Типы ядерных превращений

При написании уравнений реакций заряд частицы указывается в единицах элементарного заряда слева внизу от символа. В устаревший форме записи заряд и масса указывались справа от символа, но масса – вверху; заряд – внизу. Протоны и нейтроны входят в состав ядра и определяют свойства элемента.

Ядра элементов при написании уравнений реакций записываются в виде

(, ),

где – символ элемента;

Z – зарядовое число, которое показывает число протонов в ядре и определяется как порядковый номер элемента из ПСМ;

А – массовое число, показывает число нуклонов в ядре и определяется как атомная масса элемента из ПСМ, округлённая до целого значения;

N – число нейтронов в ядре, равное .

Если ядра двух атомов содержат одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, они обозначаются обычно одним символом, обладают одинаковыми химическими свойствами и называются изотопами (, ).

Изотопы различаются по физическим свойствам, следовательно, химические свойства элемента зависят от числа протонов в ядре

.

Известно около 280 устойчивых изотопов и более 1500 неустойчивых. Чем более устойчив изотоп, тем больше он распространён в природе, поэтому взятые в ПСМ массовые числа соответствуют наиболее стабильному изотопу данного элемента.

Ядра, у которых одинаковое количество нуклонов, но различное содержание протонов и нейтронов, называются изобарами

.

Изобары обозначаются различными символами, имеют различные химические и близкие физические свойства и не различимы при масс-спектрометрическом анализе. В природе изобары обычно встречаются парами. Известно около 60 устойчивых изобарных пар, в которых обычно чётные A и Z.

Два одинаковых по составу ядра, находящихся в различных энергетических состояниях, называют изомерами

.

Изомерные состояния наблюдаются у всех ядер. Переход ядра из одного энергетического состояния в другое называется изомерным переходом. Изомерный переход из возбуждённого состояния в устойчивое является источником γ-излучений.

В соответствии с видами радиоактивных излучений существуют не­сколько видов радиоактивного распада (типов радиоактивных превраще­ний). Радиоактивному превращению подвергаются элементы, в ядрах ко­торых слишком много протонов или нейтронов. Рассмотрим виды радио­активного распада.

1. Альфа–распад характерен для естественных радиоактивных эле­ментов с большим порядковым номером (т.е. с малыми энергиями связи). Известно около 160 α–активных видов ядер, в основном порядковый номер которых более 82 (Z > 82).

Альфа–распад сопровождается испусканием из ядра неус­тойчивого элемента α–частицы, которая представляет собой ядро атома гелия Не (в его составе 2 протона и 2 нейтрона). Заряд ядра уменьшается на 2, массовое число – на 4.

Приводим общее уравнение α–распада и составление уравнений распада для урана и радия:

Альфа – распаду подвергается более 10% радиоактивных изотопов.

2. Бета–распад. Ряд естественных и искусственных радиоактивных изотопов претерпевает распад с испусканием электронов или позитронов.

Бета–распад может быть трех видов:

а) электронный β–распад характерен как для естественных, так и для искусственных радионуклидов, которые имеют излишек нейтронов. Этот распад в основном характерен для тяжелых радиоактивных изотопов. Электронному β–распаду подвергается около 46 % всех радиоактивных изотопов. При этом один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антиней­трино. Заряд ядра и, соответственно, атомный номер элемента при этом увеличиваются на единицу, а массовое число остается без изменения.

Приводим общие уравнения β^–– распада:

При испускании β–частиц ядра атомов могут находиться в возбуж­денном состоянии, когда в дочернем ядре обнаруживается избыток энер­гии, которая не захвачена корпускулярными частицами. Этот излишек энергии высвечивается в виде g–квантов

б) позитронный β⁺–распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов, у которых в ядре имеется излишек протонов. Он характерен для 11 % радиоактивных изотопов, находящихся в первой поло­вине таблицы Д.И.Менделеева (Z<45). При позитронном β–распаде один из протонов превращается в нейтрон, заряд ядра и, соответственно, атомный номер уменьшаются на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.

Приводим общее уравнение β⁺– распада:

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон–электрон», которая мгновенно превращается в два g–кванта с энергией, эквивалентной массе частиц. Процесс превращения пары «пози­трон–электрон» в два g–кванта получил название аннигиляции (уничтоже­ния), а возникающее электромагнитное излучение – аннигиляционного. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую – g–фотоны;

в) электронный К–захват. Это такой вид радиоактивного превращения, когда ядро атома захватывает электрон из ближайшего к ядру энергетического К–уровня (электронный К–захват) или, реже, в 100 раз – из L уровня. В результате один из протонов ядра нейтрализуется электроном, превраща­ясь в нейтрон. Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше, а массовое число не изменяется. Ядро испускает антинейтрино. Освободившееся место, которое занимал в К или L–уровне захваченный электрон, заполняется электроном из более удаленных от ядра энергетиче­ских уровней. Избыток энергии, освободившийся при таком переходе, ис­пускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения.

Приводим общие уравнения К–захвата:

– рентгеновское излучение;

– рентгеновское излучение;

– рентгеновское излучение.

Электронный К–захват характерен для 25% всех радиоактивных ядер, но в основном для искусственных радиоактивных изотопов, распо­ложенных в другой половине таблицы Д.И. Менделеева и имеющих изли­шек протонов (Z = 45 – 105). Только три естественных элемента претерпе­вают К–захват: калий–40, лантан–139, лютеций–176 ().

Некоторые ядра могут распадаться двумя или тремя способами: пу­тем α и β–распада и К–захвата.

Калий–40 подвергается, как уже отмечалось, электронному распаду –88% и К–захвату – 12%. Медь–64 () превращается в никель (позитронный распад – 19%, К-захват – 42%; (электронный распад – 39%).

3. Испускание g–излучения не является видом радиоактивного распа­да (при этом не происходит превращение элементов), а представляет собой поток электромагнитных волн, возникающих при α– и β–распаде ядер ато­мов (как естественных, так и искусственных радиоактивных изотопов), ко­гда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпус­кулярным излучением (α– и β– частицей). Этот избыток мгновенно высве­чивается в виде g–квантов, что показано в нижеприведенных уравнениях:

4. Протонная радиоактивность – испускание протона из ядра в ос­новном состоянии. Этот процесс может наблюдаться у искусственно полу­ченных ядер с большим дефицитом нейтронов:

лютеций — 151 () — в нем на 24 нейтрона меньше, чем в стабильном изотопе

Таблица 1.2.

Сравнительная таблица ионизирующих излучений.

Вид излучения	α- излучение	β- излучение	γ- излучение
Тип излучения	Непосредственно ионизирующее	Косвенно ионизирующее
Природа излучения	Ядра гелия	Электроны или позитроны	Жесткое электромагнитное излучение
Источники излучения	Распад тяжелых ядер при участии сильных взаимодействий	Взаимные превращения нуклонов в легких и тяжелых ядрах при участии слабых взаимодействий	Изомерный переход ядра из возбужденного состояния в основное
Энергия излучения	4 – 9 МэВ	100КэВ – 3МэВ	10КэВ – 3МэВ
Проникающая способность в воздухе	До 10 см.	До 1 м.	До 1000 м.
Проникающая способность в биологических тканях	Несколько микрон (мкм)	До 1 см.	До 1 м.

Дата добавления: 2014-11-29