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 от разпадили дъщерни елементи.Разлагащите се частици се наричат изходни материалиили родители.Всички знаем добре химични вещества(желязо, кислород, калций и др.) има поне един стабилен изотоп. ( изотописортовете 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 натрупват значително в количества природни условиябез да се разпада на компоненти. Но всеки от природните елементи има и нестабилни изотопи - техните ядра могат да бъдат получени в процеса на ядрени реакции, но те не живеят дълго, защото бързо се разпадат.
Разпадането на ядрата на радиоактивни елементи или изотопи може да се случи по три основни начина, като съответните реакции на ядрен разпад се наричат с първите три букви от гръцката азбука. В алфа разпадотделя се хелиев атом, 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 два, ядрото, което е излъчило алфа-частицата, се превръща в ядрото на елемента на две позиции под него в периодичната система на Менделеев. В бета разпадядрото излъчва електрон и елементът напредва с една позиция напредспоред периодичната таблица (в този случай по същество неутронът се превръща в протон с излъчването на самия този електрон). накрая, гама разпад -Това разпадането на ядрата с излъчване на високоенергийни фотони, които обикновено се наричат гама лъчи. В този случай ядрото губи енергия, но химическият елемент не се променя.
Въпреки това, самият факт на нестабилност на един или друг изотоп на химичен елемент изобщо не означава, че след като сте събрали определен брой ядра от този изотоп, ще получите картина на едновременния им разпад. В действителност разпадането на ядрото на радиоактивен елемент донякъде напомня процеса на пържене на царевица при производството на пуканки: зърната (нуклони) падат от „кочана“ (ядрото) едно по едно, в напълно непредвидим ред , докато всички паднат. Законът, описващ реакцията на радиоактивния разпад, всъщност посочва само този факт: за определен период от време радиоактивното ядро излъчва брой нуклони, пропорционален на броя на нуклоните, останали в неговия състав. Тоест, колкото повече зърна-нуклони все още остават в „недовареното“ ядро на кочана, толкова повече от тях ще бъдат освободени през фиксиран интервал от време за „пържене“. Когато преведем тази метафора на езика на математическите формули, получаваме уравнение, описващо радиоактивен разпад:
д н = λNд т
къде Н-броят на нуклоните, излъчени от ядрото с общия брой нуклони нвъв времето d т, а λ - експериментално определено радиоактивна константаизследваното вещество. Горната емпирична формула е линейно диференциално уравнение, чието решение е следната функция, която описва броя на нуклоните, оставащи в ядрото в момента т:
н = н 0e- λt
където н 0 е броят на нуклоните в ядрото в началния момент на наблюдение.
По този начин радиоактивната константа определя колко бързо се разпада ядрото. Експерименталните физици обаче обикновено измерват не него, а т.нар полуживотядро (тоест периодът, за който изследваното ядро излъчва половината от съдържащите се в него нуклони). За различни изотопи на различни радиоактивни вещества периодът на полуразпад варира (в пълно съответствие с теоретичните прогнози) от милиардни 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 половината от общата маса на първоначалното вещество остава, след два полуживота - една четвърт от масата му , след три полуживота - една осма и т. д.).
Що се отнася до появата на радиоактивни елементи, те се раждат по различни начини. По-специално, йоносферата (горният разреден слой на атмосферата) на Земята е постоянно бомбардирана от космически лъчи, състоящи се от частици с висока енергия ( см.Елементарни частици). Под тяхно влияние дългоживеещите атоми се разделят на нестабилни изотопи: по-специално, нестабилен изотоп на въглерод-14 с 6 протона и 8 неутрона в ядрото постоянно се образува от стабилен азот-14 в земната атмосфера ( 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 („родителско“) ядро се разпада на две „дъщерни“ (също радиоактивни), които от своя страна на четири „внукови“ ядра и т.н. Процесът продължава дотогава докато се получат стабилни изотопи. Като пример да вземем изотопа уран-238 (92 протона + 146 неутрона) с период на полуразпад от около 4,5 милиарда години. Този период, между другото, е приблизително равен на възрастта на нашата планета, което означава, че около половината от уран-238 от състава на първичната материя от образуването на Земята все още е в съвкупността от елементи на Земята природата. Уран-238 се превръща в торий-234 (90 протона + 144 неутрона), чийто полуживот е 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 разпад най-накрая се получава стабилен изотоп на олово-206.
