Правила смещения при радиоактивном распаде

Основными видами радиоактивного распада являются -распад и -распад. Одновременно (в одном акте распада) -частицы и -частицы одним и тем же ядром не выбрасываются. -распад и -распад обычно сопровождаются излучением -фотонов.

Для ядер тяжелых элементов характерен -распад, при котором уменьшается общее число нуклонов в ядре и оно становится более устойчивым. Уравнение -распада выглядит следующим образом: . В связи с выбрасыванием -частицы заряд ядра и, соответственно, порядковый номер элемента уменьшаются на 2 единицы, а массовое число – на 4 единицы. Значит, вторичный элемент сдвигается по периодической системе на два номера влево, а атомная масса его уменьшается на четыре единицы. Это так называемое правило смещения (или сдвига) при радиоактивном распаде. Например, при распаде радия образуется радон: . При этом излучается -фотон с энергией .

-распад происходит у ядер, неустойчивость которых связана с неблагоприятным соотношением протонов и нейтронов в ядре. Поэтому при -распаде происходит взаимное превращение протонов и нейтронов. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный -распад, при котором один из нейтронов, испуская электрон, превращается в протон (), в результате чего в ядре получается более благоприятное нейтронно-протонное соотношение. Электронный -распад происходит по уравнению: . Как видно, заряд ядра увеличивается на единицу, т. е. вторичный элемент сдвигается в периодической системе на один номер вправо (атомная масса остается без изменения). Например, при распаде изотопа калия образуется кальций: .

Иногда при -распаде происходит выбрасывание частицы с элементарным положительным зарядом. Эта частица называется позитрон. Например, так происходит распад изотопа фосфора с образованием кремния: .

-излучение – это несамостоятельное излучение. Оно всегда сопровождает - и -распады. -излучение испускается дочерним ядром, т. е. продуктом распада, которое с момента своего образования оказывается возбужденным и, возвращаясь в основное состояние за очень короткое время (10^-13¸10^-14с), испускает -фотон. При -излучении ни атомная масса, ни заряд ядра не меняются, поэтому никакого смещения по периодической таблице не происходит.

 

Радиоактивный ряд урана

Радиоактивные вещества довольно распространены в природе, хотя и встречаются в ничтожных количествах. У некоторых из этих веществ процесс радиоактивного распада происходит через ряд последующих ступеней. Получается цепочка радиоактивных элементов, называемая радиоактивным рядом. Известны четыре радиоактивных ряда: ряд урана – радия (радий промежуточный элемент), ряд тория, ряд актиноурана (урана – 235) и ряд плутония. Долгоживущие продукты этих рядов встречаются в природе. Для примера рассмотрим ряд урана (рис. 5.1.3). -распад ядра приводит, согласно правилу смещения, к образованию ядра с зарядом 92–2=90 и массовым числом 238 – 4 = 234, т. е. изотопа тория .

 

Рис. 5.1.3

Этот изотоп, называемый иначе (уран икс один), также оказывается радиоактивным веществом, испускающим -частицы. Продуктом -распада тория оказывается – изотоп протоактиния с атомной массой 234, иначе называемый . Этот изотоп опять радиоактивен и т. д. Ядро протоактиния, выбрасывая -частицу, превращается в ядро урана , которое, испуская - частицу, превращается в изотоп тория . Дальнейший -распад приводит к последовательному образованию элементов . Радий В, испуская -частицу, превращается в радий С (), который тоже радиоактивен и, испуская -частицу, превращается в . Далее следует -распад с образованием . Двукратное испускание -частицы приводит к последовательному образованию элементов и (полоний). Испускание полонием -частицы приводит к образованию устойчивого изотопа свинца . Таким образом, цепочка последовательных продуктов распада после 14 следующих друг за другом распадов заканчивается нерадиоактивным, или, как говорят, стабильным изотопом свинца .

Распад урана приводит к накоплению свинца. И действительно, урановые руды всегда содержат свинец. Кроме того, в урановых рудах накапливаются промежуточные продукты распада урана.

Атомная масса обыкновенного свинца, добываемого из руд, не содержащих радиоактивных элементов, составляет 207.2. Атомная масса свинца, образуемого в результате распада урана, 206. Атомная масса свинца, содержащегося в некоторых урановых материалах, очень близка к 206. Отсюда следует, что минералы в момент образования (из расплава или раствора) не содержали свинца; весь наличный в таких минералах свинец накопился в результате распада урана. Используя закон радиоактивного распада, можно по отношению количеств свинца и урана в минерале определить его возраст. Определим возраст минерала, в котором на один атом урана приходится один атом свинца. Закон распада дает: . Количество распавшихся ядер . Отсюда . По условию, количества распавшихся и нераспавшихся ядер урана равны. Значит, . Логарифмируя последнее равенство, получаем: Период полураспада урана T = 4.5·10⁹ лет. Значит возраст минерала t = 4.5·10⁹ лет.

