Повечето атомни ядра са нестабилни. Рано или късно те спонтанно (или, както казват физиците, спонтанно) се разпадат на по-малки ядра и елементарни частици, които обикновено се наричат продукти на разпаданеили дъщерни елементи.Разпадащите се частици обикновено се наричат изходни материалиили родители.Всички, които познаваме добре химически вещества(желязо, кислород, калций и др.) има поне един стабилен изотоп. ( Изотопиразновидностите се наричат химичен елементсъс същия брой протони в ядрото - този брой протони съответства на атомния номер на елемента - но различен брой неутрони.) Фактът, че тези вещества са ни добре познати, показва тяхната стабилност - това означава, че те живеят достатъчно дълго, за да се натрупат значителни количества природни условия, без да се разпада на компоненти. Но всеки от природните елементи също има нестабилни изотопи - техните ядра могат да бъдат получени в процеса на ядрени реакции, но те не живеят дълго, защото бързо се разпадат.
Ядрата на радиоактивни елементи или изотопи могат да се разпадат по три основни начина и съответните реакции на ядрено разпадане се наричат с първите три букви от гръцката азбука. При алфа разпадОтделя се атом на хелий, състоящ се от два протона и два неутрона - обикновено се нарича алфа частица. Тъй като алфа разпадът води до намаляване на броя на положително заредените протони в атома с две, ядрото, което е излъчило алфа частицата, се превръща в ядро на елемент, който е две позиции по-надолу от него в периодичната таблица. При бета разпадядрото излъчва електрон и елементът се премества на една позиция напредспоред периодичната таблица (в този случай по същество неутронът се превръща в протон с излъчването на същия този електрон). накрая гама разпад -Това разпадане на ядра с излъчване на високоенергийни фотони, които обикновено се наричат гама лъчи. В този случай ядрото губи енергия, но химичният елемент не се променя.
Обаче самият факт на нестабилност на един или друг изотоп на химичен елемент не означава, че като съберете заедно определен брой ядра на този изотоп, ще получите картина на тяхното мигновено разпадане. В действителност, разпадането на ядрото на радиоактивен елемент донякъде напомня процеса на пържене на царевица при приготвяне на пуканки: зърната (нуклони) падат от „кочана“ (ядрото) едно по едно, в напълно непредсказуем ред, докато всички паднат. Законът, описващ реакцията на радиоактивен разпад, всъщност само посочва този факт: за определен период от време радиоактивното ядро излъчва определен брой нуклони, пропорционален на броя на нуклоните, оставащи в неговия състав. Тоест, колкото повече зърна-нуклони все още остават в „недопеченото“ ядро на кочана, толкова повече от тях ще бъдат освободени по време на фиксиран интервал от време на „пържене“. Когато преведем тази метафора на езика на математическите формули, получаваме уравнение, описващо радиоактивния разпад:
д н = λNд T
къде Н-брой нуклони, излъчени от ядро с общ брой нуклони нвъв времето d T, А λ - експериментално установено константа на радиоактивностизпитвано вещество. Горната емпирична формула е линейно диференциално уравнение, чието решение е следната функция, която описва броя нуклони, оставащи в ядрото в даден момент T:
н = н 0 д - λt
Където н 0 е броят на нуклоните в ядрото в началния момент на наблюдение.
Следователно константата на радиоактивността определя колко бързо се разпада ядрото. Физиците експериментатори обаче обикновено измерват не него, а т.нар полуживотядро (т.е. периодът, през който изследваното ядро излъчва половината от съдържащите се в него нуклони). За различните изотопи на различни радиоактивни вещества периодите на полуразпад варират (в пълно съответствие с теоретичните прогнози) от милиардни части от секундата до милиарди години. Тоест, някои ядра живеят почти вечно, а някои се разпадат буквално мигновено (тук е важно да запомните, че след полуразпада остава половината от общата маса на първоначалното вещество, след два полуразпада - една четвърт от неговата маса , след три полуразпада - една осма и т.н. .d.).
Що се отнася до възникването на радиоактивните елементи, те се раждат по различни начини. По-специално, йоносферата (тънкият горен слой на атмосферата) на Земята е постоянно бомбардирана от космически лъчи, състоящи се от високоенергийни частици ( см.Елементарни частици). Под тяхно влияние дългоживеещите атоми се разделят на нестабилни изотопи: по-специално от стабилния азот-14 в земната атмосфера постоянно се образува нестабилният изотоп въглерод-14 с 6 протона и 8 неутрона в ядрото ( см.Радиометрично датиране).
Но горният случай е доста екзотичен. Много по-често се образуват радиоактивни елементи в реакционни веригиядрено делене . Това е името, дадено на поредица от събития, по време на които първоначалното („майчино“) ядро се разпада на две „дъщерни“ (също радиоактивни), които от своя страна се разпадат на четири „внучни“ ядра и т.н. Процесът продължава до докато се получат стабилни изотопи. Като пример, нека вземем изотопа уран-238 (92 протона + 146 неутрона) с период на полуразпад около 4,5 милиарда години. Този период, между другото, е приблизително равен на възрастта на нашата планета, което означава, че приблизително половината от уран-238 от състава на първичната материя на формирането на Земята все още се намира в съвкупността от елементи на земната природа. Уран-238 се превръща в торий-234 (90 протона + 144 неутрона), който има период на полуразпад от 24 дни. Торий-234 се превръща в паладий-234 (91 протона + 143 неутрона) с период на полуразпад 6 часа - и т.н. След повече от десет етапа на разпадане най-накрая се получава стабилният изотоп на олово-206.
Има много неща, които могат да се кажат за радиоактивното разпадане, но няколко точки заслужават специално споменаване. Първо, дори ако вземем чиста проба от всеки един радиоактивен изотоп като изходен материал, той ще се разпадне на различни компоненти и скоро неизбежно ще получим цял „букет“ от различни радиоактивни вещества с различна ядрена маса. Второ, естествените вериги от реакции на атомния разпад ни успокояват в смисъл, че радиоактивността е естествено явление, съществувало е много преди човека и няма нужда да го поемаме върху себе си и да обвиняваме само човешката цивилизация за факта, че има основа радиация на Земята. Уран-238 съществува на Земята от самото й създаване, разпада се, разпада се - и ще продължи да се разпада, а атомните електроцентрали ускоряват този процес всъщност с част от процента; така че те нямат някакво особено вредно въздействие върху вас и мен в допълнение към това, което е предвидено от природата.
И накрая, неизбежността на радиоактивния атомен разпад създава както потенциални проблеми, така и потенциални възможности за човечеството. По-специално, във веригата от реакции на разпадане на ядрата на уран-238 се образува радон-222 - благороден газ без цвят, мирис и вкус, който не влиза в никаква форма. химична реакциязащото не е в състояние да образува химични връзки. Това инертен газ,и буквално изтича от дълбините на нашата планета. Обикновено няма ефект върху нас - просто се разтваря във въздуха и остава там в лека концентрация, докато се разпадне на още по-леки елементи. Ако обаче този безвреден радон остане дълго време в непроветрено помещение, то с течение на времето там ще започнат да се натрупват неговите разпадни продукти - а те са вредни за човешкото здраве (при вдишване). Така се получава така нареченият „радонов проблем”.
От друга страна, радиоактивните свойства на химичните елементи носят значителни ползи за хората, ако подходим разумно към тях. Радиоактивният фосфор, по-специално, сега се инжектира, за да се получи рентгенографска картина на костни фрактури. Степента на неговата радиоактивност е минимална и не причинява вреда на здравето на пациента. Влизайки в костната тъкан на тялото заедно с обикновения фосфор, той излъчва достатъчно лъчи, за да ги запише на светлочувствителна апаратура и да направи снимки на счупена кост буквално отвътре. Съответно хирурзите имат възможност да оперират сложна фрактура не на сляпо и произволно, а чрез предварително изучаване на структурата на фрактурата с помощта на такива изображения. Като цяло, приложения радиографияима безброй много в науката, технологиите и медицината. И всички те работят на същия принцип: Химични свойстваатом (по същество свойствата на външния електронна обвивка) позволяват дадено вещество да бъде причислено към определена химична група; след това, използвайки химичните свойства на това вещество, атомът се доставя „на правилното място“, след което, използвайки свойството на ядрата на този елемент да се разпадат в строго съответствие с „графика“, установен от законите на физиката, продуктите на разпад се записват.
Е. Резенфорд, съвместно с английския радиохимик Ф. Соди, доказват, че радиоактивността е придружена от спонтанно превръщане на един химичен елемент в друг.
Освен това, в резултат на радиоактивното излъчване, ядрата на атомите на химичните елементи претърпяват промени.
