Строение атомного ядра. Радиоактивность. Ядерные реакции. Элементарные частицы

Радиоактивное излучение и его виды. Закон радиоактивного распада

В конце 19-го века французский физик А. Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают неизвестные в то время лучи: они засвечивали фотопластинку, ионизировали воздух, проникали сквозь тонкие металлические пластинки, вызывали люминесценцию ряда веществ. Продолжив его исследования, французские физики супруги М. Склодовская-Кюри и П. Кюри установили, что подобное излучение испускают и некоторые другие элементы. Радиоактивностью называют самопроизвольное (спонтанное) превращение атомных ядер, которое сопровождается испусканием различных частиц (например, \alpha -частиц, электронов, протонов, фотонов и др.). Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между ними нет. Радиоактивность - процесс вероятностный. На характер радиоактивного излучения препарата не оказывают влияния вид химического соединения, агрегатное состояние, механическое давление, температура, электрические и магнитные поля. Радиоактивные свойства элемента обусловлены лишь структурой его ядра. При исследовании явления радиоактивности было установлено, что для каждого радиоактивного вещества существует определённый промежуток времени, по истечении которого распадается половина от начального (достаточно большого) числа ядер. Этот промежуток времени называют периодом полураспада \boldsymbol{T} . Получим закон, по которому убывает число радиоактивных ядер данного изотопа. Пусть в начальный момент времени t_{0}=0 имеется в наличии N_{0} радиоактивных ядер некоторого изотопа. Через промежуток времени \left(t_{1}-t_{0}\right)=T число радиоактивных ядер этого изотопа уменьшится вдвое, т. е. станет равным N_{1}=\frac{N_{0}}{2} . Спустя ещё такой же промежуток времени к моменту t_{2}=2 T число радиоактивных ядер вновь уменьшится вдвое и станет равным N_{2}=\frac{N_{1}}{2}=\frac{N_{0}}{4}= \frac{N_{0}}{2^{2}}=N_{0} 2^{-2} . Таким образом, к моменту времени t=n T число радиоактивных ядер окажется равным N_{n}=\frac{N_{0}}{2^{n}}=N_{0} 2^{-n} . Так как n=\frac{t}{T} , то N(t)=N_{0} 2^{-\frac{t}{T}} , где T - период полураспада. Полученная формула представляет собой закон радиоактивного распада. Она позволяет определить, сколько радиоактивных ядер данного изотопа останется к моменту времени t , если в начальный момент времени \left(t_{0}=0\right) их число было равно N_{0} . График зависимости от времени количества оставшихся атомных ядер некоторого радиоактивного изотопа имеет вид, представленный на рисунке 1.

1 Пример 1

Условие

В свинцовую капсулу поместили радиоактивный кальций { }_{20}^{45} \mathrm{Ca} . Сколько процентов от исходного большого числа ядер этого изотопа кальция останется в капсуле через 328 дней? Период полураспада этого изотопа кальция составляет 164 суток. Решение

Согласно закону радиоактивного распада, по истечении времени t от первоначального количества атомов радиоактивного вещества с периодом полураспада T останется N(t)=N_{0} 2^{-\frac{t}{T}} . Значит

\frac{N(t)}{N_{0}}=2^{-\frac{t}{T}}=2^{-\frac{328}{164}}= 2^{-2}=0,25=25 \% Ответ 25 %

Пример 2

Условие

В пробирке содержатся атомы радиоактивных изотопов ванадия и хрома. Период полураспада ядер ванадия 16,1 суток, период полураспада ядер хрома 27,8 суток. Через 80 суток число атомов ванадия и хрома сравнялось. Во сколько раз вначале число атомов ванадия превышало число атомов хрома?

Решение

Согласно закону радиоактивного распада, по истечении времени t от первоначального количества атомов радиоактивного вещества с периодом полураспада T останется N(t)=N_{0} 2^{-\frac{t}{T}} . Значит

\frac{N_{0}(\mathrm{V})}{N_{0}(\mathrm{C r})}=2^{\frac{t}{T_{V}}-\frac{t}{T_{\mathrm{Cr}}}}= 2^{\frac{80}{16,1}-\frac{80}{27,8}} \approx 4,3. Ответ 4,3.

Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро - дочерним.

Радиоактивное излучение бывает трех типов: \alpha -, \beta -распады и \gamma излучение.

\boldsymbol{\alpha} -распадом атомного ядра с зарядовым числом Z и массовым числом A называют его самопроизвольное деление на \alpha -частицу (ядро атома гелия { }_{2}^{4} \mathrm{He} ) и ядро с зарядовым числом ( Z-2 ) и массовым числом ( A-4 ).

Уравнение \alpha -распада имеет вид: { }_{Z}^{A} X \rightarrow{ }_{Z-2}^{A-4} Y+{ }_{2}^{4} \mathrm{He} .

Образующийся при \alpha -распаде изотоп расположен в таблице Д. И. Менделеева на две клетки ближе к её началу, чем исходный. Это правило называют правилом смещения при \boldsymbol{\alpha} -распаде.

Почти все склонные к \alpha -распаду ядра имеют зарядовое число Z>83 .

\alpha -излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (например, поглощаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм).

Ко второму способу радиоактивного распада относятся бета-распады двух типов.

При электронном распаде или \boldsymbol{\beta}^{-} -распаде, атомное ядро { }_{Z}^{A} X самопроизвольно испускает электрон \boldsymbol{e^{-}} и электрически нейтральную очень лёгкую частицу \overline{\boldsymbol{v}}_{\boldsymbol{e}} , получившую название электронное антинейтрино.

Распадающееся ядро превращается при этом в ядро с тем же массовым числом A , но с большим на единицу зарядовым числом Z : Уравнение электронного \beta -распада имеет вид: { }_{Z}^{A} X \rightarrow{ }_{Z+1}^{A} Y+{ }_{-1}^{0} e+\bar{v}_{e} .

При позитронном распаде, или \boldsymbol{\beta}^{+} -распаде, атомное ядро самопроизвольно испускает позитрон \boldsymbol{e}^{+} (частицу с характеристиками электрона, но положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона) и электрически нейтральную очень лёгкую частицу \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{e}} , получившую название электронное нейтрино.

Распадающееся ядро превращается при этом в ядро с тем же массовым числом A , но с меньшим на единицу зарядовым числом ( Z-1 ).

Уравнение позитронного \beta -распада имеет вид: { }_{Z}^{A} X \rightarrow{ }_{Z-1}^{A} Y+{ }_{1}^{0} e+v_{e} .

\beta -распад - процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. Этот процесс, в отличие от альфа-распада, наблюдается при всех значениях массового числа изотопа.

\beta -излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше, а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у \alpha -частиц.

При электронном \beta -распаде нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино: n \rightarrow p+e^{-}+\bar{v} .

Масса протона меньше массы нейтрона. Поэтому свободный протон не может превратиться в нейтрон. Распады свободных протонов на какие-либо частицы до сих пор не наблюдались.

Позитронный бета-распад для свободного протона невозможен. Однако такой распад возможен в ядре, если это ядро обладает избытком энергии.

Уравнение такого процесса имеет вид: p \rightarrow n+e^{+}+v_{e} .

Фотоны большой энергии называют \gamma -квантами. Экспериментально установлено, что \gamma -излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает \alpha - и \beta -распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т.д.

При \gamma -излучении A и Z ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смещения.

Если поместить пучок вылетающих из ядра частиц в сильное магнитное поле, пучок расщепляется на три пучка, которые по-разному ведут себя во внешнем магнитном поле (рис. 2).

2 Пример 3

Условие

Радиоактивный атом тория { }_{90}^{232} \mathrm{Th} после нескольких \alpha - и \beta распадов превратился в атом висмута { }_{83}^{212} \mathrm{Bi} . Сколько \alpha - и \beta -распадов произошло?

Решение

Запишем уравнение реакции

{ }_{90}^{232} \mathrm{Th} \longrightarrow{ }_{83}^{212} \mathrm{Bi}+3{ }_{-1}^{0} e+5{ }_{2}^{4} \mathrm{He}. Отсюда получаем, что произошло 5 альфа-распадов и 3 бета-распада.

Ответ 5 альфа-распадов и 3 бета-распада.

Ядерные реакции

Наряду с самопроизвольными превращениями одних изотопов в другие, существуют и превращения, вызванные внешними воздействиями. Например, в 1919 г. Резерфорд наблюдал преобразование ядер азота в ядра кислорода под действием налетающих на них ядер гелия.

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их друг с другом или другими частицами.

Для осуществления ядерной реакции необходимо сблизить взаимодействующие частицы (два ядра, ядро и нуклон и т. п.) на очень малые расстояния ( \sim 10^{-15} м). Как правило, ядерные реакции осуществляют бомбардировкой ядер пучками предварительно ускоренных протонов или ионов тех или иных изотопов.

При ядерных реакциях выполняются законы сохранения электрического заряда, энергии и импульса.

При любой ядерной реакции сохраняется суммарное массовое число: сумма чисел протонов и нейтронов до реакции равна сумме чисел протонов и нейтронов после реакции. Это утверждение обычно называют законом сохранения массового числа:

{ }_{7}^{14} \mathrm{N}+{ }_{2}^{4} \mathrm{He} \rightarrow{ }_{8}^{17} \mathrm{O}+{ }_{1}^{1} p . Энергию, выделяющуюся при ядерной реакции, называют выходом ядерной реакции. Её можно найти по разности масс частиц, вступающих в реакцию и получающихся в результате.

Чаще всего ядерные реакции, сопровождаемые выделением энергии, проходят с участием нейтронов, так как из-за отсутствия кулоновских сил отталкивания нейтроны могут попасть внутрь атомного ядра, практически не обладая кинетической энергией. Примером такой реакции является деление ядра изотопа урана при поглощении им нейтрона:

{ }_{0}^{1} n+{ }_{92}^{235} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{56}^{141} \mathrm{Ba}+{ }_{36}^{92} \mathrm{Kr}+3{ }_{0}^{1} n . Вылетевшие нейтроны могут вызвать распад других ядер урана. В результате число распадов с течением времени может нарастать. Если это происходит, то такой процесс называют цепной ядерной реакцией. Деление ядер урана используют для получения энергии в ядерных реакторах.

Образование атомного ядра из менее массивных ядер называют реакцией синтеза. Например, синтез изотопа гелия из ядер дейтерия и трития:

{ }_{1}^{2} \mathrm{H}+{ }_{1}^{3} \mathrm{H} \longrightarrow{ }_{2}^{4} \mathrm{He}+{ }_{0}^{1} n. Для осуществления реакции синтеза необходимо сблизить ядра изотопов водорода на расстояния, при которых станут значительными ядерные силы. Для этого сближающиеся ядра должны обладать очень большой кинетической энергией. Такие реакции могут протекать только при очень высоких температурах - более 10^{8} К. Поэтому эти реакции называют термоядерными.

Именно термоядерные реакции являются источниками энергии звёзд, в том числе Солнца. Термоядерная реакция лежит в основе действия самого разрушающего оружия - водородной бомбы. В разных странах, в том числе и в России, активно исследуют возможность использования термоядерных реакций для выработки электроэнергии: это дало бы нам практически неисчерпаемый источник энергии.