Kaj je alfa razpad v fiziki. Vrste jedrskih transformacij, alfa in beta razpad

Jedra večine atomov so dokaj stabilne tvorbe.

Alfa razpad

Med alfa razpadom oddaja se delec alfa (jedro

Alfa razpad je intranuklearni proces. V sklopu težkega jedra zaradi kompleksna slika Kombinacija jedrskih in elektrostatičnih sil proizvede neodvisen α-delec, ki ga Coulombove sile potisnejo ven veliko bolj aktivno kot druge nukleone. Pod določenimi pogoji lahko premaga sile jedrske interakcije in odleti iz jedra.

Beta razpad

Med beta razpadom se izpusti elektron (β delec). Zaradi razpada enega nevtrona na proton, elektron in antinevtrino se sestava jedra poveča za en proton, elektron in antinevtrino pa se oddata navzven. Oziroma
nastali element se premakne za eno celico naprej v periodnem sistemu.

Primer razpada β:

Gama razpad

Razpad gama je oddajanje kvantov gama s strani jeder v vzbujenem stanju, v katerem imajo visoko energijo v primerjavi z nevzbujenim stanjem. Jedra lahko pridejo v vzbujeno stanje med jedrskimi reakcijami ali med radioaktivnimi

Obstajajo razpadi z emisijo nevtrona, protona, grozdna radioaktivnost in nekatere druge, zelo redke vrste razpadov. Toda prevladujoče vrste radioaktivnosti so razpad alfa, beta in gama.

Tabela razpadanja

Aβ sevanje sestoji iz elektroni inγ sevanje je tok visokofrekvenčnega elektromagnetnega sevanja kvanti

Teorijo tega pojava je šele leta 1933 ustvaril Enrico Fermi, ki je uporabil hipotezo Wolfganga Paulija o rojstvu v beta razpadu nevtralnega delca z maso mirovanja blizu nič in imenovanega nevtrino.
Toda cepitev ni izčrpala vseh vrst radioaktivnih transformacij atomskih jeder. Od 50. let prejšnjega stoletja se fiziki metodično lotevajo odkrivanja protonske radioaktivnosti v jedrih. Da bi jedro v osnovnem stanju spontano oddalo proton, mora biti energija ločitve protona od jedra pozitivna. Toda takšna jedra v zemeljskih razmerah ne obstajajo in jih je bilo treba ustvariti umetno. Ruski fiziki v Dubni so bili zelo blizu pridobitvi takšnih jeder, vendar so protonsko radioaktivnost leta 1982 odkrili nemški fiziki v Darmstadtu, ki so uporabili najmočnejši pospeševalnik večnabitih ionov na svetu.

Končno so leta 1984 neodvisne skupine znanstvenikov v Angliji in Rusiji odkrile grozdno radioaktivnost nekaterih težkih jeder, ki spontano oddajajo grozde - atomska jedra z atomsko maso od 14 do 34.

emisija delcev alfa atomskih jeder v procesu spontanega (spontanega) radioaktivnega razpada (glej Radioaktivnost). Z A.-r. iz radioaktivnega (»materinega«) jedra z atomskim številom Z in masnim številom (glej masno število) A se oddaja helijevo jedro

Znanih je okoli 200 α-radioaktivnih jeder (1968); večina težje so od svinca (Z > 82). Določena količina α-radioaktivnih izotopov je prisotna v območju vrednosti Z (atomsko jedro). Tako je v območju redkih zemelj več α-radioaktivnih jeder (npr. Življenjska doba), značilnost jeder z malo energije A.-r. (glej spodaj).

Z A.-r. določenega radioaktivnega izotopa imajo emitirani α-delci, grobo rečeno, enako energijo. Energija, ki se sprosti pri atomizaciji, se razdeli med delcem alfa in jedrom v razmerju, ki je obratno sorazmerno z njunima masama. Energija delcev α je za različne izotope različna. Čim krajši je razpolovni čas T 1/2 danega izotopa (ali njegova življenjska doba), tem daljši je. Za vse znane α-radioaktivne izotope se energija α-delcev giblje od 2 Mev do 9 Mev.Življenjske dobe α-radioaktivnih jeder nihajo v velikem razponu vrednosti, od približno 3 10 -7 sek za 212 Po do 5 10 15 let za 142 Ce. ; Življenjske dobe in energije α-delcev so podane v tabeli v čl. Izotopi

Tam so navedeni tudi vsi α-radioaktivni izotopi. α-delci pri prehodu skozi snov izgubljajo energijo predvsem med interakcijami z elektronskimi ovoji atomov in molekul, pri čemer pride do ionizacije obeh, vzbujanja in končno do disociacije molekul. Za popolno izgubo energije delca α je potrebno zelo trki (10 4 -10 5). Zato v povprečju vsi α-delci določene energije prepotujejo približno enake poti z majhnim raztrosom (3-4%). Ker trk težkega α-delca z lahkim elektronom ne more opazno spremeniti smeri njegovega gibanja, je ta pot - pot α-delca - enostavna.

Tako imajo α-delci dane energije zelo določen doseg, preden se ustavijo; na primer v zraku pri normalnem atmosferskem tlaku in sobna temperatura delci α imajo razpon od približno 2,5 do 8,5 cm. Iz dolžine sledi delcev α v oblačni komori lahko kvalitativno določimo izotopska sestava radioaktivni vzorec. Vklopljeno riž. 1 Prikazana je fotografija sledi α-delcev, oddanih med A.R.

Ko zapusti jedro, delec alfa doživi dve različni sili. Jedrske sile, ki so zelo velike in delujejo na majhni razdalji, težijo k temu, da zadržijo delec v jedru, medtem ko Coulombova (električna) interakcija nastalega α-delca s preostalim jedrom povzroči pojav odbojne sile.

Vklopljeno riž. 2 prikazana odvisnost potencialna energija interakcija α-delca s končnim jedrom (jedro, ki ostane po odhodu α-delca) od razdalje do središča jedra. Od riž. jasno je, da mora α-delec ob odhodu premagati potencialno pregrado.

Celotna (t.j. potencialna plus kinetična) energija delca alfa v različnih jedrih lahko prevzame negativne vrednosti in z naraščajočim jedrskim nabojem tudi pozitivne. V tem zadnjem primeru je A.-r. bo energijsko rešeno. Polna črta na riž. 2 prikazuje skupno energijo delca α v jedru (oz. z drugimi besedami, raven energije delca α v jedru). Pozitiven presežek skupna energija, označen s črko E, predstavlja razliko med maso radioaktivnega jedra in vsoto mas delca α in končnega jedra.

Če ne bi bilo potencialne ovire, katere višina je V, npr. za 238 92 U enako 15 Maev, nato α-delec s pozitivno kinetično energijo E (za 238 92 U kinetična energija bi bil alfa razpad 4.2 Mev) lahko prosto zapusti jedro. V praksi bi to vodilo do jeder s pozitivnimi vrednostmi E v naravi sploh ne bi bilo. Znano pa je, da v naravi obstajajo jedra z Z ≥ 50, za katera je E pozitiven.

Po drugi strani pa je z vidika klasične mehanike α-delec z energijo E

Kvantna mehanika ob upoštevanju valovne narave α-delcev kaže, da obstaja končna verjetnost "uhajanja" α-delcev skozi potencialno pregrado (učinek tunela). Pregrada postane tako rekoč delno prosojna za delec α. Transparentnost pregrade je odvisna od njene višine V in širine B, kot sledi:

preglednost

Tukaj b - vrednost, odvisna od polmera r jedra, m - masa α-delca, E - njegova energija (glej riž. 2 ). Transparentnost (prepustnost) pregrade je tem večja, čim manjša je njena širina in čim bližje vrhu potencialne pregrade se nahaja energijski nivo α-delca (večja je energija α-delca v jedru).

Verjetnost A.-r. je sorazmerna s prepustnostjo potencialne pregrade. Ker se z naraščajočo energijo delcev α širina pregrade zmanjšuje ( riž. 2 ), eksperimentalno pridobljena ostra odvisnost verjetnosti A.-r. od E - kinetična energija α-delcev. Na primer, ko se energija emitiranih α-delcev poveča s 5 na 6 Mev verjetnost A.-r. poveča za 107-krat.

Verjetnost A.-r. odvisna tudi od verjetnosti nastanka alfa delca v jedru. Preden delec alfa zapusti jedro, mora tam nastati. α-delci ne obstajajo stalno v jedru. Štirje osnovni delci, iz katerih je sestavljeno, so vključeni v kompleksno gibanje nukleonov v jedru in jih ni mogoče ločiti od drugih delcev tega jedra. Vendar pa obstaja opazna (alfa razpad10 -6) verjetnost nastanka delca α v jedru nekaterih kratek čas kot rezultat naključnega približevanja 4 nukleonov. Šele ko delec α zapusti jedro in je dovolj oddaljen od njega, lahko delec α in jedro obravnavamo kot dva ločena delca.

Verjetnost A.-r. je močno odvisna od velikosti jedra [glej. formula (*)], ki dovoljuje uporabo A.-r. za določitev velikosti težkih jeder.

Kot smo že omenili, mora biti energija α-delcev, ki uidejo iz jedra zaradi atomizacije, natanko enaka energijskemu ekvivalentu razlike v masah jeder pred in po atomizaciji, to je vrednosti E. To Izjava je veljavna samo za primer, ko je končno jedro

Dejansko je bilo eksperimentalno dokazano, da je α-sevanje številnih radioaktivnih elementov sestavljeno iz več skupin α-delcev, katerih energije so blizu drug drugemu ("fina struktura" α-spektra). Kot primer na riž. 3 prikazuje spekter delcev α pri razpadu 212 83 Bi (bizmut-212).

Vklopljeno riž. 4 prikazuje energijski diagram α-razpada 212 83 Bi v osnovno in vzbujeno stanje končnega jedra

Energijska razlika med glavno skupino in linijami fino strukturo je 0,04, 0,33, 0,47 in 0,49 Mev. Eksperimentalno je mogoče ločiti črte fine strukture spektrov α samo s pomočjo magnetnih alfa spektrometrov.

Poznavanje fine strukture spektrov α-delcev omogoča izračun energije vzbujenih stanj končnega jedra.

Nekateri radioaktivni izotopi oddajajo majhno število delcev α z energijami, ki so veliko večje od energije glavne skupine delcev α. Na primer, v spektru alfa delcev iz razpada je MeV večji od energije glavne skupine. Intenzivnost teh dveh skupin je t.i. α-delci dolgega dosega so le Alfa razpad 10 -5 skupne jakosti α-sevanja. Sled enega od teh delcev je vidna v riž. 5 . Obstoj delcev dolgega dosega je posledica dejstva, da je A.-r. lahko doživi jedra, ki so v vzbujenem stanju (z višjo energijo).

Mnogi osnovni koncepti atomske in jedrske fizike dolgujejo svoj izvor študiju α-radioaktivnosti. Teorija kvantne mehanike, ki so jo leta 1928 predlagali G. Gamow in neodvisno G. Gurney in E. Condon, je bila prva uporaba kvantne mehanike v jedrskih procesih. Preučevanje sipanja delcev α je vodilo do koncepta atomskega jedra kot središča mase in pozitivnega naboja atoma. Obsevanje lahkih elementov z alfa delci je vodilo do odkritja jedrskih reakcij in umetne radioaktivnosti.

Lit.: Glesson S., Atom. Atomsko jedro. Atomska energija, trans. iz angleščine, M., 1961; Goldanski V.I., Leikin E.M., Transformacije atomskih jeder, M., 1958.

V.S. Evseev.

riž. 2. Potencialna energija interakcije delca α s končnim jedrom. V- višina potencialne ovire, IN- njegova širina, E- energija delcev α, r- oddaljenost od središča jedra.

delci α ustrezajo prehodu v osnovno stanje, α 1, α 2, α 3 in α 4 so delci alfa, ki se izločajo pri prehodu končnega jedra v eno od vzbujenih stanj.

riž. 1. Fotografije sledi α-delcev v oblačni komori, α-delce oddaja vir AcS + AcS." Slika prikazuje 2 sledi α-delcev, ki jih oddaja AcS." Ti delci imajo daljši doseg (6.6 cm) kot α-delci AcC (5.4 cm).

Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija. 1969-1978 .

Oglejte si, kaj je "razpad alfa" v drugih slovarjih:

A; m. Radioaktivna transformacija atomskega jedra, med katero se izseva delec alfa. * * * alfa razpad (α razpad), vrsta radioaktivnega razpada atomskih jeder, ko se alfa delec izpusti, se naboj jedra zmanjša za 2 enoti, masno število ... ... Enciklopedični slovar

Sodobna enciklopedija

Alfa razpad- (razpad), vrsta radioaktivnosti; emisija alfa delca atomskega jedra. Pri alfa razpadu se masno število (število nukleonov) zmanjša za 4 enote, jedrski naboj (število protonov) pa za 2. Pri tem se sprosti energija, ki se deli... ... Ilustrirani enciklopedični slovar

Alfa razpad- (α razpad) emisija alfa delcev (α delcev) med spontanim radioaktivnim razpadom atomskih jeder. Jedrski naboj se zmanjša za 2 enoti, masno število pa za 4. Značilnost težkih jeder z masnim številom A nad 200 in nabojnim številom Z... ... Ruska enciklopedija o varstvu dela

Razpad pri. jedra, ki ga spremlja emisija delca. Z A. r. naboj jedra Z (v enotah elementarnega naboja) se zmanjša za 2 enoti, masno število A pa za 4 enote, npr.: 22688Ra® 22286Rn+42He Energija, ki se sprosti med AR, se razdeli med delec ... Fizična enciklopedija

ALFA RAZPAD- vrsta spontanega radioaktivnega razpada atomskih jeder, pri katerem se oddaja jedrski naboj (glej), se naboj jedra zmanjša za 2 enoti, masno število za 4. Mehanizem AR. povezana z (glej) delci alfa, ki imajo diskreten spekter energij. A. r. vključi ... Velika politehnična enciklopedija

Jedra večine atomov so dokaj stabilne tvorbe. Vendar pa se jedra atomov radioaktivnih snovi med procesom radioaktivnega razpada spontano spremenijo v jedra atomov drugih snovi. Tako je leta 1903 Rutherford odkril, da se radij, postavljen v posodo, čez nekaj časa spremeni v radon. In v posodi se je pojavil dodaten helij: (88^226)Ra→(86^222)Rn+(2^4)He. Da bi razumeli pomen pisnega izraza, preučite temo o masi in naboju jedra atoma.

Ugotovljeno je bilo, da se glavne vrste radioaktivnega razpada: alfa in beta razpad pojavljajo po naslednje pravilo odmiki:

Alfa razpad

Med alfa razpadom izseva se delec alfa (jedro atoma helija). Iz snovi s številom protonov Z in nevtronov N v atomskem jedru se spremeni v snov s številom protonov Z-2 in številom nevtronov N-2 ter s tem atomsko maso A-4: (Z ^A)X→(Z-2^ (A-4))Y +(2^4)He. To pomeni, da se nastali element premakne za dve celici nazaj v periodnem sistemu.

Primer razpada α:(92^238)U→(90^234)Th+(2^4)He.

Alfa razpad je intranuklearni proces. Kot del težkega jedra se zaradi zapletene kombinacije jedrskih in elektrostatičnih sil oblikuje samostojen α-delec, ki ga Coulombove sile izrivajo veliko bolj aktivno kot druge nukleone. Pod določenimi pogoji lahko premaga sile jedrske interakcije in odleti iz jedra.

Beta razpad

Med beta razpadom se izpusti elektron (β delec). Zaradi razpada enega nevtrona v proton, elektron in antinevtrino se sestava jedra poveča za en proton, elektron in antinevtrino pa se izsevata navzven: (Z^A)X→(Z+1^A) Y+(-1^0)e+(0 ^0)v. V skladu s tem se oblikovani element premakne eno celico naprej v periodnem sistemu.

