bozunmasının ve izomerik durumların gözlemlenen özellikleri, α-bozunması ve e-yakalama enerjisinin büyüklüğü ve α-parçacığı veya nötrino tarafından taşınan yörünge açısal momentumu ile açıklanmaktadır.

Çürüme durumu. Alfa bozunması ağır çekirdeklerin karakteristiğidir; A nükleon başına bağlanma enerjisinde bir azalma gözlenir. Kütle sayılarının bu bölgesinde, çekirdekteki nükleon sayısının azalması, daha sıkı bağlı bir çekirdeğin oluşmasına yol açar. Aynı zamanda enerji kazancının azalmasıyla A Bir, çekirdekteki bir nükleonun bağlanma enerjisinden çok daha azdır, bu nedenle bağlanma enerjisi sıfıra eşit olan bir proton veya nötronun çekirdeğin dışına yayılması imkansızdır. Belirli bir çekirdekteki bir nükleonun spesifik bağlanma enerjisi yaklaşık 7,1 MeV olduğundan, 4 Ne çekirdeğinin emisyonunun enerji açısından olumlu olduğu ortaya çıkıyor. Ürün çekirdeğinin ve alfa parçacığının toplam bağlanma enerjisi, orijinal çekirdeğin bağlanma enerjisinden daha büyükse, alfa bozunması mümkündür. Veya kütle birimlerinde:

M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + M α (3.12)

Nükleonların bağlanma enerjisindeki bir artış, dinlenme enerjisinde tam olarak alfa bozunması sırasında salınan enerji miktarı kadar bir azalma anlamına gelir. E α. Bu nedenle alfa parçacığını bir bütün olarak çarpım çekirdeği içinde hayal edersek, pozitif enerjili bir seviyeyi işgal etmesi gerekir. E α(Şekil 3.5).

Pirinç. 3.5. Ağır bir çekirdekteki alfa parçacığının enerji seviyesinin diyagramı

Bir alfa parçacığı çekirdeği terk ettiğinde, bu enerji, bozunma ürünlerinin kinetik enerjisi olarak serbest biçimde serbest bırakılır: alfa parçacığı ve yeni çekirdek. Kinetik enerji bu bozunma ürünleri arasında kütleleriyle ters orantılı olarak dağıtılır ve alfa parçacığının kütlesi yeni oluşan çekirdeğin kütlesinden çok daha az olduğundan bozunma enerjisinin neredeyse tamamı alfa parçacığı tarafından taşınır. ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, büyük bir doğrulukla E α alfa parçacığının bozunma sonrası kinetik enerjisidir.

Aynı zamanda Coulomb potansiyel bariyeri sayesinde enerji salınımı engellenir. İngiltere(bkz. Şekil 3.5), bir alfa parçacığının geçiş olasılığı küçüktür ve azaldıkça çok hızlı bir şekilde düşer E α. Bu nedenle (3.12) bağıntısı alfa bozunumu için yeterli bir koşul değildir.

Çekirdeğe giren veya çekirdeği terk eden yüklü bir parçacık için Coulomb bariyerinin yüksekliği, yüküyle orantılı olarak artar. Bu nedenle Coulomb bariyeri, diğer sıkı bağlı hafif çekirdeklerin ağır bir çekirdekten kaçmasına karşı daha da büyük bir engel oluşturur. 12°C veya 16 Ç. Bu çekirdeklerdeki bir nükleonun ortalama bağlanma enerjisi, çekirdektekinden bile daha yüksektir. 4 Değil bununla bağlantılı olarak bazı durumlarda bir çekirdeğin yayılması 16 Ç Sırayla dört alfa parçacığı yaymak yerine enerji açısından daha uygun olurdu. Bu durumda çekirdekten daha ağır çekirdeklerin emisyonu 4 Değil, görünmüyor.

Çöküşün açıklaması. Alfa bozunmasının mekanizması kuantum mekaniği ile açıklanmaktadır çünkü klasik fizik çerçevesinde bu süreç imkansızdır. Potansiyel kuyusunun dışında yalnızca dalga özelliklerine sahip bir parçacık görünebilir. E α . Dahası, yalnızca bire eşit olasılığa sahip sonsuz genişliğe sahip bir potansiyel bariyerin, potansiyel kuyusu içindeki bir parçacığın varlığını sınırladığı ortaya çıktı. Eğer bariyerin genişliği sonluysa, potansiyel bariyerin ötesine geçme olasılığı temelde her zaman sıfırdan farklıdır. Doğru, bu olasılık bariyerin genişliği ve yüksekliği arttıkça hızla azalır. Kuantum mekaniği aparatı bariyer şeffaflığı veya olasılığı için aşağıdaki ifadeye yol açar ω Bir parçacığın duvarına çarptığında potansiyel bariyerin dışında olması için: