Сущность явления радиоактивности. Типы радиоактивного распада.

 

В настоящее время известно много процессов, происходящих самопроизвольно, спонтанно. Эти процессы называются радиоактивными, т.к. они протекают по законам радиоактивного распада. К числу радиоактивных процессов относятся α-распад, β-распад (включая K -захват), γ-излучение, спонтанное деление тяжелых ядер, а также испускание запаздывающих нейтронов и протонов.Два последних вида радиоактивных превращений относятся к каскадному двуступенчатому типу, так как испускание запаздывающих нейтронов (или протонов) происходит после предварительного испускания ядром электрона (или позитрона).   В связи с этим испускание нейтрона (протона) запаздывает на время, характеризующее предшествующий β-распад (хотя сам процесс испускания нуклона образовавшимся после β-распад возбужденным ядром происходит практически мгновенно).У ядер с большим недостатком нейтронов может существовать протонная и даже двупротонная радиоактивность, однако эти процессы пока не обнаружены из-за очень больших экспериментальных трудностей, связанных с сильным фоном конкурирующих α- и β^+-распадов. Впервые радиоактивное излучение было проанализировано при помощи опытов по отклонению его в электрическом и магнитном полях и по поглощению в веществе. В результате этих опытов было установлено, что радиоактивные вещества испускают три вида лучей: 1. Альфа-лучи – тяжелые положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью около 109 см/с и поглощающиеся несколькими микронами алюминия. Впоследствии методом спектрального анализа было показано, что этими частицами являются ядра гелия (2He^4). 2. Бета-лучи – легкие отрицательно заряженные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света и поглощаемые слоем алюминия толщиной в среднем 1 мм. Этими частицами оказались электроны. 3. Гамма-лучи – сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в электрическом, ни в магнитном полях. Природа γ-лучей – жесткое электромагнитное излучение, имеющее еще более короткую длину волны, чем рентгеновские лучи. 38 Закон радиоактивного распада. Период полураспада Радиоактивный распад подчиняется статистическому закону. Резерфорд, исследуя превращения радиоактивных веществ, установил опытным путем, что их активность убывает с течением времени. Об этом говорилось в предыдущем параграфе. Так, активность радона убывает в 2 раза уже через 1 мин. Активность таких элементов, как уран, торий и радий, тоже убывает со временем, но гораздо медленнее. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Этот интервал носит название период полураспада. Период полураспада Т — это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов. Спад активности, т. е. числа распадов в секунду, в зависимости от времени для одного из радиоактивных препаратов изображен на рисунке 13.8. Период полураспада этого вещества равен 5 сут. Выведем теперь математическую форму закона радиоактивного распада. Пусть число радиоактивных атомов в начальный момент времени (t= 0) равно N0. Тогда по истечении периода полураспада это число будет равно Спустя еще один такой же интервал времени это число станет равным: Это и есть основной закон радиоактивного распада. По формуле (13.1) можно найти число нераспавшихся ядер в любой момент времени. Период полураспада — основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше времени «живут» ядра, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ период полураспада имеет сильно различающиеся значения. Так, период полураспада урана равен 4,5 млрд лет. Именно поэтому активность урана на протяжении нескольких лет заметно не меняется. Период полураспада радия значительно меньше — он равен 1600 лет. Поэтому активность радия значительно больше активности урана. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды. Чтобы, пользуясь формулой (13.1), определить период полураспада, надо знать число атомов N0 в начальный момент времени и число нераспавшихся атомов N спустя определенный интервал времени t. Сам закон радиоактивного распада довольно прост. Но физический смысл этого закона уяснить себе нелегко. Действительно, согласно этому закону за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада половина атомов). Значит, с течением времени скорость распада нисколько не меняется? Радиоактивные ядра «не стареют». Так, ядра радона, возникающие при распаде радия, претерпевают радиоактивный распад как сразу же после своего образования, так и спустя 10 мин после этого. Распад любого атомного ядра — это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных ядер не существует понятия возраста. Можно определить лишь их среднее время жизни . Время существования отдельных ядер может варьироваться от долей секунды до миллиардов лет. Атом урана, например, может спокойно пролежать в земле миллиарды лет и внезапно взорваться, тогда как его соседи благополучно продолжают оставаться в прежнем состоянии. Среднее время жизни — это просто среднее арифметическое времени жизни достаточно большого количества атомов данного нида. Оно прямо пропорционально периоду полураспада. Предсказать, когда произойдет распад ядра данного атома, невозможно. Смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Закон радиоактивного распада определяет среднее число ядер атомов, распадающихся за определенный интервал времени. Но всегда имеются неизбежные отклонения от среднего значения, и, чем меныпе количество радиоактивных ядер в препарате, тем больше эти отклонения. Закон радиоактивного распада является статистическим законом. 39. Взаимодействие нуклонов и понятие о свойствах и природе ядерных сил. Можно выделить 3 типа взаимодействий нуклонов: 1) упругие столкновения;2) аннигиляция и перезарядка нуклонов;3) связанные состояния. Упругое столкновение частиц друг с другом означает, что все участники взаимодействия продолжают существовать в том качестве, в котором они находились до столкновения, т.е. в качестве частиц того же вида. В результате столкновений, однако, с частицами происходят некоторые изменения. Первое. Естественно, что меняется траектория их движения. Это может повести за собой ряд дальнейших модификаций, но это зависит от внешних условий. Второе, что может измениться – скорость движения относительно вакуумной среды. Скорость однозвенных частиц в свободном состоянии равна или близка к скорости света, они разгоняются до скорости, запрограммированной движением их собственных вакуумный волн. Для них среда – постоянно присутствующая точка опоры, как дорожка для бегуна или рельсы для поезда. Крупным частицам со сложными и противоречивыми системами притягивания и отталкивания такое не свойственно. Их самостоятельные движения медленны и разнонаправлены. Столкновения могут придавать нуклонам более высокую скорость либо затормозить их. Третье. При повышении скорости сопротивление среды разнонаправленным вакуумным импульсам, исходящим от частицы, усиливается. Энергия, необходимая для разгона, растет, как и энергия торможения. При разгоне нуклонов до релятивистских скоростей замер их массы на основе энергии торможения должен учитывать это обстоятельство. Часть энергии тратится не на разгон частицы, а на преодоление кулоновского сопротивления среды ее энергетическим импульсам. Впечатление, что на релятивистских скоростях растет масса нуклонов, ошибочно. Разница в массе при разных скоростях является отражением сил сопротивления вакуумной среды, которые растут с ростом скорости. Эти силы не проявляют себя при низких скоростях. Если нуклон не разгоняется столкновениями, они вообще могут отсутствовать. Здесь уместна аналогия с самолетом и воздушной средой. Четвертое. Изменение скорости, отсутствие механизмов разгона, характерных для квантов и однозвенных частиц, представляет собой существенный фактор модификации внешней среды. Однозвенные частицы в основном следуют за волнами вакуума, находятся в зависимом, "подчиненном" состоянии по отношении к вакуумной среде. Характер взаимодействия нуклонов с внешней средой таков, что они не разгоняются до скорости света, хотя каждое из их звеньев создает такие импульсы. Действие этих сил, однако, разнонаправлено и частицы не разгоняются, двигаются в вакуумной среде медленно и хаотично, концентрируясь в местах натяжений. При этом всеми своими сторонами нуклоны то притягиваются к сжатым местам вакуума, то отталкиваются от них. Если представить себе места натяжений в качестве сосуда со станками в виде сжатых областей среды, то движение нуклонов будут выглядеть как перекатывание горошин по стенкам сосуда. Вакуумные волны, хотя и подталкивают такие частицы, все больше вынуждены огибать. Меняются расположение мест сжатий и натяжений в пространстве, искажается ранее изотропная интерференционная картина их распространения. Рост скорости нуклонов в результате столкновений повышает энергию, с которой частицы изменяют состояние среды. Пятое, что может измениться в результате упругих столкновений нуклонов с другими частицами – это их форма. Изменение формы означает по сути изменение углов, под которыми располагаются друг к другу составные части нуклона. При упругих столкновениях оно неизбежно, но внутренние силы притягивания и отталкивания в короткое время восстанавливают нормальное расположение частиц, т.е. "скелет" приходит в норму. Если этого не происходит, то столкновения не являются упругими. Мы уже говорили о том, что залог устойчивости протона, его приспособляемости к внешним воздействиям – способность менять и восстанавливать форму. Все другие нуклоны также обладают способностью менять форму, но для них это зачастую заканчивается распадом. Изменение формы почти всегда связано с изменением занимаемого частицей объема. Ее вакуумная оболочка может сжиматься и растягиваться. Как результат на мгновение меняется масса частиц. Шестое. В связи с изменением в результате упругих столкновений массы и скорости будет меняться и кинетическая энергия частиц. Характерной особенностью нуклонов является возможность снижения кинетической энергии частиц почти до нуля без разрушения и без прекращения внутренних вращательных движений составных частей. При определенных условиях такой уровень кинетической энергии может поддерживаться длительное время. Разумеется, это в большей степени характерно для частиц в связанном (атомарном) состоянии. Свободные частицы движутся под влиянием своих "плавников". Потенциальная энергия нуклонов не связана с температурой частиц и проявляет себя как их способность приобретать импульс к движению вследствие определенного внутреннего устройства. Она обусловлена электромагнитными силами, которые заложены в нуклонах. Так, нуклоны могут приобретать мощный импульс к движению и высокую скорость, освобождаясь от связанного состояния в ядрах. Седьмое. Результатом упругих столкновений может быть изменение температуры частиц, для нуклонов это – всегда ее повышение. Рост температуры нуклонов связан в основном с тем, что квантовые контуры чиркают друг друга и разогреваются (как фотоны в пучке). Кроме того, теплые квантовые контуры и плазмы в составе нуклонов при толчках соприкасаются и обмениваются температурой. Следует отметить, что все частицы способны выдерживать без разрушения высокие температуры. Их вакуумная оболочка всегда сохраняет температуру абсолютного нуля и защищает их в довольно агрессивных средах. "Родной" для большинства частиц является температура близкая к абсолютному нулю. Именно при таких внешних температурах их механизмы действуют наиболее адекватно своей сути, поддерживая частицы как в свободном, так и в связанном состояниях Между нуклонами в ядре действуют силы притяжения – ядерные силы. Ядерные силы относятся, наряду с гравитационными и электромагнитными, к числу так называемых фундаментальных сил природы. В квантовой механике вместо понятия “сила” чаще используется понятие “взаимодействие”. Синонимом выражения “ядерные силы” является выражение “сильное взаимодействие”. Этим выражением подчеркивается тот факт, что ядерные силы гораздо более “сильные”, чем электромагнитные и тем более гравитационные. Ведь ядерные силы удерживают в ядре одноименно заряженные протоны, которые по закону Кулона отталкиваются, и незаряженные нейтроны. Не будь ядерных сил, ядра разлетелись бы на отдельные нуклоны. Таким образом, ядерные силы самые “сильные” в природе. Ядерные силы обладают рядом специфических свойств: 1. В отличие от электромагнитных и гравитационных сил, радиус действия которых равен бесконечности, ядерные силы являются короткодействующими, так как они очень быстро убывают с расстоянием. На расстояниях, превышающих примерно r0»10-15 м, ядерные силы становятся практически равными нулю. Величина r0 называется радиусом действия ядерных сил. 2. Ядерные силы обладают свойством насыщения, заключающимся в том, что каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с определенным числом ближайших соседей. 3. Величина сильного взаимодействия зависит от взаимной ориентации спинов нуклонов. 4. Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости, выражающимся в том, что величина ядерных сил не зависит от электрического заряда взаимодействующих нуклонов. 40 Дефект масс и энергия связи атомного ядра. Ядра атомов представляют собой сильно связанные системы из большого числа нуклонов. Для полного расщепления ядра на составные части и удаление их на большие расстояния друг от друга необходимо затратить определенную работу А. Энергией связи называют энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на свободные нуклоны. Е связи = - А По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклонов. Удельная энергия связи - это энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Если не считать самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Максимальную удельную энергию связи (8,6МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60. Ядра этих элементов наиболее устойчивы. По мере перегрузки ядер нейтронами удельная энергия связи убывает. Для элементов в конце таблицы Менделеева она равна 7,6 МэВ/нуклон (например для урана). Выделение энергии в результате расщепления или синтеза ядра Для того, чтобы расщепить ядро надо затратить определенную энергию для преодоления ядерных сил. Для того, чтобы синтезировать ядро из отдельных частиц надо преодолеть кулоновские силы отталкивания (для этого надо затратить энергию, чтобы разогнать эти частицы до больших скоростей).То есть, чтобы провести расщепление ядра или синтез ядра надо затратить какую-то энергию.При синтезе ядра на малых расстояниях на нуклоны начинают действовать ядерные силы, которые побуждают их двигаться с ускорением.Ускоренные нуклоны излучают гамма-кванты, которые и обладают энергией, равной энергии связи. На выходе реакции расщепления ядра или синтеза энергия выделяется. Есть смысл проводить расщепление ядра или синтез ядра, если получаемая, т.е. выделенная энергия в результате расщепления или синтеза, будет больше, чем затраченная.Согласно графику, выйгрыш в энергии можно получить или при делении (расщеплении) тяжелых ядер, или при при слиянии легких ядер, что и делается на практике. ДЕФЕКТ МАСС Измерения масс ядер показывают, что масса ядра (Мя) всегда меньше суммы масс покоя слагающих его свободных нейтронов и протонов. При делении ядра: масса ядра всегда меньше суммы масс покоя образовавшихся свободных частиц. При синтезе ядра: масса образовавшегося ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных частиц, его образовавших. Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра. Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра: где Мя – масса ядра (из справочника)Z – число протонов в ядреmp – масса покоя свободного протона (из справочника)N – число нейтронов в ядреmn – масса покоя свободного нейтрона (из справочника) Уменьшение массы при образовании ядра означает, что при этом уменьшается энергия системы нуклонов.