Fizika_i_khimia_beta-prevrascheny

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Е. В. Пучкова

ФИЗИКА И ХИМИЯ БЕТА-ПРЕВРАЩЕНИЙ

Учебное пособие

С.-Петербург ВВМ

2010

1

П90

Пучкова Е. В.

П90 Физика и химия бета-превращений: Учебное пособие. — СПб.:

ВВМ, 2010. — 104 с.

ISBN 978-5-9651-0000-0

Учебное пособие посвящено рассмотрению процессов бета-превра- щений ядер, включая позитронный и негатронный распады, двойной бе- та-распад, захват орбитального электрона. Излагаются теоретические основы неустойчивости ядер по отношению к бета-распаду, энергетические условия осуществления различных бета-превращений, причины существования разрешенных и запрещенных бета-переходов. Описаны механизмы возникновения побочного атомного и ядерного излучений, сопровождающих различные виды бета-распада, и их влияние на химическую судьбу дочерних нуклидов. Рассматриваются закономерности взаимодействия бета-частиц с веществом, радиационные и ионизационные потери энергии бета-частиц, появление тормозного излучения, излучения Вавилова—Черенкова и т. д. Большое внимание уделяется химическим последствиям бета-распада ядер и ядерно-химическому методу синтеза новых химических соединений.

Предназначено для студентов общего потока дневной и вечерней форм обучения.

ISBN 978-5-9651-0000-0	© Е. В. Пучкова, 2010
	© Издательство «ВВМ», 2010

2

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	5
Раздел 1. Общие сведения о β-превращениях . . . . . . . . . . . . . . .	6
1.1. Виды β-превращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	6
1.2. Схемы β-превращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	9

1.3.Характеристика частиц, испускаемых при β-превращениях . . . . . . . 11

1.3.1.Электрон и позитрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.2.Нейтрино и антинейтрино . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.2.1.Гипотеза Паули . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.2.2.Экспериментальное обнаружение нейтрино. . . . . . . . . 13

1.3.2.3.Свойства нейтрино и антинейтрино . . . . . . . . . . . . . 16

1.4.Условия осуществления β-превращений. . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.4.1.Несимметричное соотношение протонов и нейтронов в ядре . . . 18

1.4.2.Энергетические условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.2.1.β–-распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.2.2.β+-распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.4.2.3.Захват электрона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.5.О конкуренции процессов позитронного распада и захвата электрона. . 25

1.6.Теоретические представления о β-превращениях . . . . . . . . . . . . . 28

1.6.1.Основные положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.6.2.Классификация β-переходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.6.3.Правила отбора при β-распаде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.7.Спектры β–- и β+-частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.8.Распределение энергии β-превращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.9.Излучения, сопровождающие сложные β–-, β+-распады и захват электрона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.9.1.Механизмы возникновения ядерного излучения . . . . . . . . . . 41

1.9.2.Механизмы возникновения излучений в электронных оболочках . 44

1.10. Эффект ядерной отдачи после β-превращений . . . . . . . . . . . . . 48

1.10.1.Энергия отдачи ядра при β–- и β+-распадах . . . . . . . . . . . . 49

1.10.2.Эффект ядерной отдачи после захвата орбитального электрона . 51

3

Раздел 2. Взаимодействие β-излучения с веществом . . . . . . . . . . .	53
2.1. Особенности движения β-частиц в веществе. Траектория и пробег . .	53
2.2. Взаимодействие, сопровождаемоевозбуждениемиионизацией атомов	58

2.3.Взаимодействие, сопровождаемое генерированием электромагнитного излучения (тормозное излучение) . . . . . . . . . 60

2.4.Соотношение радиационных и ионизационных потерь энергии . . . . 63

2.5.Излучение Вавилова—Черенкова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.6.Упругое рассеяние β–-частиц в кулоновском поле ядра.

Обратное рассеяние. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	70
Раздел 3. Химические процессы, сопровождающие β-превращения .	76
3.1. Химические последствия, обусловленные эффектом ядерной отдачи
после β±-распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	76
3.2. Изменение окислительно-восстановительного и энергетического
состояния дочерних продуктов β-превращений . . . . . . . . . . . .	81

3.3.Образование атома гелия при бета-распаде трития . . . . . . . . . . . 87

3.4.Cохранение первичных молекулярных образований

и ядерно-химический синтез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.4.1.Получение элементов в необычных состояниях окисления . . . 92

3.4.2.Получение соединений благородных газов . . . . . . . . . . . . 93

3.4.3.Синтез полонийорганических соединений . . . . . . . . . . . . 95

3.5. Химические последствия захвата электрона . . . . . . . . . . . . . .			97
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .			100

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Резкая интенсификация ядерной энергетики России в предстоящее десятилетие и наблюдающийся уже сейчас в этой отрасли острый дефицит специалистов-радиохимиков приводят к необходимости более углубленного изучения вопросов ядерной химии и ядерной физики студентами химического факультета СПбГУ, включая бакалавров, специалистов и группу материаловедов. В свою очередь, повышение образовательного ценза ядерных знаний выпускников химического факультета требует разработки новых учебных пособий, отличающихся, с одной стороны, серьезным анализом явлений, протекающих на ядерном уровне материи, а, с другой стороны, изложением учебного материала в форме, доступной для студентов II–III курсов. Автор надеется, что представляемый первый выпуск (из запланированной кафедрой радиохимии серии учебных пособий) в той или иной мере отвечает указанным требованиям. Помимо описания различных видов бета-распада ядер, большое внимание в пособии уделяется разнообразным ядерным и атомным процессам, сопутствующим бета-распаду: гамма-излучению, внутренней конверсии, эффекту Оже, радиационным и ионизационным потерям электронов, обратному рассеянию электронов и т. д. Значительный акцент сделан на вопросах химии ядерных превращений и, в частности, на методах ядерно-химического синтеза, открывающего широкие возможности для синтеза новых и необычных химических соединений. Для лучшего усвоения материала учащимися приводится большое количество примеров, таблиц, рисунков, графиков, схем, используется достаточно подробная рубрикация. При разработке пособия использованы 24 литературных источников, многие из которых практически недоступны для студентов.

Автор приносит искреннюю благодарность сотрудникам кафедры радиохимии: рецензентам — доценту Е. Н. Синотовой и профессору Ю. Е. Ермоленко — за внимательное прочтение рукописи и полезные замечания, а также ведущему научному сотруднику Р. В. Богданову за полезные дискуссии при подготовке материала парагра-

фов 3.3. и 3.4.

5

Р а зд е л 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О β-ПРЕВРАЩЕНИЯХ

1.1. ВИДЫ β-ПРЕВРАЩЕНИЙ

Под общим названием β-превращения объединяют самопроизвольные ядерные процессы, которые приводят к изменению заряда ядра (порядкового номера элемента), тогда как массовое число остается прежним. В настоящее время различают следующие виды β- превращений:

1. β–-распад — испускание ядром двух частиц: отрицательно заряженного электрона и антинейтрино (ν ):

ZA X → Z +1A Y +e– +ν.		(1)
материнское	дочернее
ядро	ядро

В результате β–-распада возникает дочернее ядро с зарядом на 1 большим заряда материнского ядра, поэтому дочерний нуклид располагается в Периодической системе (ПС) химических элементов в соседней правой клетке относительно материнского.

Например:

1532P →1632S +e− +ν.

Иногда β–-распад называют негатронным распадом, а отрицательно заряженные электроны — негатронами. Однако, данная терминология не получила широкого распространения.

2. β+-распад (позитронный распад)1 — испускание ядром положительно заряженного электрона (позитрона) и нейтрино (ν):

1 Позитронный распад был открыт в 1934 г. супругами Ф. и И. Жолио-Кю- ри. Ирен Жолио-Кюри (12 сентября 1897 г. — 17 марта 1956 г.) — француз-

6

ZA X → Z –1A Y +e++ν.		(2)
материнское	дочернее
ядро	ядро

Позитронный распад приводит к уменьшению исходного заряда ядра на 1. Соответственно, порядковый номер дочернего нуклида в ПС уменьшается на 1 единицу относительно материнского ядра.

Например:

1122Na →1022Ne +e+ +ν.

3. Захват электрона2 — самопроизвольный захват ядром орбитального s-электрона с K- или L-оболочки3, сопровождаемый испусканием нейтрино:

ZA X +e− → Z –1A Y +ν.		(3)
материнское	дочернее
ядро	ядро

После захвата электрона заряд ядра уменьшается на единицу, поэтому дочернее ядро смещается в ПС на одну клетку влево по отношению к материнскому ядру.

Например:

1940K +e− →1840 Ar +ν.

Сопоставление схем распада (2) и (3) показывает, что β+-распад и электронный захват приводят к образованию одного и того же дочернего ядра, что указывает на возможность конкуренции этих процессов.

К бета-превращениям относятся процессы двойного бета-рас- пада. Понятие «двойной бета-распад» объединяет самопроизвольные ядерные превращения, в результате которых заряд (порядковый

ский физик, лауреат Нобелевской премии по химии 1935 г. совместно с Фредериком Жолио, старшая дочь Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри. Фредерик Жолио-Кюри (19 марта 1900 г. — 14 августа 1958 г.) — французский физик, лауреат Нобелевской премии по химии 1935 г.

2Процесс захвата электрона с К-оболочки открыл Луис Уолтер Альварес (13 июня 1911 г. — 1 сентября 1988 г.) — американский физик-эксперимента- тор, лауреат Нобелевской премии по физике 1968 г.

3Впервые захват электрона с L-оболочки наблюдал Бруно Максимович Понтекорво (22 августа 1913 г., Италия— 24 сентября 1993 г., Дубна) — итальянский и советский физик. С 1940 года работал в США, Канаде, Великобритании, в 1950 году иммигрировал в СССР, академик АН СССР с 1964 года.

7

номер элемента) изменяется на 2 единицы, а массовое число сохраняется прежним.

Различают следующие виды двойного бета-распада:

1) двойной β–-распад — испускание ядром двух электронов и двух антинейтрино:

ZA X → Z +2A Y +2e− +2ν.		(4)
материнское	дочернее
ядро	ядро

Результатом двойного β-распада является увеличение заряда ядра на 2 единицы, поэтому дочерний нуклид располагается в ПС на две клетки правее материнского ядра.

Например:

4820Ca →4822Ti+2e− +2ν.

2) двойной β+-распад — испускание ядром двух позитронов и двух нейтрино:

ZA X → Z –A2 Y +2e+ +2ν.		(5)
материнское	дочернее
ядро	ядро

Порядковый номер дочернего нуклида в ПС уменьшается на 2 единицы.

3) захват электрона с эмиссией позитрона — захват одного электрона с K-оболочки с испусканием позитрона и двух нейтрино:

ZA X +e− → Z –A2 Y +e+ +2ν.		(6)
материнское	дочернее
ядро	ядро

4) двойной электронный захват — захват двух электронов с K-обо- лочки с испусканием двух нейтрино:

ZA X +2e− → Z –A2 Y +2ν.		(7)
материнское	дочернее
ядро	ядро

Среди процессов двойного бета-распада экспериментально подтвержден только двойной β–-распад. Остальные виды двойного бе- та-распада предсказаны пока теоретически.

Интересно отметить, что процессы (1-3) относятся к самым распространенным видам радиоактивных превращений. Напротив, двойной бета-распад — это самый редкий из всех известных видов радиоактивного распада.

8

В настоящее время двойной β–-распад экспериментально зарегистрирован всего для 10 нуклидов: 48Ca, 76Ge, 82Se, 100Mo, 116Cd, 128, 130Te, 136Xe, 150Nd, 238U. Периоды полураспада всех ядер по этому

каналу превышают 1019 лет. В особом положении находится ядро 128Te с периодом полураспада 7.2 · 1024 лет. На сегодняшний день это самый долгоживущий радионуклид.

Регистрация такого редкого события, как двойной бета-распад требует решения ряда сложных технических проблем. Например, необходимы значительные количества высокообогащенных изотопов с максимальной степенью очистки от радиоактивных примесей, при этом экспериментальные установки для измерения двойного β-распада должны обладать очень высокой степенью защиты от внешних фоновых излучений.

Обнаружены доказательства протекания двойного бета-распада в естественных условиях (конкретный вид распада установить не удалось). При исследовании изотопного состава руд с богатыми включениями теллура, в них было обнаружено аномально высокое содержание 130Xe, достигающее 70 % от общего количества ксенона. Для сравнения, в атмосфере содержание этого нуклида всего 4.1 %. Происхождение 130Хе хорошо объясняется, если исходить из гипотезы двойного бета-распада 130Те период полураспада которого ~1021 лет.

1.2. СХЕМЫ β-ПРЕВРАЩЕНИЙ

При схематическом изображении β-превращений приняты следующиеобозначения: β–-распад нуклида изображается стрелкой, направленной вправо вниз, β+-распад и процесс K-захвата изображаются стрелкой, направленной влево вниз. Такие обозначения отражают расположение дочернего ядра в Периодической системе в соответствии с правилом сдвига. Каждой стрелке соответствует надпись, где указаны вид превращения, энергия излучаемых частиц и интенсивность (вероятность) выхода частиц с данной энергией (%). На схемах захвата электрона указывается только вероятность протекания данного процесса (%). Если одно ядро испытывает несколько видов β-превра- щений, то сумма вероятностей всех процессов равна 1 (или 100 %).

На схемах распада ядерные уровни с минимальной энергией (основные уровни) обозначаются горизонтальными линиями со штриховкой, возбужденные уровни обозначаются горизонтальными линиями без штриховки.

Если β-превращения сопровождаются излучением гамма-кван- тов, то последние изображаются вертикальными стрелками, направленными вниз, с указанием энергии излучения.

9

На рис. 1 представлен упрощенный вариант схемы распада ядра 80Br, в котором одновременно осуществляются три вида бета-пре- вращений: β+-распад, β–-распад и захват электрона.

Рис. 1. Схема распада ядра 80Br

Пример 1. При бета-распаде ядер 56Mn из основного состояния испускаются отрицательно заряженные бета-частицы с максимальными кинетическими энергиями 0.72, 1.05 и 2.86 МэВ. Разность основных энергетических уровней ядер 56Mn и 56Fe равна 3.7 МэВ. Сопровождающие распад гамма-кванты имеют энергии: 0.84, 2.14, 2.65 и 2.98 МэВ. Построить схему уровней дочернего ядра.

Энергетические уровни дочернего ядра 56Fe: 1) 3.7 – 0.72 = = 2.98 МэВ; 2) 3.7 – 1.05 = 2.65 МэВ; 3) 3.7 – 2.86 = 0.84 МэВ.

Схема переходов между ядерными уровнями:

10