ОЗНАЧЕНИЕ НА АТОМНОТО ЯДРО
ИЗОТОПИ
Сред радиоактивните елементи бяха открити елементи, които бяха химически неразличими, но различни по маса. Тези групи от елементи бяха наречени "изотопи" ("заемащи едно място в периодичната таблица"). Ядрата на атомите на изотопите на един и същи химичен елемент се различават по броя на неутроните.
Сега е установено, че всички химични елементи имат изотопи.
В природата всички химични елементи без изключение се състоят от смес от няколко изотопа, следователно в периодичната таблица атомни масиизразени в дробни числа.
Изотопите дори на нерадиоактивни елементи могат да бъдат радиоактивни.
АЛФА – РАЗГЛЕД
Алфа частица (ядро на хелиев атом)
- характеристика на радиоактивни елементи със сериен номер по-голям от 83
.- законът за запазване на масата и зарядовото число е задължително изпълнен.
- често придружени от гама лъчение.
Реакция на алфа разпад:
При алфа разпада на един химичен елемент се образува друг химичен елемент, който в периодичната таблица е разположен с 2 клетки по-близо до началото си от първоначалния
Физически смисъл на реакцията:
В резултат на излъчването на алфа частица ядреният заряд намалява с 2 елементарен заряди се образува нов химичен елемент.
Правило за отместване:
При бета-разпадането на един химичен елемент се образува друг елемент, който се намира в периодичната таблица в клетка след първоначалната (една клетка по-близо до края на таблицата).
БЕТА – РАЗГЛЕД
Бета частица (електрон).
- често придружени от гама лъчение.
- може да бъде придружено от образуването на антинеутрино (леки електрически неутрални частици с висока проникваща способност).
- законът за запазване на масата и зарядното число трябва да бъдат изпълнени.
Реакция на бета разпад:
Физически смисъл на реакцията:
Неутронът в ядрото на атома може да се превърне в протон, електрон и антинеутрино, в резултат на което ядрото излъчва електрон.
Правило за отместване:
ЗА ТЕЗИ, КОИТО ОЩЕ НЕ СА ИЗМОРЕНИ
Предлагам да напишете реакциите на разпад и да предадете работата.
(направете верига от трансформации)
1. Ядрото на кой химичен елемент е продукт на един алфа разпад
и два бета разпада на ядрото на даден елемент?
7.1. Феноменологично разглеждане.Алфа разпадането е спонтанен процес на трансформация на ядро ( А, З) до сърцевината ( А– 4, З– 2) с излъчване на ядро хелий-4 ( α -частици):
Съгласно условие (5.1), такъв процес е възможен, ако енергията на α-разпад
Изразявайки енергията на покой на ядрото чрез сумата от енергиите на покой на нуклоните и енергията на свързване на ядрото, пренаписваме неравенството (7.1) в следната форма:
Резултатът (7.2), който включва само енергиите на свързване на ядрата, се дължи на факта, че по време на α разпадане се запазва не само общият брой нуклони, но и броят на протоните и неутроните поотделно.
Нека разгледаме как се променя енергията на α-разпад E αпри промяна на масовото число А. Използвайки формулата на Weizsäcker за ядра, лежащи на теоретичната линия на стабилност, може да се получи зависимостта, представена на фиг. 7.1. Може да се види, че в рамките на капковия модел трябва да се наблюдава α разпадане за ядра с А> 155 и енергията на разпад ще нараства монотонно с увеличаване А.
Същата фигура показва истинската връзка E αот А, конструиран с помощта на експериментални данни за енергиите на свързване. Сравнявайки двете криви, можете да видите, че капковият модел предава само общата тенденция на промяна E α. Всъщност най-лекият радионуклид, който излъчва алфа частици, е 144 Nd, т.е. действителната област на α-радиоактивност е малко по-широка от предвидената от полуемпиричната формула. В допълнение, зависимостта на енергията на разпад от Ане е монотонна, а има максимуми и минимуми. Най-силно изразени максимуми се наблюдават в областите А= 140-150 (редкоземни елементи) и А= 210-220. Появата на максимуми се свързва с запълването на неутронните и протонните обвивки на дъщерното ядро до магическото число: н= 82 и З= 82. Както е известно, запълнените обвивки съответстват на аномално високи енергии на свързване. Тогава, според модела на нуклонните обвивки, енергията на α-разпадане на ядра с нили З, равно на 84 = 82 + 2, също ще бъде необичайно високо. Поради ефекта на черупката, областта на α-радиоактивност започва с Nd ( н= 84), и за по-голямата част от α-активните ядра З 84.
Увеличаване на броя на протоните в ядрото (при постоянен А) насърчава α-разпадането, тъй като увеличава относителната роля на кулоновото отблъскване, което дестабилизира ядрото. Следователно, енергията на α разпадане в серия от изобари ще се увеличи с увеличаване на броя на протоните. Увеличаването на броя на неутроните има обратен ефект.
За ядра, претоварени с протони, β + -разпадането или улавянето на електрони може да се превърнат в конкурентни процеси, т.е. процеси, водещи до намаляване З. За ядра с излишък от неутрони конкурентният процес е β – разпад. Започвайки от масово число А= 232, спонтанното делене се добавя към изброените типове разпад. Конкуриращите се процеси могат да възникнат толкова бързо, че не винаги е възможно да се наблюдава α-разпад на техния фон.
Нека сега разгледаме как енергията на разпада се разпределя между фрагментите, т.е. α-частица и дъщерно ядро, или ядро за откат. Очевидно е, че
, (7.3)
Където T α– кинетична енергия на α-частицата, T i.o.– кинетична енергия на дъщерното ядро (енергия на отката). Според закона за запазване на импулса (който е в състояние преди разпад равно на нула), получените частици получават импулси, равни на абсолютна стойности противоположни по знак:
Нека използваме фиг. 7.1, от което следва, че енергията на α-разпада (и следователно кинетичната енергия на всяка частица) не надвишава 10 MeV. Енергията на покой на една α частица е около 4 GeV, т.е. стотици пъти повече. Енергията на покой на дъщерното ядро е още по-голяма. В този случай, за да се установи връзката между кинетичната енергия и импулса, може да се използва връзката на класическата механика
Замествайки (7.5) в (7.3) получаваме
. (7.6)
От (7.6) следва, че основната част от енергията на разпада се отнася от най-лекия фрагмент - α-частицата. Да, кога А= 200 дъщерното ядро връща само 2% от E α.
Еднозначното разпределение на енергията на разпадане между два фрагмента води до факта, че всеки радионуклид излъчва алфа частици със строго определени енергии, или, с други думи, алфа спектрите са отделен. Благодарение на това радионуклидът може да бъде идентифициран чрез енергията на α-частиците: спектралните линии служат като вид „пръстов отпечатък“. Освен това, както показва експериментът, α-спектрите много често съдържат не една, а няколко линии с различен интензитет с еднакви енергии. В такива случаи говорим за фина структураα спектър (фиг. 7.2).
За да разберете произхода на ефекта на фината структура, не забравяйте, че енергията на α-разпада не е нищо повече от разликата между енергийните нива на майчиното и дъщерното ядро. Ако преходът се случи само от основното състояние на майчиното ядро към основното състояние на дъщерното ядро, α-спектрите на всички радионуклиди ще съдържат само една линия. Междувременно се оказва, че преходите от основното състояние на майчиното ядро могат да възникнат и във възбудени състояния.
Времето на полуразпад на α-емитерите варира в широки граници: от 10 – 7 секунди до 10 17 години. Напротив, енергията на излъчените α-частици е в тесен диапазон: 1-10 MeV. Връзка между константата на разпадане λ и енергия на α-частиците Tα е дадено Закон на Гайгер–Неттола, една от формите за запис на които е:
, (7.7)
Където СЪС 1 и СЪС 2 – константи, които се променят малко при преминаване от ядро към ядро. В този случай увеличаването на енергията на α-частиците с 1 MeV съответства на намаляване на времето на полуразпад с няколко порядъка.
7.2. Преминаване на α-частици през потенциална бариера.Преди появата квантова механикане е дадено теоретично обяснение за такава рязка зависимост λ от Tα. Нещо повече, самата възможност алфа частици да избягат от ядрото с енергии, значително по-ниски от височината на потенциалните бариери, за които е доказано, че обграждат ядрата, изглеждаше мистериозна. Например, експериментите за разсейване на α-частици от 212 Po с енергия 8,78 MeV върху уран показаха, че в близост до ядрото на урана няма отклонения от закона на Кулон; уранът обаче излъчва алфа частици с енергия само 4,2 MeV. Как тези α-частици проникват през бариера, чиято височина е поне 8,78 MeV, а в действителност дори по-висока?..
На фиг. 7.3 показва зависимостта на потенциалната енергия Uположително заредена частица от разстоянието до ядрото. В района r > Рмежду частицата и ядрото има само електростатични сили на отблъскване, в региона r < РПреобладават по-интензивни сили на ядрено привличане, които не позволяват на частицата да излезе от ядрото. Получена крива U(r) има рязък максимум в региона r ~ Р, Наречен Кулонова потенциална бариера. Височина на бариерата
, (7.8)
Където З 1 и З 2 – заряди на излъчената частица и дъщерното ядро, Р– радиус на ядрото, който в случай на α-разпад се приема равен на 1,57 А 1/3 fm. Лесно е да се изчисли, че за 238 U височината на кулоновата бариера ще бъде ~ 27 MeV.
Излъчването на α-частици (и други положително заредени нуклонни образувания) от ядрото се обяснява с квантовата механика тунелен ефект, т.е. способността на частица да се движи в класически забранена област между повратни точки, където T < U.
За да намерим вероятността положително заредена частица да премине през потенциална бариера на Кулон, първо разглеждаме правоъгълна бариера с ширина аи височини V, върху който пада частица с енергия д(фиг. 7.4). Извън бариерата в региони 1 и 3 уравнението на Шрьодингер изглежда така
,
и във вътрешната област 2 ас
.
Решението му е плоски вълни
.
Амплитуда А 1 съответства на падане на вълна върху бариерата, IN 1 – вълна, отразена от преградата, А 3 – вълна, преминала през бариерата (тъй като предаваната вълна вече не се отразява, амплитудата IN 3 = 0). Тъй като д < V,
величина р– чисто имагинерна и вълновата функция под бариерата
.
Вторият член във формула (7.9) съответства на експоненциално нарастваща вълнова функция и следователно нараства с увеличаване хвероятност за откриване на частица под бариерата. В тази връзка стойността IN 2 не може да бъде голям в сравнение с А 2. След това, поставяне IN 2 е просто равно на нула, имаме
. (7.10)
Коефициент на прозрачност Dбариера, т.е. вероятността за намиране на частица, която първоначално е била в регион 1 в регион 3, е просто съотношението на вероятностите за намиране на частицата в точки х = АИ х= 0. За това е достатъчно познаването на вълновата функция под бариерата. Като резултат
. (7.11)
Нека освен това си представим потенциална бариера с произволна форма като комплект нправоъгълни потенциални бариери с височина V(х) и ширина Δ х(фиг. 7.5). Вероятността една частица да премине през такава бариера е произведението на вероятностите да премине всички бариери една след друга, т.е.
Тогава, разглеждайки бариери с безкрайно малка ширина и преминавайки от сумиране към интегриране, получаваме
(7.12)
Граници на интеграцията х 1 и х 2 във формула (7.12) съответстват на класически повратни точки, при които V(х) = д, докато движението на частицата в регионите х < х 1 и х > х 2 се счита за безплатно.
Изчислението за потенциалната бариера на Кулон дсъгласно (7.12) може да се извърши точно. Това е направено за първи път от G.A. Гамов през 1928 г., т.е. още преди откриването на неутрона (Гамов смята, че ядрото се състои от алфа частици).
За α частица с кинетична енергия Tв потенциала на вида u/rизразът за коефициента на прозрачност на бариерата приема следващ изглед:
, (7.13)
и значението ρ се определя от равенството T = u/ρ . Интеграл в степента след заместване ξ = r 1/2 приема удобна за интегриране форма:
.
Последното дава
Ако височината на кулоновата бариера е значително по-голяма от енергията на α частицата, тогава ρ >> Р. В такъв случай
. (7.14)
Замествайки (7.14) в (7.13) и вземайки предвид това ρ = БР/T, получаваме
. (7.15)
В общия случай, когато височината на кулоновата бариера е сравнима с енергията на излъчената частица, коефициентът на прозрачност дсе дава по следната формула:
, (7.16)
където е намалената маса на две летящи частици (за α-частица е много близка до собствената й маса). Формула (7.16) дава стойността за 238 U д= 10 –39, т.е. вероятността за тунелиране на α-частици е изключително ниска.
За случая беше получен резултат (7.16). централно разпространениечастици, т.е. когато α-частица се излъчва от ядрото строго в радиална посока. Ако последното не се осъществи, тогава ъгловият момент, отнесен от α-частицата 
не е равно на нула. След това при изчисляване дкорекция, свързана с наличието на доп центробежна бариера:
, (7.17)
Където л= 1, 2, 3 и т.н.
Значение U c(Р) се нарича височина на центробежната бариера. Наличието на центробежна бариера води до увеличаване на интеграла в (7.12) и намаляване на коефициента на прозрачност. Ефектът на центробежната бариера обаче не е твърде голям. Първо, тъй като ротационната енергия на системата в момента на разширяване U c(Р) не може да надвишава енергията на α-разпад T, тогава най-често, а височината на центробежната бариера не надвишава 25% от кулоновата бариера. Второ, трябва да се има предвид, че центробежният потенциал (~1/ r 2) намалява много по-бързо с разстоянието от кулоновото (~1/ r). В резултат на това вероятността за излъчване на α-частица с л≠ 0 има практически същия порядък като за л = 0.
Възможни стойности лсе определят от правилата за избор на ъглов момент и паритет, които следват от съответните закони за запазване. Тъй като спинът на α частицата е нула и нейната четност е положителна, тогава
(индекси 1 и 2 се отнасят съответно за майчиното и дъщерното ядро). Използвайки правила (7.18), не е трудно да се установи например, че α-частици от 239 Pu (фиг. 7.2) с енергия 5.157 MeV се излъчват само по време на централно разширение, докато за α-частици с енергия 5.144 и 5.016 MeV л = 2.
7.3. скорост на α-разпадане.Вероятността за α-разпадане като сложно събитие е продукт на две величини: вероятността за образуване на α-частица вътре в ядрото и вероятността за напускане на ядрото. Процесът на образуване на α-частици е чисто ядрен; доста трудно е да се изчисли точно, тъй като има всички трудности на ядрен проблем. Въпреки това, за най-проста оценка, можем да приемем, че α-частиците в ядрото съществуват, както се казва, „в готова форма“. Позволявам v– скоростта на α-частицата вътре в ядрото. След това ще се появи на повърхността му нведнъж за единица време, където н = v/2Р. Нека приемем, че по ред на величината радиусът на ядрото Рравна на дължината на вълната на де Бройл на α частицата (виж Приложение B), т.е. , Където 
. По този начин, като се има предвид вероятността за разпадане като произведение на коефициента на прозрачност на бариерата и честотата на сблъсъци на α-частица с бариерата, имаме
. (7.19)
Ако коефициентът на прозрачност на бариерата удовлетворява съотношението (7.15), тогава след заместване и логаритъм (7.19) получаваме закона на Geiger-Nettall (7.7). Вземане на енергията на α частиците T << IN, можем приблизително да определим как зависят коефициентите на формула (7.7). АИ Зрадиоактивно ядро. Замествайки височината на кулоновата бариера (7.8) в (7.15) и като вземем предвид, че по време на α-разпадане З 1 = Z α= 2 и μ ≈ M α, ние имаме
,
Където З 2 – заряд на дъщерното ядро. След това, вземайки логаритъм (7.19), намираме това
,
.
По този начин, СЪС 1 зависи много слабо (логаритмично) от масата на ядрото и СЪС 2 зависи линейно от неговия заряд.
Съгласно (7.19), честотата на сблъсък на α частица с потенциална бариера е около 5·10 20 s –1 за повечето α-радиоактивни частици. Следователно стойността, която определя константата на α-разпадане, е коефициентът на прозрачност на бариерата, който силно зависи от енергията, тъй като последната е включена в експонентата. Това се дължи на тесния диапазон, в който енергиите на α-частиците на радиоактивните ядра могат да се променят: частици с енергия над 9 MeV излитат почти мигновено, докато при енергии под 4 MeV те живеят в ядрото толкова дълго, че α-разпадането много трудно се открива.
Както вече беше отбелязано, спектрите на α-лъчение често имат фина структура, т.е. енергията на излъчените частици приема не една, а цяла поредица от дискретни стойности. Появата на частици с по-ниска енергия в спектъра ( късо бягане) съответства на образуването на дъщерни ядра във възбудени състояния. По силата на закона (7.7) добивът на α-частици с малък пробег винаги е значително по-малък от добива на частици от основната група. Следователно фината структура на α спектрите се свързва, като правило, с преходи към ротационно възбудени нива на несферични ядра с ниска енергия на възбуждане.
Ако разпадането на майчиното ядро става не само от основно състояние, но и от възбудени състояния, се наблюдава голямо разстояниеα частици. Пример са α-частиците с голям обсег, излъчвани от ядрата на полониеви изотопи 212 Po и 214 Po. Така фината структура на α-спектрите в някои случаи носи информация за нивата не само на дъщерните, но и на майчините ядра.
