Radioaktīvās atomu transformācijas. Atomu kodolu transformācijas
Nodarbības veids
Nodarbības mērķi:
Turpināt pētīt radioaktivitātes fenomenu;
Pētiet radioaktīvās transformācijas (pārvietošanas noteikumi un lādiņa un masas skaitļu saglabāšanas likums).
Izpētīt eksperimentālos pamatdatus, lai elementāri izskaidrotu kodolenerģijas izmantošanas pamatprincipus.
Uzdevumi:
izglītojošs
attīstās
izglītojošs
Lejupielādēt:
Priekšskatījums:
Nodarbība par tēmu "Atomu kodolu radioaktīvās transformācijas".
1. kategorijas fizikas skolotāja Medvedeva Gaļina Ļvovna
Nodarbības veids : mācība jauna materiāla apguvē
Nodarbības mērķi:
Turpināt pētīt radioaktivitātes fenomenu;
Pētiet radioaktīvās transformācijas (pārvietošanas noteikumi un lādiņa un masas skaitļu saglabāšanas likums).
Izpētīt eksperimentālos pamatdatus, lai elementāri izskaidrotu kodolenerģijas izmantošanas pamatprincipus.
Uzdevumi:
izglītojošs - studentu iepazīstināšana ar neobjektivitātes likumu; studentu ideju paplašināšana par pasaules fizisko ainu;
attīstās - izstrādāt radioaktivitātes, radioaktīvo pārvērtību fizikālā rakstura iemaņas, pārvietošanās noteikumus periodiskā sistēma ķīmiskie elementi; turpināt attīstīt prasmes darbā ar tabulām un diagrammām; turpināt attīstīt darba iemaņas: izceļot galveno, prezentējot materiālu, attīstot uzmanību, spēju salīdzināt, analizēt un vispārināt faktus, veicināt kritiskās domāšanas attīstību.
izglītojošs - veicināt ziņkārības attīstību, veidot spēju paust savu viedokli un aizstāvēt savu nevainību.
Nodarbības kopsavilkums:
Nodarbības teksts.
Labdien, visi klātesošie mūsu šodienas nodarbībā.
Skolotājs: Tātad mēs esam otrajā posmā pētnieciskais darbs par tēmu "Radioaktivitāte". Kas tas ir? Tas ir, šodien mēs pētīsim radioaktīvās transformācijas un pārvietošanas noteikumus. ----Tas ir mūsu pētījumu priekšmets un attiecīgi arī stundas temats
Pētniecības aprīkojums: periodiskā tabula, darba karte, problēmu kolekcija, krustvārdu mīkla (viens pret diviem).
Skolotājs, epigrāfs: "Savulaik, kad tika atklāta radioaktivitātes parādība, Einšteins to salīdzināja ar uguns ražošanu senatnē, jo uzskatīja, ka uguns un radioaktivitāte ir vienlīdz nozīmīgi pagrieziena punkti civilizācijas vēsturē."
Kāpēc viņš tā domāja?
Mūsu klases skolēni veica dažus teorētiskus pētījumus, un šeit ir rezultāts:
Studenta ziņojums:
- Pjērs Kirī ievietoja kaloriju mērītājā radija hlorīda ampulu. Tas absorbēja α-, β-, γ-starus, un to enerģijas dēļ kalorimetrs tika uzkarsēts. Kirijs noteica, ka 1 g radija 1 stundas laikā izdala apmēram 582 J enerģijas. Un šī enerģija gadu gaitā ir atbrīvojusies.
- 4 gramu hēlija veidošanos pavada tādas pašas enerģijas izdalīšanās kā 1,5-2 tonnu ogļu sadedzināšanā.
- Enerģija, kas atrodas 1 g urāna, ir vienāda ar enerģiju, kas izdalās, sadedzinot 2,5 tonnas eļļas.
Dienas, mēnešu un gadu laikā radiācijas intensitāte būtiski nemainījās. To nekādā veidā neietekmēja tādas parastās ietekmes kā apkure vai spiediena palielināšanās. Ķīmiskās reakcijas, kurās nokļuva radioaktīvās vielas, arī neietekmēja radiācijas intensitāti.
Katrs no mums ir ne tikai "radiācijas modrās" aukles "uzraudzībā", bet katrs pats par sevi esam nedaudz radioaktīvs. Radiācijas avoti atrodas ne tikai ārpus mums. Kad mēs dzeram, ar katru malku mēs ievedam organismā noteiktu skaitu radioaktīvo vielu atomu, tas pats notiek, kad mēs ēdam. Turklāt, kad mēs elpojam, mūsu ķermenis atkal no gaisa saņem kaut ko tādu, kas spēj radioaktīvi sadalīties - varbūt oglekļa C-14 radioaktīvo izotopu, varbūt kālija K-40 vai kādu citu izotopu.
Skolotājs: No kurienes rodas radioaktivitātes daudzums, kas pastāvīgi atrodas mums apkārt un iekšpusē?