 

Ядерные реакции

Определение ядерной реакции

Радиоактивность не только свидетельствует о сложном строении ядер, но и дает средства для изучения этого строения. Одним из таких средств являются быстрые -частицы, способные проникать вглубь легких ядер и расщеплять их на части. Расщепления атомного ядра под действием -частиц впервые наблюдал Резерфорд (1919 г.). В камере Вильсона Резерфорд произвел бомбардировку ядер атомов азота -частицами, полученными при распаде радия. После этого в камере были обнаружены атомы изотопа кислорода с атомной массой А=17 и протоны, т. е. ядра атомов водорода. Реакцию записывают так: .

Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, приводящий к преобразованию ядра. Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка . Ядерную реакцию символически можно записать либо , либо . Здесь и – исходное и конечное ядра, и – бомбардирующая и испускаемая частицы.

Механизм ядерных реакций заключается в том, что, ударяясь об ядро атома с большой силой, бомбардирующая частица, например, -частица, сближается с ним на расстояние действия ядерных сил. Между нуклонами ядра и -частицей возникают ядерные силы. На мгновение ядро поглощает -частицу, и в нем происходит перегруппировка нуклонов с образованием нового комплекса частиц. Энергия, привнесенная -частицей (она слагается из кинетической энергии частицы и энергии связи ее с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии. Если для устойчивости нового комплекса какая-либо частица оказывается лишней, она при этом выбрасывается. Может случиться, что выброшенная частица тождественна захваченной (). Тогда процесс называется рассеянием, причем в случае, если энергия частицы равна энергии частицы (), рассеяние будет упругим; в противном случае (т. е. при ) – неупругим. Ядерная реакция имеет место, если частица не тождественна частице .

Основным условием осуществления ядерной реакции является высокая кинетическая энергия частицы, достаточная для того, чтобы вызвать неупругий удар и перестройку связей в ядре между нуклонами.

В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (т. е. с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии). Количество выделяющейся энергии называется тепловым эффектом реакции, который определяется разностью энергий исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением энергии и тепловой эффект будет отрицательным. Так, например, реакция, осуществленная Резерфордом, , идет с поглощением тепла:

Основным правилом составления уравнений ядерных реакций является сохранение равенства в обеих частях его суммы индексов: верхних (массовых чисел) и нижних (атомных номеров). Эти равенства являются выражением законов сохранения массы и заряда частиц, участвующих в реакции.

При осуществлении ядерной реакции поток частиц с высокой энергией направляется на небольшое количество соответствующего вещества. В веществе ядра атомов расположены на расстояниях, в десятки тысяч раз превышающих диаметры самих ядер. Поэтому быстрые частицы пронизывают, главным образом, электронные оболочки атомов, в которых производят ионизацию, и только единичные частицы сталкиваются с ядрами атомов. Проходя сквозь электронные оболочки, заряженные частицы взаимодействуют с полем атомов, тормозятся и теряют энергию. Поэтому вероятность столкновений с ядром частиц, имеющих достаточно высокую энергию, необходимую для осуществления ядерной реакции, становится еще меньше.

Вероятность ядерной реакции характеризуют ее эффективным поперечным сечением , под которым понимают отношение числа n актов осуществленной реакции за одну секунду к количеству N частиц, падающих за на площади вещества, перпендикулярной потоку частиц: . Величина зависит от природы вещества, характера реакции и энергии частиц, ее вызывающих. Порядок величины эффективного сечения для различных реакций от до , т. е. из N частиц, которые действуют на вещество, только частиц в действительности вызывают реакцию.

Пример 1. Определить минимальную энергию -квантов, необходимую для расщепления ядер бериллия и ядер углерода по реакциям:

 

; .

 

Решение. Минимальная энергия -квантов, необходимая для расщепления ядер бериллия и углерода, должна быть такой, чтобы реакции прошли без выделения или поглощения энергии: . Здесь и – выраженные в атомных единицах массы суммы масс частиц, вступивших в реакцию и образующихся в результате реакции, соответственно.

1) ; ;

2)

Пример 2. Найти энергию, выделяющуюся при ядерной реакции .

Решение. Тепловой эффект реакции равен:

 

.

 

Из таблиц (см. приложение 1) находим массы изотопов лития, водорода и гелия: ; ; . Отсюда .