Радиоактивность

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся:

· a- распад,

· b- распад (в том числе электронный захват),

· g- излучение ядер,

· спонтанное деление тяжелых ядер,

· протонная радиоактивность.

Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, искусственной. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.

Закон радиоактивного превращения. Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Поэтому можно считать, что число ядер dN, распадающийся за малый промежуток времени dt, пропорционально как числу имеющихся ядер N, так и промежутку времени dt:

Здесь l - характерная для радиоактивного вещества константа, называемая постоянной распада. Знак минус взят для того, чтобы dN можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер N.

Интегрирование выражения (3.5) приводит к соотношению

где N₀ – количество ядер в начальный момент, N - количество нераспавщихся атомов в момент времени t. Формула (3.6) выражает закон радиоактивного превращения. Этот закон весьма прост: число нераспавшихся ядер убывает со времени по экспоненте.

Число ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада Т. Это время определяется условием

Откуда

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах от 3 10^-7с до 5 10¹⁵ лет.

Среднее время жизни t радиоактивного ядра

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. Было обнаружено три вида радиоактивного излучения. Одно из них, получившее название a - лучей отклоняется под действием магнитного поля в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положительно заряженных частиц. Второе, названное b - лучами отклоняется магнитным полем так же как и поток отрицательно заряженных частиц. Третье излучение, никак не реагирующее на действие магнитного поля, было названо g - лучами.

Альфа – распад. Альфа-лучи представляют собой поток ядер гелия. Распад протекает по следующей схеме:

Буквой Х обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y-химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа-распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром g-лучей.

Основные особенности альфа-распада, в частности сильную зависимость вероятности альфа-распада от энергии удалось в 1928 году объяснить Г.Гамову и независимо от него Г.Герни и Э.Кондону. Ими было показано, что вероятность альфа-распада в основном определяется вероятностью прохождения альфа частицы сквозь потенциальный барьер.

Рассмотрим простую модель альфа-распада. Предполагается, что альфа-частица движется в сферической области радиуса R, где R- радиус ядра. В этой модели предполагается, что альфа-частица постоянно существует в ядре. На рис.3.8 показана зависимость потенциальной энергии между альфа-частицей и остаточным ядром от расстояния между их центрами. Кулоновский потенциал обрезается на расстоянииR, которое приблизительно равно радиусу остаточного ядра. На этом рисунке Е_a- кинетическая энергия вылетающей альфа-частицы. Первоначально альфа-частица находится в области Iи может быть описана стоячей волной с амплитудой Y_внутр.. Однако из-за проникновения сквозь барьер в области вдали от ядра имеется небольшой «хвост» волновой функции с амплитудой Y_внеш.. Следовательно, вероятность вылета альфа-частицы в момент её соударения с барьером можно записать

Соответствующее квантово-механическое решение задачи прохождения частицы через потенциальный барьер, позволяет правильно предсказать значение коэффициента прозрачности барьера, определить период полураспада и важнейшую закономерность альфа-распада - сильную зависимость периода полураспада от энергии альфа-частиц. Скорости, с которыми альфа-частица вылетает из распавшегося ядра, очень велики

U=k2Ze²/r

r

II

I

U₀

Y_внеш.

Y_внутр

Y

E_a

R

r

Рис. 3.8.

(~10⁷м/с; кинетическая энергия порядка нескольких мегаэлектронвольт). Пролетая через вещество, альфа-частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая её на ионизацию молекул вещества, и в конце концов останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эВ. Таким образом, альфа-частица образует на своем пути 10⁵ пар ионов. Естественно, что чем плотнее вещество, тем меньше пробег частицы. В воздухе пробег составляет несколько сантиметров при нормальном давлении, в твердых телах пробег имеет величину порядка миллиметра. Альфа-частицы полностью задерживает обычный лист бумаги.

Кинетическая энергия альфа-частицы возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и альфа-частицы. Эта избыточная энергия распределяется между частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам.

Дата добавления: 2014-01-11