За радиоактивния разпад може да се каже много, но трябва да се подчертаят няколко точки. Първо, дори ако вземем чиста проба от един радиоактивен изотоп като изходен материал, той ще се разпадне на различни компоненти и скоро неизбежно ще получим цял „куп“ различни радиоактивни вещества с различни ядрени маси. Второ, естествените вериги от реакции на атомния разпад ни успокояват в смисъл, че радиоактивността е естествено явление, съществувала е много преди човека и няма нужда да поемаме грях на душата и да обвиняваме само човешката цивилизация, че има радиационен фон на земята. Уран-238 съществува на Земята от самото начало, разлага се, разпада се – и ще се разпада, а атомните електроцентрали ускоряват този процес, всъщност, с част от процента; за да нямат някакво особено пагубно въздействие, освен това, което е предвидено от природата, върху теб и мен.
И накрая, неизбежността на радиоактивния атомен разпад представлява както потенциални предизвикателства, така и възможности за човечеството. По-специално, във веригата от реакции на разпадането на ядрата на уран-238 се образува радон-222 - благороден газ без цвят, мирис и вкус, който не влиза в никакви химична реакциятъй като не е в състояние да образува химически връзки. Това е инертен газ,и буквално изтича от недрата на нашата планета. Обикновено не оказва влияние върху нас – просто се разтваря във въздуха и остава там в малка концентрация, докато се разпадне на още по-леки елементи. Ако обаче този безвреден радон остане дълго време в непроветриво помещение, тогава с течение на времето продуктите от разпадането му ще започнат да се натрупват там - и те са вредни за човешкото здраве (при вдишване). Така получаваме така наречения "радонов проблем".
От друга страна, радиоактивните свойства на химичните елементи носят на хората значителни ползи, ако се подхожда разумно. По-специално, радиоактивният фосфор сега се инжектира, за да се получи рентгенографска картина на фрактури на костите. Степента на неговата радиоактивност е минимална и не вреди на здравето на пациента. Влизайки в костните тъкани на тялото заедно с обикновения фосфор, той излъчва достатъчно лъчи, за да ги фиксира върху фоточувствително оборудване и да снима счупена кост буквално отвътре. Съответно хирурзите получават възможност да оперират сложна фрактура не на сляпо и произволно, а след като предварително са проучили структурата на фрактурата от такива изображения. Като цяло приложенията рентгенографияв науката, технологиите и медицината е безброй. И всички те работят на същия принцип: Химични свойстваатом (всъщност свойствата на външното електронна обвивка) ви позволяват да причислите вещество към конкретна 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, се записват продукти на разпад.
Е. Резенфорд, заедно с английския радиохимик Ф. Соди, доказаха, 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.
ЯДРЕЕН ДИЗАЙН
ИЗОТОПИ
Сред радиоактивните елементи са открити елементи, които са химически неразличими, но различни по маса. Тези групи елементи бяха наречени "изотопи" ("заемащи едно място в периодичната таблица"). Ядрата на атомите на изотопи на един и същи химичен елемент се различават по броя на неутроните.
Сега е установено, че всички химични елементи имат изотопи.
В природата, без изключение, всички химически елементи се състоят от смес от няколко изотопа, следователно в периодичната таблица атомни масиизразени като дробни числа.
Изотопите на дори нерадиоактивни елементи могат да бъдат радиоактивни.
АЛФА - РАЗПАД
Алфа частица (ядро на хелиев атом)
- характеристика на радиоактивни елементи със сериен номер по-голям от 83
.- законът за запазване на масата и зарядното число е задължително изпълнен.
- често придружени от гама лъчение.
Реакция на алфа разпад:
По време на алфа разпада на един химичен елемент се образува друг химичен елемент, който в периодичната таблица се намира с 2 клетки по-близо до началото си от оригинала
Физическото значение на реакцията:
В резултат на бягството на алфа частица зарядът на ядрото намалява с 2 елементарни заряда и се образува нов химичен елемент.
Правило за изместване:
При бета разпада на един химичен елемент се образува друг елемент, който се намира в периодичната таблица в следващата клетка зад оригиналната (една клетка по-близо до края на таблицата).
БЕТА - РАЗПАД
Бета частица (електрон).
- често придружени от гама лъчение.
- може да бъде придружено от образуване на антинеутрино (леки електрически неутрални частици с висока проникваща способност).
- трябва да бъде изпълнен законът за запазване на масата и зарядното число.
Реакция на бета разпад:
Физическото значение на реакцията:
Неутрон в ядрото на атом може да се превърне в протон, електрон и антинеутрино, в резултат на което ядрото излъчва електрон.
Правило за изместване:
ЗА ТЕЗИ, КОИТО ОЩЕ НЕ СА Уморени
Предлагам да напиша реакциите на разпад и да предам работата.
(направете верига от трансформации)
1. Ядрото на кой химичен елемент е продукт на един алфа разпад
и два бета разпада на ядрото на дадения елемент?
7.1. Феноменологичен преглед.Алфа разпадът е спонтанен процес на трансформация на ядрото ( НО, З) в ядрото ( А– 4, З– 2) с излъчване на ядро на хелий-4 ( α -частици):
Съгласно условие (5.1) такъв процес е възможен, ако енергията на алфа-разпада
Изразявайки енергията на покой на ядрото чрез сумата от енергията на покой на нуклоните и енергията на свързване на ядрото, ние пренаписваме неравенството (7.1) в следния вид:
Резултатът (7.2), който включва само енергията на свързване на ядрата, се дължи на факта, че при алфа разпада се запазва не само общият брой на нуклоните, но и броят на протоните и неутроните поотделно.
Нека разгледаме как се променя енергията на α-разпада E αпри промяна на масовото число А. Използвайки формулата на Weizsäcker за ядра, лежащи на теоретичната линия на стабилност, може да се получи зависимостта, показана на фиг. 7.1. Вижда се, че в рамките на капковия модел трябва да се наблюдава α-разпад за ядра с А> 155, а енергията на разпада монотонно ще нараства с увеличаване А.
Същата фигура показва реалната зависимост E αот А, конструиран с помощта на експериментални данни за енергии на свързване. Сравнявайки двете криви, може да се види, че капковият модел предава само общата тенденция на промяна E α. Всъщност най-лекият радионуклид, излъчващ α-частици е 144 Nd, т.е. реалната област на α-радиоактивност е малко по-широка, отколкото предвижда полу-емпиричната формула. В допълнение, зависимостта на енергията на разпад от Ане е монотонен, но има максимуми и минимуми. Най-изразените максимуми се наблюдават в региона 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 черупки отговарят на аномално високи енергии на свързване. Тогава, според модела на нуклонната обвивка, енергията на α-разпада на ядрата с нили З, равно на 84 = 82 + 2, също ще бъде аномално високо. Поради ефекта на обвивката, областта на α-радиоактивност започва с Nd ( н= 84), докато по-голямата част от α-активните ядра З 84.
Увеличаване на броя на протоните в ядрото (при константа А) допринася за α-разпад, т.к увеличава относителната роля на кулоновото отблъскване, което дестабилизира ядрото. Следователно, енергията на α-разпада в серия от изобари ще се увеличава с увеличаване на броя на протоните. Увеличаването на броя на неутроните има обратен ефект.
За ядра, претоварени с протони, β + -разпадът или улавянето на електрони могат 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 масовото число А= 232, към изброените видове разпад се добавя спонтанно делене. Конкуриращите се процеси могат да протичат толкова бързо, че не винаги е възможно да се наблюдава α-разпад на техния фон.
Нека сега разгледаме как се разпределя енергията на разпада между фрагментите, т.е. алфа частица и дъщерно ядро, или откат ядро. Очевидно е, че
, (7.3)
където T αе кинетичната енергия на α-частицата, T i.o.е кинетичната енергия на дъщерното ядро (енергия на откат). Според закона за запазване на импулса (който е в състоянието преди разпада нула), образуваните частици получават импулси, равни в абсолютна стойности противоположен по знак:
Нека използваме фиг. 7.1, от което следва, че енергията на α-разпада (а оттам и кинетичната енергия на всяка една от частиците) не надвишава 10 MeV. Енергията на покой на α-частицата 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 отношението 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, при А= 200 детското ядро на отката представлява 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, α-спектрите са отделен. Поради това радионуклидът може да бъде идентифициран чрез енергията на α-частиците: линиите на спектъра служат като един вид „пръстов отпечатък“. В този случай, както показва експериментът, α-спектрите много често съдържат не една, а няколко линии с различен интензитет с близки енергии. В такива случаи се говори за фина структураα-спектър (фиг. 7.2).
За да разберем произхода на ефекта на фината структура, нека си припомним, че енергията на α-разпада не е нищо друго освен разликата между енергийните нива на родителското и дъщерното ядро. Ако преходът се случи само от основното състояние на родителското ядро към основното състояние на детето, α-спектрите на всички радионуклиди ще съдържат само една линия. Междувременно се оказва, че преходите от основното състояние на родителското ядро могат да се появят 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 енергията на α-частиците тα е дадено закон на Гайгер–Нетола, една от формите на които е:
, (7.7)
където С 1 и С 2 са константи, които се променят малко по време на прехода от ядро към ядро. В този случай увеличаването на енергията на α-частиците с 1 MeV съответства на намаляване на периода на полуразпад с няколко порядъка.
7.2. Преминаване на α-частици през потенциална бариера.Преди настъпването квантова механикане е дадено теоретично обяснение за такава рязка зависимост λ от тα . Освен това самата възможност за бягство от ядрото на α-частици с енергии, значително по-ниски от височината на потенциалните бариери, които, както е доказано, заобикаляха ядра, изглеждаше мистериозна. Например, експерименти върху разсейването на 212 Rho алфа частици с енергия 8,78 MeV от уран показаха, че в близост до ядрото на урана не се наблюдават отклонения от закона на Кулон; въпреки това, уранът излъчва α-частици с енергия само 4,2 MeV. Как тогава тези α-частици проникват през бариерата, чиято височина е най-малко 8,78 MeV, а всъщност дори повече? ..
На фиг. 7.3 показва зависимостта на потенциалната енергия Уположително заредена частица от разстоянието до ядрото. В района r > Рмежду частицата и ядрото в областта действат само сили на електростатично отблъскване r < Рпреобладават по-интензивни ядрени сили на привличане, които пречат на излизането на частица от ядрото. Резултатна крива У(r) има рязък максимум в региона r ~ Р, на име Кулонова потенциална бариера. височина на преградата
, (7.8)
където З 1 и З 2 – заряди на излъчената частица и дъщерно ядро, Ре радиусът 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.
Бягството от ядрото на α-частици (и други положително заредени нуклонни образувания) се обяснява с квантовомеханични тунелен ефект, т.е. възможността на частица да се движи в класически забранената за нея област между повратните точки, където т < У.
За да намерим вероятността положително заредена частица да премине през кулоновата потенциална бариера, първо разглеждаме правоъгълна бариера с ширина аи височина V, върху която пада частица с енергия Е(фиг. 7.4). Извън бариерата в области 1 и 3, уравнението на Шрьодингер изглежда така
,
и във вътрешната област 2 като
.
Неговото решение е плоски вълни
.
Амплитуда НО 1 съответства на падащата вълна върху бариерата, AT 1 - вълна, отразена от преградата, НО 3 - вълната, преминала през бариерата (тъй като предаваната вълна вече не се отразява, амплитудата AT 3 = 0). Дотолкова доколкото Е < V,
величина qе чисто въображаемо, а вълновата функция под бариерата
.
Вторият член във формула (7.9) съответства на експоненциално нарастваща вълнова функция и следователно на експоненциално нарастваща вълнова функция хвероятността да се намери частица под бариерата. В тази връзка стойността AT 2 не може да бъде голям в сравнение с НО 2. След това, поставяне AT 2 просто равно на нула, имаме
. (7.10)
Коефициент на прозрачност Dбариера, т.е. вероятността да се намери частица първоначално в регион 1 в регион 3 е просто съотношението на вероятностите за намиране на частицата в точките х = аи х= 0. За това е достатъчно познаването на вълновата функция под бариерата. Като резултат
. (7.11)
Нека по-нататък представим потенциална бариера с произволна форма като множество нправоъгълни потенциални бариери с височина V(х) и ширина Δ х(фиг. 7.5). Вероятността частица да премине през такава бариера е произведение на вероятностите да премине през всички бариери една след друга, т.е.
