Явление радиоактивности

Ядро имеет сложную структуру и до конца не изучено, но для понимания природы радиоактивности достаточно рассмотреть только основные его части, основные силы и некоторые основные элементарные частицы.

Элементарные частицы характеризуются массой, электрическим зарядом, спином и рядом других величин. К настоящему времени сложилась определенная классификация элементарных частиц, объединяющая их в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

Ядро состоит из нуклонов (протоны и нейтроны) и других частиц. Нуклоны – общее наименование для протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра.

Нуклиды общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов, нейтронов. Нуклиды с одинаковым числом в ядре химического элемента протонов и разным количеством нейтронов называются изотопами.

Протон - относительно стабильная элементарная частица с положительным зарядом и массой =1836m_в(m_в – масса электрона). Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, при этом число протонов в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодической системе Менделеева. Среднее значение жизни частиц протона более 10³⁰ лет. При определенных условиях протон при внутренних ядерных превращениях переходит в нейтрон через бета – распад ядер или в результате электронного захвата с выбросом позитрона и нейтрино.

Ø Позитрон – элементарная частица, которая по массе равна массе электрона, но имеет положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона.

Ø Нейтрон - электрически нейтральная частица с массой =1840 m_в, незначительно превышающий массу протона.

Прочность ядру придают нейтроны и пи-мезоны, как частицы «ядерного клея». Если протон обладает стягивающими и отталкивающими свойствами, то нейтроны – только стягивающими свойствами. Внутри ядра протоны и нейтроны обмениваются друг с другом пи-мезоном (сгустком электромагнитной энергии из мезонного облака), что придает прочность ядру. Пи-мезон в 7 раз легче протона и в 270 раз тяжелее электрона.

Впервые способность ядер тяжелых элементов самопроизвольно распадаться была обнаружена Беккерелем в 1896 году. Позднее Резерфорд и супруги Кюри показали, что ядра некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый элемент ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями нельзя повлиять на характеристики распада.

Способность некоторых неустойчивых атомных ядер самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием различных видов радиационных излучений называют радиоактивностью, а изотопные ядра которых способны самопроизвольно распадаться – радионуклидами. Элемент имеющий несколько радионуклидов называют радиоизотопом химического элемента.

Способность изотопа преобразоваться в протон другого химического элемента, испуская при этом частицу альфа или бета, а часто и избыток энергии в виде гамма–кванта. Этот процесс называется радиоактивным распадом.

Известны 4 вида радиоактивного распада:

- альфа – распад;

-бета – распад;

-спонтанное деление атомных ядер;

-протонная радиоактивность.

Альфа – распад характерен для ядер тяжелых элементов. При альфа – распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия, т.е. альфа – частица по массе и заряду аналогична ядру атома гелия. Таким образом, в результате альфа – распада образуется атом элемента, смещенный на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической системы Менделеева.

Бета – распад – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон с выбросом бета – частиц. Бета – распад объединяет три самостоятельные превращения:

1.выбрасывание электрона и антинейтрона – бета – распад (электронный распад).

2.выбрасывание электрона и антинейтрона – бета – распад (позитронный распад).

3.поглощение одним из протонов ядра атома электрона с ближайшей орбиты. При этом заряд ядра уменьшится на единицу.

Для равновесия в ядре должно быть определенное сочетание количества протонов и нейтронов. При этом нейтронов для придания устойчивости ядру должно быть больше по мере роста порядкового номера химического элемента. Однако, если имеет место чрезмерный избыток нейтронов, то ядро становится неустойчивым, что вызывает превращения нейтрона в протон. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу больше, а материнское ядро испускает электрон и антинейтрино.

Иногда радиоактивный альфа и бета – распад сопровождается выбросом не только бета - и альфа – частиц, но и гамма – квантов. Гамма – кванты – это электромагнитное излучение.

Спонтанное деление атомных ядер – это самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (уран- 238, 235, кюрий-244,248). Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа – распадом. Процесс самопроизвольного деления ядер происходит из-за того, что ядра сами по себе нестабильны. При этом происходит расщепление ядра на два осколка, близких по массе.

Протонная радиоактивность – это протекание термоядерных реакций на Солнце и представляет поток протонов (90%), альфа – частиц (9%), остальные – это ядра легких элементов и других элементарных частиц. Протонную радиоактивность лучше всего проиллюстрировать протеканием термоядерных реакций на Солнце. Как уже отмечалось ранее, протон – относительно стабильная частица и является ядром самого распространенного изотопа водорода – протия. Протон участвует во всех процессах взаимодействия элементарных частиц. Солнце содержит много водорода (примерно 50% массы Солнца, остальную часть составляют углерод, азот, кислород). Температура центральной части Солнца находится в пределах 1,2 10К - 1,5 10К. При такой температуре все легкие элементы полностью ионизированы, так что вещество представляет собой плазму – смесь протонов (ядер водорода), электронов, легких ядер (альфа – частицы) и незначительное количество средних и тяжелых ядер. В этих условиях основной источник энергии связан с превращением водорода в гелий. При «низких» температурах около 10 К основную роль доминирует реакция, при которой происходит непосредственный захват протонов протонами. При температуре 2 10 К основную роль играет реакция, при которой синтез гелия реализуется с помощью ядер углерода и азота. В отличие от первой реакции вторая реакция протекает очень быстро, так как количество ядер тяжелого водорода в звездах неизмеримо мало. Известно, что при температурах 2 10 К превращение протона в альфа частицу идет с помощью ядер – катализаторов – углерода и азота. Термоядерные реакции возможны и в земных условиях и реализованы в термоядерных процессах.

Дата добавления: 2014-01-06