- •Часть 3
- •Оглавление
- •Предисловие
- •После изучения дисциплины необходимо знать
- •После изучения дисциплины необходимо уметь
- •Содержание дисциплины
- •Самостоятельная работа и контроль знаний студентов
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •1.1. Геометрическая оптика
- •1.2. Интерференция света
- •1.3. Дифракция света
- •1.4. Поляризация света
- •1.5. Дисперсия и поглощение света
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •2.1. Тепловое излучение
- •2.2. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •3.1. Строение атомов
- •3.2. Спектр атома водорода
- •3.3. Волновые свойства частиц вещества
- •3.4. Элементы квантовой механики
- •3.5. Электронная оболочка атома
- •3.6. Атом водорода в квантовой механике
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •4.1. Строение и свойства атомного ядра
- •4.2. Радиоактивность
- •4.3. Ядерные реакции
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •5.1. Краткие исторические сведения
- •5.2. Классы элементарных частиц
- •5.3. Основные характеристики элементарных частиц
- •В опросы для самоконтроля По теме Волновая оптика
- •По теме Квантовая оптика
- •По теме Физика атома
- •По теме Физика атомного ядра
- •По теме Физика элементарных частиц
- •Т олковый словарь
- •З аключение
- •Библиографический список
- •Краткий курс физики
- •Часть 3
- •394026 Воронеж, Московский просп.,14
4.2. Радиоактивность
Радиоактивностью называют самопроизвольное (спонтанное) испускание ядром одной или нескольких частиц, сопровождающееся его превращением в другое ядро (или переход в другое состояние). Изначально радиоактивное ядро (нуклид) называют материнским, а образовавшиеся ядра – дочерними.
Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у неустойчивых изотопов, существующих в природе.
Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.
Основные виды радиоактивности: -, - и - распады. Несмотря на различие физических процессов, связанных с этими распадами, протекание их во времени описывается одним и тем же законом.
Закон радиоактивного распада, полученный сначала экспериментальным путем, описывает случайный процесс и выражается в виде соотношения, позволяющего рассчитать число не распавшихся N ядер к моменту времени t:
N = N0e ,
где N0 – число ядер при t = 0, - постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада одного ядра за 1 с и равная доле ядер, распадающихся за 1 с.
Средняя продолжительность жизни нестабильного (радиоактивного) изотопа записывается в виде соотношения:
= = = 1, 44 .
Обозначим символом период полураспада - промежуток времени t, за который количество радиоактивных ядер данного радиоактивного изотопа убывает вдвое. Полагая t = , имеем N = . Из выражения ln = - (t), получается, что ln = - ( ), или ln2 = .
Как видно, период полураспада и постоянная распада связаны соотношением:
= = .
Активностью образца А называется число распадов его атомных ядер за 1 с:
А = N0e = N = N = .
Удельной активностью вещества образца называется активность, отнесенная к единице массы.
Единицей СИ активности является беккерель (Бк) – активность радионуклида, в котором за одну секунду происходит один акт распада. На практике часто используется единица активности кюри (Ки) и ее производные – милликюри (мКи) и микрокюри (мкКи). Кюри равен активности радионуклида, в котором за одну секунду происходит 3,71010 актов распада.
Радиоактивные семейства. Больше половины элементов таблицы Менделеева имеют естественные радиоактивные изотопы. Устойчивость ядер снижается с возрастанием их массового числа А. Естественная радиоактивность легких и средних ядер – редкое явление, а среди тяжелых ядер (начиная от А 200) естественная радиоактивность есть универсальное явление.
Если все радиоактивные ядра распадаются, то почему на Земле, возраст которой не менее 4 5 млрд лет, до сих пор встречаются и будут встречаться радиоактивные изотопы?
Большинство природных радиоактивных элементов принадлежат к трем естественно - и одному искусственно - радиоактивным семействам, все элементы которых получаются последовательными - и - распадами из одного наиболее долгоживущего материнского нуклида и заканчиваются на стабильном элементе: семейство урана (от до ), семейство тория (от до ), семейство актиния (от до ), семейство нептуния (от до ). Массовые числа членов каждого из радиоактивных семейств характеризуются формулой: А = 4n + а, где n целое число; а = 0 для семейства тория (для всех членов ряда А делятся на 4 без остатка), а = 1 для семейства нептуния (А делятся на 4 с остатком 1), а = 2 для семейства урана (остаток 2) и а = 3 для семейства актиния (остаток 3). По мере распада родоначальника общее содержание промежуточных членов естественного радиоактивного семейства в земной коре медленно уменьшается. Для нептуния имеем (T = 2,14106 лет) в природе уже нет членов его семейства, все они получены искусственно. Приведем для примера последовательность элементов в семействе тория:
.
В каждом радиоактивном семействе массовые числа А нуклидов при - распаде остаются одинаковыми, а при - распаде различаются на число, кратное 4.
Альфа – распад ( - распад) – внутриядерный процесс радиоактивного деления в основном тяжелого (А 210, Z 84) материнского ядра , сопровождающийся образованием дочернего ядра и - частицы - ядра атома гелия :
+ .
Вылет именно - частицы при распаде объясняется аномально большой энергией связи ядра гелия. Благодаря туннельному эффекту, - частицы покидают радиоактивные ядра, проходя сквозь потенциальный барьер, без совершения работы против сил ядерного притяжения. Причем, на конечном этапе распада - частицы, не удерживаемые ядерными силами, отталкиваются кулоновскими силами и приобретают кинетическую энергию порядка 4 9 МэВ. Альфа – распад радиоактивных ядер может сопровождаться испусканием одного или нескольких гамма – квантов.
Бета - распад ( - распад) – внутринуклонный процесс радиоактивного превращения материнского ядра , при котором протон переходит в нейтрон (или наоборот) и участвуют электроны (или позитроны – частицы с положительным элементарным зарядом и массой, равной массе электрона) и электронное нейтрино е - возможно безмассовые нейтральные частицы со спином (или электронное антинейтрино ). К основным типам - распада относятся:
а) Электронный - - распад : + + , при + + ;
б) Позитронный + - распад : + + е, при + + е;
в) Электронный захват: + + е, при + + е.
Массовое число при бета – распаде остается прежним, так как число нуклонов в ядре не изменяется, при изменении на единицу зарядового числа.
Электронный бета – распад представляет собой самопроизвольный процесс, в основе которого лежит способность нейтрона с большей массой превращаться в протон.
Свободный протон стабилен, так как его масса меньше массы нейтрона, но при взаимодействии с другими частицами масса протона может оказаться больше и становится возможным его превращение в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. Если энергия ядра может уменьшиться за счет превращения протона в нейтрон, то происходит позитронный бета – распад.
При электронном захвате ядро поглощает электрон из атомной К – или L – оболочки и процесс сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.
В свободном пространстве может самопроизвольно идти только электронный бета – распад с распадом нейтрона.
Гамма – распад ( - распад) – радиоактивный процесс при переходах ядер из возбужденного в основное или менее возбужденное состояние, а также при ядерных реакциях, без изменения А и Z ядер и с высвобождением энергии в виде жесткого электромагнитного излучения (гамма – излучения) с испусканием - квантов.
Свободный нуклон не может испускать - кванты по закону сохранения энергии и импульса, но внутри ядра импульс может перераспределяться между всеми нуклонами и излучение фотонов становится возможным.
После испускания одного или нескольких фотонов ядро оказывается в основном состоянии. Поскольку значения энергии ядра дискретны, то спектр - излучения также дискретен.
В отличие от - распада - распад является не внутринуклонным, а внутриядерным процессом.
Кулоновский потенциальный барьер не препятствует - излучению, и поэтому время жизни - активных ядер обычно мало (10-7 10-15 с).
Возбужденное ядро может передавать избыток энергии одному из электронов атомной оболочки. Спектр вылетающих при этом электронов, в отличие от спектра - электронов, является не сплошным, а дискретным.
Гамма – лучи не отклоняются электрическими и магнитными полями и, по сравнения с - лучами (потоком ядер атомов гелия) и - лучами (потоком быстрых электронов, обладающих скоростью более 108 м/с), которые отклоняются в разные стороны, являются наиболее проникающим видом ионизирующего излучения.