След това, като се имат предвид бариерите с безкрайно малка ширина и преминавайки от сумиране към интегриране, получаваме
(7.12)
Граници на интеграция х 1 и х 2 във формула (7.12) съответстват на класическите повратни точки, при които V(х) = Е, докато движението на частицата в областите х < х 1 и х > х 2 се счита за безплатен.
За кулоновата потенциална бариера, изчислението 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 вярвал, че ядрото се състои от α-частици).
За α-частица с кинетична енергия тв потенциала на вида u/rизразът за коефициента на прозрачност на бариерата взема следващ изглед:
, (7.13)
със стойността ρ се определя от равенството т = u/ρ . Интеграл в степенната степен след заместване ξ = r 1/2 приема форма, удобна за интегриране:
.
Последното дава
Ако височината на кулоновата бариера е много 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/т, 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 тя е много близка до нейната собствена маса). Формула (7.16) дава стойността за 238 U д= 10 –39 , т.е. вероятността за тунелиране на α-частици е изключително малка.
Резултатът (7.16) беше получен за случая централно разширениечастици, т.е. така че α-частицата се излъчва от ядрото строго в радиална посока. Ако последното не се осъществи, тогава ъгловият импулс, отнесен от α-частицата 
не е равно на нула. След това при изчисляване дтрябва да се вземе предвид изменението, свързано с наличието на доп центробежна бариера:
, (7.17)
където л= 1, 2, 3 и т.н.
смисъл 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. Въпреки това, ефектът от центробежната бариера не е твърде голям. Първо, тъй като енергията на въртене на системата в момента на разширение U c(Р) не може да надвишава енергията на α-разпад т, 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 Кулон (~1/ r). В резултат на това вероятността за излъчване на α-частица с л≠ 0 има почти същия порядък като за л = 0.
Възможни стойности лсе определят от правилата за подбор за ъглов импулс и четност, 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 родителското и детското ядро). Използвайки правилата (7.18), не е трудно например да се установи, че α-частици 239 Pu (фиг. 7.2) с енергия 5,157 MeV се излъчват само по време на централното разширение, докато за α-частици с енергии от 5,144 и 5,016 MeV л = 2.
7.3. Скорост на α-разпад.Вероятността за α-разпад 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-частицата е чисто ядрен; доста е трудно да се изчисли точно, тъй като всички трудности на ядрения проблем са присъщи на него. Въпреки това, за най-проста оценка, може да се предположи, че α-частиците в ядрото съществуват, както се казва, „готови“. Нека бъде vе скоростта на α-частицата вътре в ядрото. Тогава на повърхността му ще бъде нпъти за единица време, където н = v/2Р. Да приемем, че по порядък на величината е радиусът на ядрото Рравна на дължината на вълната на де Бройл на α-частицата (виж Приложение Б), т.е. , където 
. Следователно, като се има предвид вероятността от разпад като произведение на коефициента на прозрачност на бариерата и честотата на сблъсъци на α-частицата с бариерата, имаме
. (7.19)
Ако коефициентът на прозрачност на бариерата удовлетворява съотношение (7.15), тогава след заместване и логаритъм (7.19) получаваме закона на Гайгер-Нетол (7.7). Приемане на енергията на α-частиците т << AT, можем приблизително да определим как зависят коефициентите на формула (7.7). НОи Зрадиоактивно ядро. Замествайки в (7.15) височината на кулоновата бариера (7.8) и вземайки предвид, че по време на α-разпад З 1 = Zα= 2 и μ ≈ Mα, ние имаме
,
където З 2 е зарядът на дъщерното ядро. След това, като вземем логаритъма на (7.19), намираме, че
,
.
По този начин, С 1 зависи много слабо (логаритмично) от масата на ядрото, и С 2 зависи линейно от своя заряд.