Primer razpada β:(19^40)K→(20^40)Ca+(-1^0)e+(0^0)v.

Beta razpad je intranukleonski proces. Nevtron je podvržen transformaciji. Obstaja tudi beta plus razpad ali pozitronski beta razpad. Pri pozitronskem razpadu jedro oddaja pozitron in nevtrino, element pa se pomakne za eno celico nazaj v periodnem sistemu. Beta razpad pozitrona običajno spremlja zajem elektronov.

Gama razpad

Poleg alfa in beta razpada obstaja tudi gama razpad. Razpad gama je oddajanje kvantov gama s strani jeder v vzbujenem stanju, v katerem imajo visoko energijo v primerjavi z nevzbujenim stanjem. Jedra lahko pridejo v vzbujeno stanje med jedrskimi reakcijami ali med radioaktivnimi razpadi drugih jeder. Večina vzbujenih stanj jeder ima zelo kratko življenjsko dobo – manj kot nanosekundo.

Obstajajo tudi razpadi z emisijo nevtrona, protona, grozdna radioaktivnost in nekatere druge, zelo redke vrste razpadov. Ampak prevladujoče

Začnimo se spoznavati različne možnosti razpad nestabilnih jeder - in s na različne načine obvarovati jedro pred takojšnjim kolapsom – pred alfa razpadom. Delec alfa je preprosto jedro atoma helija, dveh protonov in dveh nevtronov. To kombinacijo še posebej tesno držijo jedrske sile. Torej, če je težko jedro pripravljeno izgubiti dodatne protone in nevtrone, potem ti praviloma odletijo v obliki alfa delca. Ta proces se imenuje alfa razpad.

Pravzaprav jedro ne bo preprosto izpustilo delca alfa: navsezadnje med njima delujejo jedrske privlačne sile. Zdaj, če bi se delec že odtrgal od jedra in se odmaknil na opazno razdaljo, bi jih električne odbojne sile med njima odgnale. Toda prodreti v to območje ni enostavno - na poti do svobode mora delec alfa nekako premagati visoko in široko oviro potencialne energije. Ne sprosti delca in s tem prepreči trenutni alfa razpad jedra. Zdi se, kot da delec alfa hiti naokoli v jedru in nenehno trči v potencialno oviro.

Na srečo v kvantni mehaniki delci niso lokalizirani, temveč nekoliko razpršeni po prostoru. Zato se bo z neko, sicer zelo majhno, a vseeno različno verjetnostjo, delec alfa prej ali slej lahko znašel na drugi strani ovire. Tuneli delcev prehajajo skozi potencialno pregrado, kljub temu da nimajo dovolj energije, da bi to pregrado zlezli. In zdaj, ko se je končno znašel na drugi strani ovire, delec čuti le električni odboj in z užitkom odleti.

Življenjska doba jedra, pripravljenega na alfa razpad, je določena z lastnostmi te pregrade. Višja in širša kot je pregrada, manjša je verjetnost, da bo uhajal, kar pomeni, da bo trajalo dlje, da pride do razpada alfa. V nekaterih primerih je oviro zelo težko premagati, življenjska doba jedra pa se izkaže za noro dolgo, tudi do milijard let. V drugih primerih je pregrada šibka in gnitje se pojavi zelo hitro. Na primer, najpreprostejše jedro, ki je sposobno alfa razpada - berilij-8, 8 Be - vsebuje štiri protone in štiri nevtrone, zato z velikim užitkom razpade na dva alfa delca. Njegova življenjska doba je bila izmerjena pred pol stoletja in znaša 10 −16 s = 100 ac. Upoštevajte, da čeprav je to hiter razpad, v jedrskem obsegu še vedno traja približno milijon tipičnih jedrskih ciklov.