Отчитайки факта, че α-частицата не съществува в ядрото, а се формира от съставните й нуклони (два протона и два неутрона), както и по-стриктно описание на движението на α-частицата вътре в ядрото , изискват по-подробно разглеждане на физическите процеси, протичащи в ядрото. В тази връзка не е изненадващо, че α-разпадите на ядрата се разделят на лекИ задържани лица. Разпадането се нарича улеснено, ако формула (7.19) е изпълнена доста добре. Ако действителният полуживот надвишава изчисления полуживот с повече от един порядък, такова разпадане се нарича забавено.
Улеснен α разпад се наблюдава, като правило, при четни ядра, а забавен разпад се наблюдава при всички останали. Така преходите на нечетното ядро 235 U в основното и първите възбудени състояния 231 Th се забавят почти хиляда пъти. Ако не беше това обстоятелство, този важен радионуклид (235 U) би бил толкова краткотраен, че не би оцелял в природата до днес.
Качествено забавеният α-разпад се обяснява с факта, че преходът към основното състояние по време на разпадането на ядро, съдържащо несдвоен нуклон (с най-ниска енергия на свързване), може да се случи само когато този нуклон стане част от α-частица, т.е. когато друга двойка нуклони се разпадне. Този начин за образуване на алфа частица е много по-труден от изграждането й от вече съществуващи двойки нуклони в четно-четни ядра. Поради тази причина може да има забавяне на прехода към основно състояние. Ако, от друга страна, една α частица все пак се образува от двойки нуклони, които вече съществуват в такова ядро, дъщерното ядро трябва да се окаже във възбудено състояние след разпадане. Последното разсъждение обяснява доста високата вероятност за преход към възбудени състояния за нечетни ядра (фиг. 7.2).
Структурата и свойствата на частиците и атомните ядра са изследвани от около сто години в разпадане и реакции.
Разпадът представлява спонтанната трансформация на всеки обект от физиката на микросвета (ядро или частица) в няколко продукта на разпадане:
Както разпадът, така и реакцията са предмет на редица закони за запазване, сред които трябва да се споменат следните закони, на първо място:
В бъдеще ще бъдат обсъдени други закони за запазване, действащи при разпадане и реакции. Изброените по-горе закони са най-важните и, което е особено важно, се извършват във всички видове взаимодействия.(Възможно е законът за запазване на барионния заряд да няма такава универсалност като законите за запазване 1-4, но неговото нарушение все още не е открито).
Процесите на взаимодействие между обектите на микросвета, които се отразяват в разпад и реакции, имат вероятностни характеристики.
Разпади
Спонтанното разпадане на всеки обект от физиката на микросвета (ядро или частица) е възможно, ако масата на покой на продуктите на разпада е по-малка от масата на първичната частица.
Характеризират се разпади вероятности за разпад
, или обратната вероятност на средно време на живот
τ = (1/λ). Често се използва и количеството, свързано с тези характеристики полуживот
Т 1/2.
Примери за спонтанни разпадания
 ;π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ; |
(2.4) | n → p + e − + e ; μ + → e + + μ + ν e ; |
(2.5) |
При разпадите (2.4) има две частици в крайно състояние. В разпаданията (2.5) има три.
Получаваме уравнението за разпадане на частици (или ядра). Намаляването на броя на частиците (или ядрата) за интервал от време е пропорционално на този интервал, броя на частиците (ядрата) в даден момент и вероятността от разпад:
Интегрирането (2.6), като се вземат предвид началните условия, дава връзката между броя на частиците в момент t и броя на същите частици в началния момент t = 0:
Времето на полуразпад е времето, през което броят на частиците (или ядрата) намалява наполовина:
Спонтанното разпадане на всеки обект от физиката на микросвета (ядро или частица) е възможно, ако масата на продуктите на разпада е по-малка от масата на първичната частица. Разпадането на два продукта и на три или повече се характеризира с различни енергийни спектри на продуктите на разпадане. При разпадане на две частици спектрите на разпадните продукти са дискретни. Ако има повече от две частици в крайното състояние, спектрите на продуктите са непрекъснати.
Разликата в масите на първичната частица и продуктите на разпадане се разпределя между продуктите на разпадане под формата на тяхната кинетична енергия.
Законите за запазване на енергията и импулса за разпадане трябва да бъдат записани в координатната система, свързана с разпадащата се частица (или ядро). За опростяване на формулите е удобно да се използва системата от единици = c = 1, в която енергията, масата и импулсът имат едно и също измерение (MeV). Закони за запазване на този разпад:
Оттук получаваме кинетичните енергии на продуктите на разпадане
Така, в случай на две частици в крайно състояние определят се кинетичните енергии на продуктите определено.Този резултат не зависи от това дали продуктите на разпадане имат релативистични или нерелативистични скорости. За релативистичния случай формулите за кинетичните енергии изглеждат малко по-сложни от (2.10), но решението на уравненията за енергията и импулса на две частици отново е уникално. Означава, че при разпадане на две частици спектрите на разпадните продукти са дискретни.
Ако в крайното състояние възникнат три (или повече) продукта, решаването на уравненията за законите за запазване на енергията и импулса не води до еднозначен резултат. Кога, ако има повече от две частици в крайното състояние, спектрите на продуктите са непрекъснати.(По-нататък, използвайки примера на -разпади, тази ситуация ще бъде разгледана подробно.)
При изчисляването на кинетичните енергии на продуктите от ядрения разпад е удобно да се използва фактът, че броят на нуклоните А се запазва. (Това е проявление закон за запазване на барионния заряд
, тъй като барионните заряди на всички нуклони са равни 1).
Нека приложим получените формули (2.11) към -разпадането на 226 Ra (първото разпадане в (2.4)).
Масова разлика между радия и неговите разпадни продукти
ΔM = M(226 Ra) - M(222 Rn) - M(4 He) = Δ(226 Ra) - Δ(222 Rn) - Δ(4 He) = (23,662 - 16,367 - 2,424) MeV = 4,87 MeV. (Тук използвахме таблици на излишните маси на неутрални атоми и връзката M = A + за маси и т.н. излишни маси
Δ)
Кинетичните енергии на ядрата на хелий и радон, получени в резултат на алфа-разпад, са равни на:
,
.
Общата кинетична енергия, освободена в резултат на алфа-разпадането, е по-малка от 5 MeV и е около 0,5% от масата на покой на нуклона. Съотношението на кинетичната енергия, освободена в резултат на разпадането, и енергиите на покой на частиците или ядрата - критерий за допустимост на използването на нерелативисткото приближение. В случай на алфа-разпадане на ядра, малката кинетична енергия в сравнение с енергията на покой ни позволява да се ограничим до нерелативистичното приближение във формули (2.9-2.11).
| Задача 2.3.Изчислете енергиите на частиците, получени при разпадането на мезона |
Разпадането на π + мезона става на две частици: π + μ + + ν μ. Масата на π + мезона е 139,6 MeV, масата на μ мюона е 105,7 MeV. Точната стойност на масата на мюонното неутрино ν μ все още не е известна, но е установено, че тя не надвишава 0,15 MeV. При приблизително изчисление можем да го зададем равно на 0, тъй като е с няколко порядъка по-ниско от разликата между масите на пиона и мюона. Тъй като разликата между масите на π + мезона и неговите разпадни продукти е 33,8 MeV, за неутрино е необходимо да се използват релативистични формули за връзката между енергия и импулс. При по-нататъшни изчисления ниската маса на неутриното може да бъде пренебрегната и неутриното може да се счита за ултрарелативистка частица. Закони за запазване на енергията и импулса при разпадането на π + мезона:
m π = m μ + T μ + E ν
|p ν | = | p μ | 
E ν = p ν 
Пример за двучастично разпадане е и излъчването на a -квант по време на прехода на възбудено ядро към по-ниско енергийно ниво.
Във всички анализирани по-горе разпадания на две частици продуктите на разпадане имат „точна“ енергийна стойност, т.е. дискретен спектър. По-задълбоченото разглеждане на този проблем обаче показва, че спектърът дори на продуктите от двучастичните разпади не е функция на енергията.
.
Спектърът на разпадните продукти има крайна ширина Γ, която е толкова по-голяма, колкото по-кратък е животът на разпадащото се ядро или частица.
(Тази връзка е една от формулировките на връзката на несигурност за енергия и време).
Примери за разпадане на три тела са -разпади.
Неутронът претърпява -разпад, превръщайки се в протон и два лептона - електрон и антинеутрино: np + e - + e.
Бета-разпадите се наблюдават и от самите лептони, например мюон (средната продължителност на живота на мюон
τ = 2,2 ·10 –6 сек):
.
Закони за запазване на мюонния разпад при максимален импулс на електрони:
За максималната кинетична енергия на мюонния разпаден електрон получаваме уравнението
|
Кинетичната енергия на електрона в този случай е с два порядъка по-висока от неговата маса на покой (0,511 MeV). Импулсът на релативисткия електрон практически съвпада с неговата кинетична енергия
p = (T 2 + 2mT) 1/2 = )