Съгласно (7.19) честотата на сблъсъци на α-частица с потенциална бариера е около 5·10 20 s–1 за повечето α-радиоактивни. Следователно, величината, която определя константата на α-разпада, е коефициентът на прозрачност на бариерата, който силно зависи от енергията, тъй като последната е включена в експонента. Това е причината за стеснението на диапазона, в който могат да се променят енергиите на α-частиците на радиоактивните ядра: частици с енергия над 9 MeV излитат почти мигновено, докато при енергии под 4 MeV те живеят в ядрото толкова дълго, че α-разпадът е много труден за регистриране.
Както вече беше отбелязано, спектрите на α-лъчението често имат фина структура, т.е. енергията на излъчените частици приема не една, а редица дискретни стойности. Появата в спектъра на частици с по-ниска енергия ( късо бягане) съответства на образуването на дъщерни ядра във възбудени състояния. По силата на закона (7.7) добивът на α-частици с къси разстояния винаги е много по-малък от добива на частиците от основната група. Следователно фината структура на α спектрите по правило се свързва с преходи към ротационно възбудени нива на несферични ядра с ниска енергия на възбуждане.
Ако разпадът на изходното ядро се случва не само от земята, но и от възбудени състояния, се наблюдава дълъг обхватα-частици. Пример са α-частиците с далечни разстояния, излъчвани от ядрата на полониеви изотопи 212 Po и 214 Po. По този начин фината структура на α-спектрите в някои случаи носи информация за нивата не само на дъщерните, но и на родителските ядра.
Като се вземе предвид факта, че α-частица не съществува в ядрото, а се образува от съставните му нуклони (два протона и два неутрона), както и по-строго описание на движението на α-частицата вътре в ядрото , изискват по-подробно разглеждане на физическите процеси, протичащи в ядрото. В това отношение не е изненадващо, че α-разпадите на ядрата се подразделят на леки задържани. Улесненият разпад е разпад, за който формула (7.19) удовлетворява достатъчно добре. Ако действителният период на полуразпад надвишава изчисления с повече от порядък, такова разпадане се нарича забавено.
Улеснен α-разпад се наблюдава като правило в четно-четни ядра, а забавен - във всички останали. Така преходите на нечетното ядро 235 U към основното и първо възбудено състояние на 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 основно състояние по време на разпадането на ядро, съдържащо несдвоен нуклон (с най-ниска енергия на свързване), може да се осъществи само когато този нуклон стане част от α-частицата, т.е. когато настъпи разпадането на друга двойка нуклони. Този начин на образуване на α-частица е много по-труден от изграждането й от вече съществуващи двойки нуклони в четно-четни ядра. Поради тази причина преходът към основно състояние може да се забави. Ако, от друга страна, α-частицата все пак се образува от двойки нуклони, които вече съществуват в такова ядро, дъщерното ядро трябва, след разпадане, да бъде във възбудено състояние. Последното разсъждение обяснява доста високата вероятност за преход към възбудени състояния за нечетните ядра (фиг. 7.2).
Структурата и свойствата на частиците и атомните ядра се изучават в продължение на около сто години при разпадане и реакции.
Разпадът е спонтанна трансформация на всеки обект от физиката на микросвета (ядро или частица) в няколко продукта на разпад:
Както разпадът, така и реакциите са обект на поредица от закони за опазване, сред които трябва да се споменат на първо място следните закони:
По-нататък ще бъдат обсъдени други закони за опазване, действащи при разпадане и реакции. Изброените по-горе закони са най-важните и най-важното, извършва във всички видове взаимодействия.(Възможно е законът за запазване на барионния заряд да не е толкова универсален, колкото законите за запазване 1-4, но засега не е открито нарушение).
Процесите на взаимодействие на обекти от микросвета, които се отразяват в разпад и реакции, имат вероятностни характеристики.
Разпада
Възможен е спонтанен разпад на всеки обект от физиката на микросвета (ядро или частица), ако масата на покой на продуктите от разпада е по-малка от масата на първичната частица.
Характеризират се разпадите вероятности за разпад
, или реципрочната вероятност за средно време на живот
τ = (1/λ). Стойността, свързана с тези характеристики, също често се използва. полуживот
T 1/2.
Примери за спонтанно разпадане
 ;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 разпадите (2.5) има три.
Получаваме уравнението на разпада за частици (или ядра). Намаляването на броя на частиците (или ядрата) за даден интервал от време е пропорционално на този интервал, броя на частиците (ядрата) в даден момент и вероятността за 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, необходимо, за да се намали наполовина броят на частиците (или ядрата):
Възможен е спонтанен разпад на всеки обект от физиката на микросвета (ядро или частица), 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 разпада. В случай на разпад на две частици, спектрите на продуктите на разпада са дискретни. Ако има повече от две частици в крайно състояние, спектрите на продукта са непрекъснати.
Разликата между масите на първичната частица и продуктите на разпада се разпределя между продуктите на разпада 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 еднакво измерение (MeV). Закони за опазване на този разпад:
Оттук получаваме за кинетичните енергии на продуктите на разпада
По този начин, в случай на две частици в крайно състояние определят се кинетичните енергии на продуктите ясно.Този резултат не зависи от това дали релативистките или нерелативистичните скорости имат продукти на разпад. 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 единственото. Означава, че в случай на разпад на две частици, спектрите на продуктите на разпада са дискретни.
Ако в крайно състояние се появят три (или повече) продукта, решението на уравненията за законите за запазване на енергията и импулса не води до еднозначен резултат. Кога, ако има повече от две частици в крайно състояние, спектрите на продуктите са непрекъснати.(По-нататък тази ситуация ще бъде разгледана подробно с помощта на примера на -decays.)
При изчисляване на кинетичните енергии на продуктите от разпада на ядрата е удобно да се използва фактът, че броят на нуклоните A се запазва. (Това е проявление закон за запазване на барионния заряд
, тъй като барионните заряди на всички нуклони са равни на 1).
Нека приложим получените формули (2.11) към -разпада на 226 Ra (първото разпадане в (2.4)).
Разликата между масите на радия и неговите продукти на разпад
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 неутралните атоми и съотношението M = A + за масите и т.нар. излишни маси
Δ)
Кинетичните енергии на ядрата на хелия и радона в резултат на алфа разпада са равни на:
,
.
Общата кинетична енергия, освободена в резултат на алфа разпада, 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 енергията на покой на частиците или ядрата - критерий за допустимост на прилагане на нерелативисткото приближение. В случай на алфа разпад на ядра, малката кинетична енергия спрямо останалите енергии позволява да се ограничим до нерелативисткото приближение във формули (2.9-2.11).
| Задача 2.3.Изчислете енергиите на частиците, получени при разпадането на мезон |
π + мезонът се разпада на две частици: π + μ + + ν μ . Масата на π + мезона е 139,6 MeV, масата на мюона μ е 105,7 MeV. Точната стойност на масата на мюонното неутрино ν μ все още е неизвестна, но е установено, че тя не надвишава 0,15 MeV. При приблизително изчисление може да се зададе 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 продукти на разпад е 33,8 MeV, е необходимо да се използват релативистичните формули за връзката между енергията и импулса за неутрино. При по-нататъшни изчисления малката маса на неутрино може да бъде пренебрегната и неутриното може да се счита за ултралативистична частица. Закони за запазване на енергията и импулса при разпада на π + мезон:
m π = m μ + T μ + E ν
|p ν | = | p μ | 
E ν = p ν 
Пример за разпад на две частици е също излъчването на -квант по време на прехода на възбудено ядро към най-ниското енергийно ниво.
При всички разпада на две частици, анализирани по-горе, продуктите на разпада имат "точна" енергийна стойност, т.е. дискретен спектър. Но по-внимателното изследване на този проблем показва това спектърът дори на продуктите от разпада на две частици не е функция на енергията.
.
Спектърът на продуктите на разпада има крайна ширина Г, която е толкова по-голяма, колкото е по-кратък животът на разпадащото се ядро или частица.
(Това отношение е една от формулировките на отношението на неопределеността за енергия и време).
Примери за разпад на три тела са -разпади.
Неутронът претърпява -разпад, превръщайки се в протон и два лептона - електрон и антинеутрино: np + e - + e.
Бета-разпадите се изпитват и от самите лептони, например мюонът (средният живот на мюона
τ = 2,2 10 –6 сек):
.
Закони за запазване на разпадането на мюон при максимален импулс на електрона:
За максималната кинетична енергия на електрона на разпад на мюона 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 на практика съвпада с неговата кинетична енергия
p = (T 2 + 2mT) 1/2 = )