Mimogrede, dejstvo, da je jedro 8 Be tako nestabilno, je velik pomen za sintezo kemični elementi v vesolju in navsezadnje – za življenje! V globinah zvezd vodik postopoma zgori in se spremeni v helij. Helijeva jedra, alfa delci, nenehno letajo naokoli, trkajo med seboj in občasno tvorijo berilij-8. Če bi bilo to jedro stabilno ali vsaj dolgoživo, potem bi se nanj hitro prilepili novi alfa delci, ki bi ustvarili ogljik, dušik itd. Z drugimi besedami, ves helij bi zelo hitro izgorel. V resnici 8 Be razpade tako hitro, da le redko ima čas, da se vanj zatakne še en delec alfa. Zato helij v zvezdah ne zgori tako zlahka. Šele v zelo poznih fazah, ko se tlak v zvezdi poveča, se s polno hitrostjo sproži proces trojne pretvorbe delcev alfa v ogljik preko vmesnega berilija-8.

ALFA RAZPAD

Pogoj razpada. Alfa razpad je značilen za težka jedra, v katerih pride do rasti A opazimo zmanjšanje vezavne energije na nukleon. V tem območju masnih števil zmanjšanje števila nukleonov v jedru povzroči nastanek tesneje vezanega jedra. Vendar pa dobiček energije z upadanjem A ena je veliko manjša od vezavne energije enega nukleona v jedru, zato je emisija protona ali nevtrona, ki ima zunaj jedra nič vezavno energijo, nemogoča. Emisija jedra 4 Ne se izkaže za energetsko ugodno, saj je specifična vezavna energija nukleona v tem jedru približno 7,1 MeV. Razpad alfa je možen, če je skupna energija vezave produkta jedra in delca alfa večja od energije vezave prvotnega jedra. Ali v masnih enotah:

M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + M α (3.12)

Povečanje vezavne energije nukleonov pomeni zmanjšanje energije počitka prav za količino energije, ki se sprosti pri alfa razpadu E α. Če si torej predstavljamo delec alfa kot celoto znotraj produktnega jedra, potem bi moral zavzeti raven z pozitivno energijo, enako E α(slika 3.5).

riž. 3.5. Shema raven energije delci alfa v težkem jedru

Ko alfa delec zapusti jedro, se ta energija sprosti v prosti obliki kot kinetična energija razpadnih produktov: alfa delca in novega jedra. Kinetična energija se med temi razpadnimi produkti porazdeli v obratnem sorazmerju z njihovimi masami in ker je masa delca alfa veliko manjša od mase novo nastalega jedra, skoraj vso energijo razpada odnese delec alfa. Tako z veliko natančnostjo E α je kinetična energija alfa delca po razpadu.

Vendar pa sproščanje energije prepreči Coulombova potencialna pregrada U k(glej sliko 3.5), katerega verjetnost prehoda alfa delca je majhna in zelo hitro pada z zmanjševanjem E α. Zato razmerje (3.12) ni zadosten pogoj za razpad alfa.

Višina Coulombove pregrade za nabite delce, ki prodrejo v jedro ali zapustijo jedro, se poveča sorazmerno z njegovim nabojem. Zato Coulombova pregrada predstavlja še večjo oviro za pobeg drugih močnih delcev iz težkega jedra. vezana pljuča jedra, kot npr 12 C oz 16 O. Povprečna vezavna energija nukleona v teh jedrih je celo večja kot v jedru 4 Ne, torej v nekaterih primerih emisija jedra 16 O namesto zaporednega oddajanja štirih alfa delcev, bi bilo energijsko ugodnejše. Vendar pa je emisija jeder težja od jedra 4 Ne, ni opaziti.

Razlaga propada. Mehanizem alfa razpada pojasnjuje kvantna mehanika, saj je ta proces v okviru klasične fizike nemogoč. Zunaj potencialne jame se lahko pojavi samo delec z valovnimi lastnostmi, ko E α . Še več, izkaže se, da le potencialna pregrada neskončno široke širine z verjetnostjo enako ena omejuje prisotnost delca v potencialni jami. Če je širina pregrade končna, potem je verjetnost premika čez potencialno pregrado načeloma vedno drugačna od nič. Res je, ta verjetnost hitro upada z večanjem širine in višine pregrade. Aparat kvantne mehanike vodi do naslednjega izraza za prosojnost ali verjetnost pregrade ω da je delec zunaj potencialne pregrade, ko trči v njeno steno: