Правила зміщення, особливості спектрів при радіоактивному розпаді

Радіоактивний розпад відбувається, як і будь-який ін­ший процес в живій та неживій природі, згідно з законами збереження енергії, маси, імпульсу, електричного заряду, спіну тощо.

Відповідно до закону збереження електричного заряду маємо, що заряд вихідного атомного ядра (його називають інколи материнським) повинен дорівнювати сумарному заряду утворених при радіоактивному розпаді частинок і нових ядер (їх називають дочірніми). При ядерних перетво­реннях величину заряду умовно характеризують зарядовим числом яке дорівнює відношенню заряду ядра (частинки) до елементарного заряду Так, для всіх ізотопів урану зарядове число становить а для ізотопів гелію

і для Тому закон збереження електричного заряду при радіоактивному розпаді можна подати в наступному формулюванні: сума зарядових чисел дочірніх ядер і частинок, які утворилися при розпаді, дорівнює зарядовому числу вихідного (материнського) ядра.

Закон збереження маси при радіоактивному розпаді з врахуванням формули Ейнштейна що пов'язує масу і енергію Е, можна записати у такому вигляді:

(8.15)

де - маса вихідного (материнського) ядра; - маса утвореного (дочірнього) ядра і частинок; - енергія, що виділяється при радіоактивному розпаді.

Типові значення енергії, що виділяється при різних радіоактивних розпадах, не перевищують кількох (так, при ядра полоніявиділяється при ядра радону ядра Ці значення енергії Е значно менші за енергію що відповідає І атомній одиниці маси В такому наближенні закон збереження маси формулюється через масові числа (масове число М - це відношення маси ядра або частинки до а.о.м.) наступним чином: сума масових чисел дочірніх ядер і частинок, які утворюються при радіоактивному розпаді, дорівнює масовому числу вихід­ного (материнського) ядра.

Оскільки при із вихідного (материнського) ядра вилітає ядро гелія тобто частинка з зарядовим числом 2 і масовим числом 4, то нове утворене дочірнє ядро буде мати зарядове число на дві одиниці менше і масове число на чотири одиниці менше, ніж у вихідного ядра. Позначивши материнське (вихідне) ядро символом X, а до­чірнє (утворене) - символом Х, запишемо процес α-розпаду у вигляді такої схеми:

(8.16)

Зарядове число визначає місце (номер) елемента в періодичній системі Менделєєва, тому із схеми (8.16) виходить, що в результаті утворюється ядро елемента, який стоїть в періодичній системі Менделєєва на два місці раніше, ніж вихідне ядро.

При із ядра вихідного елемента вилітає електрон або позитрон. Маса електрона у 1836 разів менша маси атома водню, тому масове число електрона приймають рівним нулю. Заряд електрона чисельно дорівнює заряду протона, але цей заряд від'ємний. Тому зарядове число електрона Відповідно, масове число позитрона дорівнює, як і у електрона, нулю, а зарядове число

У зв'язку з викладеним схеми електронного і позитрон-ного будуть мати вигляд

(8.17)

Таким чином, в результаті електронного і позитронного γ-розпаду утворюються ядра елементів, які розташовані в періодичній таблиці Менделєєва на наступному (поперед­ньому) місці по відношенню до вихідного елемента.

Формули (8.16) і (8.17) називають правилами змі­щення. Вони дають змогу розібратися у всіх послідовних перетвореннях ядер, які відбуваються в процесі їх радіо­активного розпаду.

Швидкості, з якими вилітають із ядра, типово є дуже великі а кінетична енергія

порядку кількох . Кінетична енергія виникає за рахунок надлишку енергії спокою материнського яд­ра над сумарною енергією спокою дочірнього ядра і точки. Ця надлишкова енергія розподіляється між частин­кою і дочірнім ядром у відношенні, обернено пропорцій­ному їх масам. Енергія частинок, які випускаються даною радіоактивною речовиною, є жорстко визначеною. Тому енергетичний спектр частинок є лінійчастий.

У більшості випадків радіоактивна речовина випускає кілька груп "моноенергетичних" частинок. Це зумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати як в нормальному (незбудженому), так і в збудженому стані. Переходячи в нормальний або більш низький збуджений стан, дочірнє ядро випускає Через це розпад може супроводжуватися '

Утворене в результаті а-розпаду збуджене ядро може віддати надлишок енергії безпосередньо (без попереднього випускання γ-кванта) одному із електронів К-, L- або М-шару атома, в результаті чого електрон вилітає з атома. Цей процес називають внут­рішньою конверсією. Утворене в результаті вильоту елект­рона вакантне місце буде заповнюватися електронами з вищерозташованих енергетичних рівнів. Тому внутрішня конверсія завжди супроводжується випусканням характе­ристичних рентгенівських променів.

Бета-частинки (електрони і позитрони), які випроміню­ються при радіоактивному володіють різними значеннями енергії від 0 до (див. рис. 8.6). Випромі­нювання такого енергетичного спектра відіграло важливу роль в поясненні природи про що вже говорилося в параграфі 8.2.1.

Загальні властивості : неперервність і наявність максимальної енергії - верхньої границі спект­ра. Бета-випромінювання з енергією від називають м'яким, а від до кількох - жорстким.

Максимальна швидкість у разі жорсткого наближається до швидкості світла і мас бути розрахованою за формулами спеціальної теорії віднос­ності А. Ейнштейна.

Безпосередній експериментальний доказ існування нейтрино і антинейтрино було отримано лише в 1956 p., приблизно через чверть століття після його теоретичного відкриття В. Паулі та Е. Фермі. Нейтрино було відкрито Р. Девісом, який реалізував теоретичну ідею Б. Понтекорво, в реакції перетворення хлору в аргон

(8.18)

а антинейтрино Ф. Райнісом і К. Косном в реакції перетво­рення протона в нейтрон

(8.19)

Нейтрино і антинейтрино, які беруть участь в ядерних реакціях (8.5), (8.6) і (8.18), (8.19) називаються елек­тронними (інколи їх позначають через Відомі ще інші типи нейтрино і антинейтрино – мезонні та у Принципово важливим з погляду проблеми еволюції Всесвіту є питання про нульову або ненульову масу спокою нейтрино. Якщо нейтрино має ненульову масу спокою (для цього зараз є певні експериментальні підстави), то згідно з сучасною космологією - наукою про еволюцію Всесвіту - галактики, які нині розбігаються внаслідок розширення Всесвіту, через деякий час (зрозуміло, дуже великий в масштабі тривалості життя окремої людини) почнуть збігатися. Це означає, що Всесвіт буде поступово стискатися і такий процес, згідно з загальними законами термодинаміки, буде супроводжуватися зростанням серед­ньої густини і температури речовини у Всесвіті.

Оцінка віку організмів через вимірювання концентра­ції радіовуглецю. Під дією нейтронів космічного випромі­нювання в повітрі з азоту постійно утворюється ізотоп вуглецю за реакцією

(8.20)

Цей ізотоп є активним з періодом напіврозпаду Через радіоактивні властивості ізотопу його називають радіовуглецем. За проміжок часу внаслідок реакції (8.20) з азоту повітря в одиниці об'єму утворюється певна кількість радіоактивних ядер І за той же час внаслідок радіоактивного розпаду кількість ядер зменшується на величину Виявляється, що ці два процеси (збільшення радіовуглецю під дією космічного випромінювання і його зменшення через радіоактивний розпад) взаємно компенсують один одного, тобто виконується умова Внаслідок цього в різних місцях земної кулі середня концентрація радіо­вуглецю однакова. Вона відповідає такій активності, при якій на кожний грам радіовуглецю відбувається 14 розпадів за хвилину.

Радіовуглець засвоюється при фотосинтезі рослинами і бере участь в колообігу речовин в природі. Поки органічна речовина жива, зменшення в ньому через розпад від новлюється за рахунок участі в колообігу речовин в приро ді. В момент смерті організму надходження радіовуглецю і: навколишнього середовища зупиняється, і концентрації починає спадати за законом радіоактивного розпаду Вимірявши концентрацію в залишках організмів (в деревині, кістках тощо) можна визначити дату їх смерті або, як говорять, їх вік.

Дата добавления: 2015-05-24