Studentu komunikācija:
Saskaņā ar kodolģeofiziku dabā ir daudz dabiskas radioaktivitātes avotu. Klintīs garozaVidēji vienā tonnā iežu ir 2,5 - 3 grami urāna, 10 - 13 g torija, 15 - 25 g kālija. Tiesa, radioaktīvais K-40 ir tikai līdz 3 miligramiem uz tonnu. Visa šī radioaktīvo, nestabilo kodolu pārpilnība nepārtraukti, spontāni sabrūk. Katru minūti 1 kg sauszemes vielas sadalās vidēji 60 000 K-40 kodolu, 15 000 Rb-87 izotopu kodolu, 2400 Th-232 kodolu, 2200 U-238 kodolu. Dabiskās radioaktivitātes kopējā vērtība ir aptuveni 200 tūkstoši sabrukumu minūtē. Vai zinājāt, ka dabiskā radioaktivitāte vīriešiem un sievietēm ir atšķirīga? Šī fakta izskaidrojums ir acīmredzams - to mīkstajiem un blīvajiem audiem ir atšķirīga struktūra, tie dažādos veidos absorbē un uzkrāj radioaktīvās vielas..
PROBLĒMA: Kādi vienādojumi, likumi, likumi raksturo šīs vielu sadalīšanās reakcijas?
Skolotājs: Kādu problēmu mēs ar jums atrisināsim? Kādus risinājumus jūs iesakāt?
Studenti strādā un izdara savus pieņēmumus.
Studenta atbildes:
Risinājuma veidi:
1. students: Atgādināsim radioaktīvā starojuma pamatdefinīcijas un īpašības.
2. students: Izmantojot piedāvātos reakcijas vienādojumus (pēc kartes), iegūstiet vispārējie vienādojumi radioaktīvās konversijas reakcijām, izmantojot periodisko tabulu, formulējiet vispārīgus pārvietošanas noteikumus alfa un beta sabrukšanai.
3. māceklis : Nostiprināt iegūtās zināšanas, lai tās izmantotu turpmākajiem pētījumiem (problēmu risināšana).
Skolotājs.
Labi. Tiksimies pie risinājuma.
1. posms: darbs ar kartēm. Jums ir uzdoti jautājumi, uz kuriem jums ir jādod rakstiskiatbildes.
Pieci jautājumi - piecas pareizas atbildes. Mēs aprēķinām pēc piecu punktu sistēmas.
(Dodiet laiku darbam, pēc tam mutiski izsakiet atbildes, pārbaudiet tās pret slaidiem, atzīmējiet sevi pēc kritērijiem).
- Radioaktivitāte ir ...
- α-stari ir ...
- β-stari ir….
- γ-starojums -….
- Formulējiet lādiņa un masas skaitļu saglabāšanas likumu.
ATBILDES UN PUNKTI:
2. SOLIS. Skolotājs.
Mēs strādājam patstāvīgi un pie tāfeles (3 studenti).
A) Mēs pierakstām reakcijas vienādojumus, kurus papildina alfa daļiņu izdalīšanās.
2. Uzrakstiet urāna α-sabrukšanas reakciju235 92 U.
3. .Rakstiet polonija kodola alfa sabrukšanu
Skolotājs:
1. SECINĀJUMS:
Alfa sabrukšanas rezultātā iegūtās vielas masas skaits samazinās par 4 amu, bet lādiņa skaits - par 2 elementāriem lādiņiem.
B) Mēs pierakstām reakcijas vienādojumus, kurus papildina beta daļiņu izdalīšanās (3 studenti pie tāfeles).
viens. Uzrakstiet plutonija β-sabrukšanas reakciju239 94 Pu.
2. Uzrakstiet torija izotopa beta sabrukumu
3. Uzrakstiet kurija β sabrukšanas reakciju247 96 cm
Skolotājs: Kādu vispārīgu izteicienu mēs varam pierakstīt kopā ar jums un izdarīt atbilstošu secinājumu?
2. SECINĀJUMS:
Beta sabrukšanas rezultātā iegūtās vielas masas numurs nemainās, un lādiņa skaitlis palielinās par 1 elementāru lādiņu.
3. SOLIS.
Skolotājs: Pēc tam, kad šie izteicieni tika iegūti, Lutherfordas skolnieks Frederiks Sodijs,ierosinātie neobjektivitātes noteikumi attiecībā uz radioaktīvo sabrukšanu, ar kuras palīdzību izveidotās vielas var atrast periodiskajā tabulā. Apskatīsim iegūtos vienādojumus.
JAUTĀJUMS:
viens). KĀDA REGLAMENTITĀTE IR NOVĒRTĒTA ALFA DECAY?
ATBILDE: Ar alfa sabrukšanu iegūto vielu divas šūnas pārvieto uz periodiskās tabulas sākumu.
2). KĀDA REGLAMENTITĀTE tiek novērota BETA DECAY laikā?
ATBILDE: Beta sabrukšanas laikā iegūto vielu periodiskās tabulas beigās pārvieto viena šūna.
4. SOLIS.
Skolotājs. : Un mūsu darbības pēdējais posms šodienai:
Patstāvīgais darbs (pamatojoties uz Lukašika problēmu apkopojumu):
1. variants.
2. variants.
PĀRBAUDE: pats uz tāfeles.
NOVĒRTĒŠANAS KRITĒRIJI:
"5" - izpildītie uzdevumi
"4" - izpildīti 2 uzdevumi
"3" - izpildīts 1 uzdevums.
PAŠNovērtējums katrā nodarbībā:
JA LAIKS PALIKT:
Jautājums klasei:
Kādu tēmu šodien mācījāties klasē? Uzminējuši krustvārdu mīklu, jūs uzzināsiet radiācijas izdalīšanās procesa nosaukumu.
1. Kurš zinātnieks atklāja radioaktivitātes fenomenu?
2. matērijas daļiņa.
3. Zinātnieka uzvārds, kurš noteica radioaktīvā starojuma sastāvu.
4. Kodoli ar vienādu protonu skaitu, bet ar atšķirīgu neitronu skaitu ir ...
5. Kuriju atklāts radioaktīvs elements.
6. Polonija izotops ir alfa-radioaktīvs. Kāds elements tiek veidots šajā gadījumā?
7. Sievietes vārds - zinātniece, kas kļuva Nobela prēmijas laureāts divreiz.
8. Kas atrodas atoma centrā?
Iepriekšējā nodarbībā mēs apspriedām jautājumu, kas saistīts ar Rezerforda eksperimentu, kā rezultātā tagad mēs zinām, ka atoms ir planētas modelis. tā to sauc - atoma planētas modelis. Kodola centrā ir masīvs, pozitīvi uzlādēts kodols. Un elektroni griežas ap kodolu viņu orbītās.
Attēls: 1. Rezerforda atoma planētas modelis
Frederiks Sodijs piedalījās eksperimentos ar Rezerfordu. Sodijs ir ķīmiķis, tāpēc viņš savu darbu veica precīzi, lai identificētu iegūtos elementus pēc to ķīmiskajām īpašībām. Tieši Sodijam izdevās noskaidrot, kas īsti ir a-daļiņas, kuru plūsma Lutherforda eksperimentos nokrita uz zelta plāksnes. Veicot mērījumus, izrādījās, ka a-daļiņas masa ir 4 atomu masas vienības, un a-daļiņas lādiņš ir 2 elementāri lādiņi. Salīdzinot šīs lietas, uzkrājuši noteiktu daudzumu a-daļiņu, zinātnieki ir noskaidrojuši, ka šīs daļiņas ir pārvērtušās par ķīmisko elementu - hēlija gāzi.
Hēlija ķīmiskās īpašības bija zināmas, pateicoties tam, Sodijs apgalvoja, ka kodoli, kas ir a-daļiņas, no ārpuses uztvēra elektronus un pārvērta par neitrāliem hēlija atomiem.
Pēc tam galvenie zinātnieku centieni tika vērsti uz atoma kodola izpēti. Kļuva skaidrs, ka visi procesi, kas notiek ar radioaktīvo starojumu, notiek nevis ar elektronu apvalku, nevis ar elektroniem, kas ieskauj kodolus, bet gan ar pašiem kodoliem. Tieši kodolos notiek dažas transformācijas, kuru rezultātā veidojas jauni ķīmiskie elementi.
Pirmā šāda ķēde tika iegūta radioaktivitātes eksperimentos izmantotā radija elementa pārveidošanai inertās gāzes radonā ar a-daļiņas emisiju; reakcija šajā gadījumā ir rakstīta šādi:
Pirmkārt, a-daļiņa ir 4 atomu masas vienības un dubultā, divreiz lielāka par elementāro lādiņu, un lādiņš ir pozitīvs. Rādijam ir sērijas numurs 88, tā masas numurs ir 226, un radonam jau ir sērijas numurs 86, masas skaitlim - 222, un parādās a-daļiņa. Tas ir hēlija atoma kodols. Šajā gadījumā mēs vienkārši rakstām hēliju. Kārtas numurs 2, masas numurs 4.
Tiek sauktas reakcijas, kuru rezultātā veidojas jauni ķīmiskie elementi un vienlaikus veidojas arī jauni radiācijas un citi ķīmiskie elementi kodolreakcijas.
Kad kļuva skaidrs, ka kodola iekšpusē notiek radioaktīvi procesi, viņi pievērsās citiem elementiem, ne tikai pie rādija. Pētot dažādus ķīmiskos elementus, zinātnieki saprata, ka ir ne tikai reakcijas ar emisiju, hēlija atoma kodola alfa daļiņas emisija, bet arī citas kodola reakcijas. Piemēram, reakcijas ar b-daļiņas emisiju. Tagad mēs zinām, ka tie ir elektroni. Šajā gadījumā attiecīgi veidojas arī jauns ķīmiskais elements, jauna daļiņa, šī ir b-daļiņa, tas ir arī elektrons. Īpaša interese šajā gadījumā ir visi ķīmiskie elementi, kuru sērijas numurs ir lielāks par 83.
Tātad, mēs varam formulēt tā saukto. Sodija likumi vai radioaktīvo pārveidojumu neobjektivitātes noteikumi:
... Ar alfa sabrukšanu elementa kārtas numurs samazinās par 2, un atoma svars samazinās par 4.
Attēls: 2. Alfa sabrukšana
Beta sabrukšanas laikā sērijas numurs palielinās par 1, bet atoma svars nemainās.
Attēls: 3. Beta sabrukšana
Papildu literatūras saraksts
- Bronšteins M.P. Atomi un elektroni. "Bibliotēka" Quant "". Izdevums 1. M.: Nauka, 1980. gads
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: mācību grāmata 9. klasei vidusskola... M.: "Izglītība"
- Kitaygorodsky A.I. Fizika visiem. Fotoni un kodoli. 4. grāmata: Zinātne
- Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Fizika. Optika Kvantu fizika. 11. klase: mācību grāmata padziļināts pētījums fizika. M.: Bustard
- Rezerfords E. Atlasīts zinātniskie darbi... Radioaktivitāte. M.: Zinātne
- Rutherford E. Atlasītie zinātniskie darbi. Atoma struktūra un elementu mākslīga pārveidošana. M.: Zinātne
Atklājumu vēsture
Jau 1903. gadā fiziķi Rezerfords un Sodijs atklāja, ka radioaktīvās alfa sabrukšanas laikā elements radijs tiek pārveidots par citu ķīmisko elementu - radonu. Šiem diviem ķīmiskajiem elementiem ir pilnīgi atšķirīgas īpašības. Rādijs ir cieta viela, metāls, un radons ir inerta gāze. Rādija un radona atomi atšķiras pēc masas, elektronu skaita elektronu apvalkā un kodola lādiņa. Turpmākie pētījumi parādīja, ka beta sabrukšana pārveido dažus ķīmiskos elementus citos. 1911. gadā Rezerfords ierosināja atoma kodola modeli. Modeļa būtība bija šāda: atoms sastāv no pozitīvi uzlādēta kodola un negatīvi lādētiem elektroniem, kas pārvietojas ap kodolu. Bija loģiski pieņemt, ka šādā atoma modelī ar radioaktīvu alfa vai beta sabrukšanu izmaiņas notiek atoma kodolā, jo, ja mainītos tikai elektronu skaits, tad jaunu ķīmisko elementu nevarētu iegūt, bet tiktu iegūts tā paša ķīmiskā elementa jons ...
Formulas sabrukšana
Rādija alfa sabrukšana ir rakstīta šādi:
(226,88) Ra -\u003e (222,86) Rn + (4,2) Viņš.
Bilde
Iepriekšminētajā formulā (226.88) Ra apzīmē radija atoma kodolu, (222.86) Rn ir radona atoma kodols un (4.2) Viņš ir alfa daļiņa vai hēlija atoma kodols.
Lūdzu, ņemiet vērā, ka atoma kodola apzīmēšanai tiek izmantots tāds pats apzīmējums kā pašam atomam. Tiksim galā ar indeksiem. Augšpusē esošo numuru sauc par masas numuru. Atoma kodola masas numurs parāda, cik atomu masas vienību satur konkrētā atoma kodola masa. Tālāk pierakstīto numuru sauc par maksas numuru. Atoma kodola lādiņa numurs parāda, cik daudz elementāru elektrisko lādiņu ir attiecīgā atoma kodola lādiņā. Masas un lādiņa skaitļi vienmēr ir veseli un pozitīvi. Viņiem nav atsevišķas apzīmējumu vienības, jo tie izsaka, cik reizes konkrētā atoma kodola masa un lādiņš ir lielāks nekā atsevišķi rādītāji.
Fenomena būtība
Analizēsim reakcijas vienādojumu, ko pierakstījām rādija atoma kodola alfa sabrukšanai.
(226,88) Ra -\u003e (222,86) Rn + (4,2) Viņš.
Mums ir tāds, ka radija atoma kodols alfa daļiņas emisijas laikā ir zaudējis 4 masas vienības un divus elementārus lādiņus un tādējādi pārvērties par radona atoma kodolu. Var redzēt, ka ir ievēroti masas skaita un lādiņa saglabāšanas likumi. Pievienosim atsevišķi iegūto divu elementu masas numurus un lādiņu numurus:
Kā redzat, tie summējas ar tādām pašām vērtībām kā rādija kodols. No visa iepriekš minētā izriet, ka atoma kodols sastāv arī no dažām daļiņām, tas ir, citiem vārdiem sakot, tam ir sarežģīts sastāvs. Un tagad mēs varam precizēt radioaktivitātes definīciju. Radioaktivitāte - dažu atomu kodolu spēja spontāni pārveidoties citos kodolos, vienlaikus izstarojot daļiņas.
S.G.Kadmensky
Voroņežas Valsts universitāte
Atomu kodolu radioaktivitāte: vēsture, rezultāti, jaunākie sasniegumi
1996. gadā fiziskā sabiedrība atzīmēja atomu kodolu radioaktivitātes atklāšanas simtgadi. Šis atklājums noveda pie jaunas fizikas dzimšanas, kas ļāva saprast atoma un atoma kodola struktūru un kalpoja par vārtiem dīvainajai un harmoniskajai elementāro daļiņu kvantu pasaulei. Tāpat kā ar daudziem izciliem atklājumiem, arī radioaktivitātes atklāšana notika nejauši. 1896. gada sākumā, tūlīt pēc V.K. Izmantojot rentgenstarus, franču fiziķis Anrijs Bekerels, pārbaudot rentgenstaru fluorescējošā rakstura hipotēzi, atklāja, ka urāna-kālija sāls spontāni, spontāni, bez ārējām ietekmēm izstaro cieto starojumu. Vēlāk Bekerels konstatēja, ka šī parādība, kuru viņš dēvēja par radioaktivitāti, tas ir, radiācijas aktivitāti, ir pilnībā saistīta ar urāna klātbūtni, kas kļuva par pirmo radioaktīvo ķīmisko elementu. Dažus gadus vēlāk līdzīgas īpašības tika konstatētas torijam, pēc tam polonijam un radijam, kurus atklāja Marija un Pjērs Kirī, un vēlāk visos ķīmiskajos elementos, kuru skaits pārsniedz 82. Līdz ar akseleratoru un kodolreaktoru parādīšanos radioaktīvie izotopi tika atrasti visos ķīmiskajos elementos, no kuriem lielākā daļa praktiski nav sastopami dabiskos apstākļos.
ATOMA KODOLU RADIOAKTĪVO PĀRVEIDOŠANAS VEIDI
Analizējot urāna radioaktīvā starojuma iespiešanās spējas, E. Rezerfords atklāja divus šī starojuma komponentus: mazāk iekļūst, ko sauc par α-starojumu, un vairāk iekļūst, ko sauc par γ-starojumu. Trešo urāna starojuma sastāvdaļu, kas viscaur iespiežas, atklāja vēlāk, 1900. gadā, Pols Vilards un nosauca pēc analoģijas ar Rezerfordas γ starojuma sēriju. Rezerfords un viņa līdzstrādnieki parādīja, ka radioaktivitāte ir saistīta ar atomu sabrukšanu (daudz vēlāk kļuva skaidrs, ka mēs runājam par atomu kodolu sabrukšanu), ko papildina noteikta veida starojuma izdalīšanās no tiem. Šis secinājums deva drosmīgu triecienu fizikā un ķīmijā dominējošajam atomu nedalāmības jēdzienam.
Turpmākajos Rutherford pētījumos tika parādīts, ka α-starojums ir α-daļiņu plūsma, kas ir nekas cits kā hēlija izotopa 4 He kodoli, un β-starojums sastāv no elektroniem. Visbeidzot, γ-starojums izrādās gaismas un rentgena starojuma radinieks un ir augstas frekvences elektromagnētisko kvantu plūsma, ko izstaro atomu kodoli pārejas laikā no ierosinātajiem stāvokļiem uz zemāk esošajiem stāvokļiem.
Kodolu β sabrukšanas raksturs izrādījās ļoti interesants. Šīs parādības teoriju tikai 1933. gadā izveidoja Enriko Fermi, kurš izmantoja Volfganga Pauli hipotēzi par neitrālas daļiņas ar atpūtas masu tuvu nullei dzimšanu β-sabrukšanas laikā un sauca par neitrīno. Fermi atklāja, ka β-sabrukšana ir saistīta ar jauna veida daļiņu mijiedarbību dabā - "vāju" mijiedarbību un ir saistīta ar transformācijas procesiem neitrona pamatkodolā par protonu ar elektronu emisiju e - un antineutrino (β - sabrukšana), protonu par neitronu ar pozitrona emisiju е + un neitrīnos ν (β + -decay), kā arī ar atomu elektrona uztveršanu ar protonu un neitrīno starojumu ν (elektronu uztveršanu).
Ceturtais radioaktivitātes veids, ko 1940. gadā Krievijā atklāja jaunie fiziķi G.N. Flerovs un K.A. Petržaks ir saistīts ar spontānu kodola skaldīšanu, kuras procesā daži diezgan smagi kodoli sadalās divos fragmentos ar aptuveni vienādu masu.
Bet skaldīšana nav izsmēlusi visu veidu atomu kodolu radioaktīvās transformācijas. Kopš 20. gadsimta 50. gadiem fiziķi metodiski ir tuvojušies kodolu protonu radioaktivitātes atklāšanai. Lai pamatstāvokļa kodols spontāni izstaro protonu, ir nepieciešams, lai protona atdalīšanas enerģija no kodola būtu pozitīva. Bet šādi kodoli zemes apstākļos nepastāv, un tie bija jāveido mākslīgi. Krievu fiziķi Dubnā bija ļoti tuvu šādu kodolu iegūšanai, taču protonu radioaktivitāti 1982. gadā vācu fiziķi atklāja Darmštatē, izmantojot pasaulē jaudīgāko daudzkārt uzlādēto jonu paātrinātāju.
Visbeidzot, 1984. gadā neatkarīgas zinātnieku grupas Anglijā un Krievijā atklāja dažu smago kodolu kopu radioaktivitāti, kas spontāni izstaro kopas - atomu kodolus ar atomu svaru no 14 līdz 34.
Tabula 1. attēlā parādīta dažādu radioaktivitātes veidu atklāšanas vēsture. Laiks rādīs, vai tie ir izsmēluši visus iespējamos kodolu radioaktīvo pārveidojumu veidus. Tikmēr intensīvi turpinās kodolu meklēšana, kas no zemes izstarotu neitronu (neitronu radioaktivitāte) vai divus protonus (divu protonu radioaktivitāte).
1. tabula. Dažādu veidu radioaktivitātes atklāšanas vēsture
| Kodolu radioaktivitātes tips | Konstatētā starojuma veids | Atklāšanas gads | Atklājuma autori |
| Atomu kodolu radioaktivitāte | Radiācija | 1896 | A. Bekerels |
| Alfa sabrukšana | 4 Nav | 1898 | E. Rezerfords |
| Beta sabrukšana | e - | 1898 | E. Rezerfords |
| Gamma sabrukšana | γ -Kvantums | 1900 | P. Vilards |
| Spontāna kodola dalīšanās | Divas lauskas | 1940 | G.N. Flerovs, K.A. Petržaks |
| Protonu sabrukšana | lpp | 1982 | 3. Hofmans un citi. |
| Klasteru sabrukšana | 14 C | 1984 | X. Roze, Dž. Džonss; D.V. Aleksandrovs un citi. |
MĒRĶU ALFA ALMATU KONCEPCIJAS
Visi kodolu radioaktīvo pārveidojumu veidi atbilst eksponenciālam likumam:
N (t) \u003d N (0) eksp (-λt),
kur N (t) ir radioaktīvo kodolu skaits, kas izdzīvoja līdz laikam t > 0, ja brīdī t \u003d 0 to skaits bija N (0). Λ vērtība sakrīt ar radioaktīvā kodola sabrukšanas varbūtību laika vienībā. Tad laiks T 1/2, ko sauc par pussabrukšanas periodu, kura laikā radioaktīvo kodolu skaits samazinās uz pusi, tiek definēts kā
T 1/2 \u003d (ln2) / λ,.
T 1/2 vērtības α-izstarotājiem svārstās plašā diapazonā no 10 -10 sekundēm līdz 10 20 gadiem, atkarībā no α-daļiņas un meitas kodola relatīvās kustības enerģijas Q vērtības, kas, izmantojot enerģijas un impulsa saglabāšanas likumus α-sabrukšanas laikā, tiek noteikta kā
Q \u003d B (A-4, Z-2) + B (4,2) - B (A, Z),
kur B (A, Z) ir vecāka kodola saistīšanās enerģija. Visām izpētītajām α-pārejām vērtība Q\u003e 0 un nepārsniedz 10 MeV. 1910. gadā Hanss Geigers un Džordžs Nettals eksperimentāli atklāja likumu, kas pusperiodu T 1/2 attiecina uz enerģiju Q:
| logT 1/2 \u003d B + CQ -1/2 | (1) |
kur B un C vērtības nav atkarīgas no Q. 1. attēlā ir parādīts šis likums polonija, radona un rādija vienmērīgajiem izotopiem. Bet tad rodas ļoti nopietna problēma. Α-daļiņas un meitas kodola mijiedarbības potenciālu V (R) atkarībā no attāluma R starp to smaguma centriem var kvalitatīvi attēlot šādi (2. attēls). Lielos attālumos R tie mijiedarbojas Kulona veidā un ar potenciālu
Nelielos attālumos R spēlē maza darbības attāluma kodolspēki, un potenciāls V (R) kļūst pievilcīgs. Tāpēc potenciālā V (R) parādās barjera, kuras R B maksimuma stāvoklis, no kura V B \u003d V (R B) atrodas smagajiem kodoliem ar Z ≈ 82 10 -12 cm apgabalā, un vērtība V B \u003d 25 MeV. Bet tad rodas jautājums, kā a-daļiņa ar enerģiju Q < V B var izkļūt no radioaktīvā kodola, ja apakšbarjeras reģionā tā vērtība kinētiskā enerģija К \u003d Q - V (R) kļūst negatīvs, un no klasiskās mehānikas viedokļa daļiņas kustība šajā apgabalā nav iespējama. Šīs problēmas risinājumu 1928. gadā atrada krievu fiziķis G.A. Gamow. Atsaucoties uz neilgi pirms šī laika izveidoto kvantu mehāniku, Gamovs parādīja, ka a-daļiņas viļņu īpašības ļauj tai ar zināmu varbūtību P iekļūt caur potenciālo barjeru. Tad, ja pieņemam, ka α-daļiņa eksistē pilnībā izveidotā formā kodola iekšpusē, tās α sabrukšanas varbūtībai laika vienībā A parādās formula
kur 2 ν ir α daļiņas triecienu skaits uz barjeras iekšējo sienu, ko nosaka frekvence ν α-daļiņas vibrācijas vecāku kodola iekšienē. Tad, aprēķinot P kvantu-mehānisko vērtību un novērtējot v visvienkāršākajos tuvinājumos, Gamovs ieguva Geigera-Nettola likumu logT 1/2 (1). Gamova rezultātam bija milzīga rezonanse fiziķu vidū, jo viņš parādīja, ka atomu kodolu apraksta kvantu mehānikas likumi. Bet galvenā α sabrukšanas problēma palika neatrisināta: no kurienes rodas α daļiņas smagos kodolos, kas sastāv no neitroniem un protoniem?
DAUDZDALBU ALFU-DECAY TEORIJA
Daudzu daļiņu α sabrukšanas teorija, kurā pastāvīgi tiek risināta α daļiņas veidošanās problēma no vecāku kodola neitroniem un protoniem, radās 50. gadu sākumā un pēdējie gadi saņēma konceptuālu pabeigšanu vairāku fiziķu, tostarp autora un viņa līdzstrādnieku, darbos. Šī teorija balstās uz kodola čaulas modeli, kuru Fermi šķidruma teorijas ietvaros pamatoja L.D. Landau un A.B. Migdal, kurā tiek pieņemts, ka protons un neitrons kodolā neatkarīgi pārvietojas paškonsekventajā laukā, ko rada pārējie nukleoni. Izmantojot divu protonu un divu neitronu čaulas viļņu funkcijas, var atrast varbūtību, ar kādu šie nukleoni atradīsies daļiņu stāvoklī. Tad Gamova formulu (2) var vispārināt kā
kur W ja ir alfa daļiņas veidošanās varbūtība no vecāku kodola i nukleoniem ar meitas kodola īpaša stāvokļa f veidošanos. W aprēķini, ja vērtības ir parādījušas atomu kodolu superšķidruma īpašību ņemšanas vērā alfa sabrukšanas rakstura būtisko nozīmi.
Mazliet vēstures. 1911. gadā Heike Kamerlingh Onnes atklāja dažu metālu supravadītspējas parādību, kurai temperatūrā, kas zemāka par noteiktu kritisko vērtību, pretestība pēkšņi samazinās līdz nullei. 1938. gadā P.L. Kapitsa atklāja šķidrā hēlija 4 He superpliduma parādību, kas sastāv no tā, ka temperatūrā, kas zemāka par noteiktu kritisko vērtību, šķidrais hēlijs plūst caur plānām kapilārām caurulēm bez berzes. Ilgu laiku abas šīs parādības tika uzskatītas par neatkarīgām, lai gan daudzi fiziķi intuitīvi sajuta viņu attiecības. Šķidrā hēlija pārplūdums tika paskaidrots N.N. Bogolyubov un S.T. Beljajevs tajā, ka zemā temperatūrā tajā notiek kondensācija Bose, kurā lielākā daļa hēlija atomu tiek uzkrāta stāvoklī ar nulles impulsu. Tas ir iespējams, jo hēlija atomiem ir nulles grieziens, un tāpēc tās ir Bozes daļiņas, kas var atrasties noteiktā kvantu stāvoklī jebkurā daudzumā, piemēram, stāvoklī ar nulles impulsu. Atšķirībā no hēlija atomiem, elektroni, protoni un neitroni griežas ar pusi veselu skaitli un ir Fermi daļiņas, uz kurām attiecas Pauli princips, kas ļauj tikai vienai daļiņai atrasties noteiktā kvantu stāvoklī. Metālu supravadītspējas skaidrojums balstās uz L. Kūpera prognozēto fenomenu, kad divi supravadītāja elektroni veido saistītu sistēmu, ko sauc par Kūpera pāri. Šī pāra kopējais grieziens ir nulle, un to var uzskatīt par Bose daļiņu. Tad supravadītājā notiek Būzes Kūpera pāru kondensācija ar momentiem, kas vienādi ar nulli, un tajos rodas šo pāru pārplūstamības parādība, līdzīga šķidrā hēlija pārplūduma parādībai. Kūpera pāru pārplūstamība veido arī metālu supravadošās īpašības. Tādējādi divas parādības, kas formāli pieder pie dažādām fizikas nozarēm - supravadītspēja un pārplūstamība, izrādījās fiziski saistītas. Dabai nepatīk zaudēt savus skaistos atradumus. Viņa tos izmanto dažādos fiziskos objektos. Tas veido fizikas vienotību.
1958. gadā Oge Bohr izvirzīja hipotēzi par šķidruma īpašību esamību atomu kodolos. Gandrīz viena gada laikā šī hipotēze tika pilnībā apstiprināta un ieviesta, izveidojot atomu kodola superšķidruma modeli, kurā tiek pieņemts, ka protonu vai neitronu pāri apvienojas Kūpera pāros ar griezienu, kas vienāds ar nulli, un šo pāru Bose kondensācija veido kodolu superšķidrās īpašības.
Tā kā α-daļiņa sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem, kuru kopējie griezieni ir vienādi ar nulli, tā iekšējā simetrija sakrīt ar Cooper protonu un neitronu pāru simetriju atomu kodolos. Tāpēc α-daļiņas W veidošanās varbūtība ir maksimāla, ja to veido divi Cooper protonu un neitronu pāri. Šāda veida α-pārejas sauc par atvieglotām un notiek starp vienmērīgu-vienmērīgu kodolu pamatstāvokļiem, kur visi nukleoni ir sapāroti. Šādām pārejām smagu kodolu gadījumā ar Z\u003e 82 vērtību W, ja \u003d 10 -2. Ja α-daļiņā ir tikai viens Kūpera pāris (protons vai neitrons), tad šādas nepāra kodoliem raksturīgas α-pārejas sauc par pusvieglām un tām W, ja \u003d 5 * 10 -4. Visbeidzot, ja -nodaļa veidojas no nesaistītiem protoniem un neitroniem, tad α-pāreju sauc par neveicinātu un tai vērtību W, ja \u003d 10 -5. Pamatojoties uz kodola super šķidruma modeli, autoram un viņa līdzstrādniekiem līdz 1985. gadam izdevās, pamatojoties uz tādām formulām kā (3), aprakstīt ne tikai relatīvas, bet arī absolūtas atomu kodolu α sabrukšanas varbūtības.
DAŽĀDU DAĻU PROTONA RADIOAKTIVITĀTES TEORIJA
Lai droši novērotu atomu kodolu protonu sabrukšanu no zemes un zemā stāvoklī esošajiem ierosinātajiem stāvokļiem, ir nepieciešams, lai protona un meitas kodola Q relatīvās kustības enerģija būtu pozitīva un tajā pašā laikā ievērojami mazāka par protonu potenciālās barjeras VB augstumu, lai protonu sabrukšanas kodola kalpošanas laiks nebūtu pārāk īss tā eksperimentālie pētījumi. Parasti šādi nosacījumi tiek izpildīti tikai ar stipri neitronu deficītu kodoliem, kuru ražošana ir kļuvusi iespējama tikai pēdējos gados. Šobrīd no zemes ir atklāti vairāk nekā 25 protonu noārdītāji un izomēru (drīzāk ilgmūžīgi) ierosināti kodolu stāvokļi. No teorētiskā viedokļa protonu sabrukšana izskatās daudz vienkāršāk nekā alfa sabrukšana, jo protons ir daļa no kodola, un tāpēc šķita, ka ir iespējams izmantot tādas formulas kā formula (2). Tomēr ļoti drīz kļuva skaidrs, ka gandrīz visas protonu pārejas ir jutīgas pret vecāku un meitu kodolu struktūru, un ir jāizmanto formula (3), kā arī jāaprēķina varbūtības W, ja autoram un viņa kolēģiem būtu jāizstrādā daudzdaļīgu protonu radioaktivitātes teorija, ņemot vērā super šķidruma iedarbību. Pamatojoties uz šo teoriju, bija iespējams veiksmīgi aprakstīt visus novērotos protonu sabrukšanas gadījumus, tostarp īpaši nesaprotamo 53Co kodola ilgstošā izomēriskā stāvokļa sabrukšanas gadījumu un izteikt prognozes par visticamāk jaunajiem kandidātiem protonu radioaktivitātes novērošanai. Tajā pašā laikā tika pierādīts, ka lielākā daļa protonu sabrukšanas kodolu ir nesfēriski, atšķirībā no sākotnējām idejām.
ATOMU NUKLEJU KLUSTERU DIENA
Pašlaik eksperimentāli ir atklāti 25 kodoli no 221 Fr līdz 241 Аm, kas no zemes stāvokļiem izstaro 14 С, 20 О, 24 Ne, 26 Ne, 28 Mg, 30 Mg, 32 Si un 34 Si tipu kopas. Izejošās kopas un meitas kodola Q relatīvās kustības enerģijas svārstās no 28 līdz 94 MeV un visos gadījumos izrādās ievērojami zemākas par potenciālās barjeras V B augstumu. Tajā pašā laikā visi pētītie kopas radioaktīvie kodoli ir arī α sabrukšanas kodoli, un to kopas sabrukšanas varbūtības k attiecība laika vienībā pret līdzīgu varbūtību λ α α-sabrukšanai samazinās, palielinoties izgrūstošās kopas masai, un atrodas diapazonā no 10 -9 līdz 10 -16. Tik mazas šādu attiecību vērtības vēl nekad nav analizētas attiecībā uz citiem radioaktivitātes veidiem, un tās demonstrē rekordlielus eksperimentētāju sasniegumus, novērojot kopu sabrukšanu.
Pašlaik tiek izstrādātas divas teorētiskas pieejas, lai aprakstītu atomu kodolu klasteru sabrukšanas dinamiku, kas faktiski ir divi iespējamie ierobežojošie gadījumi. Pirmajā pieejā klastera sabrukšana tiek uzskatīta par dziļu apakšbarjera spontānu skaldīšanu, kas stipri asimetriska iegūto fragmentu masās. Šajā gadījumā vecāku kodols, kas atrodas stāvoklī a līdz plīsuma brīdis tajā netraucēti atjaunojas, manāmi mainot savu formu un izejot caur starpkonfigurāciju b, kas ir parādīts attēlā. 3. Šādas pārkārtošanas apraksts tiek veikts, balstoties uz kolektīviem kodola modeļiem, kas ir hidrodinamiskā modeļa vispārinājums. Šāda pieeja pašlaik sastopas ar ievērojamām grūtībām, raksturojot klastera sabrukšanas smalkās īpašības.
Otro pieeju konstruē pēc analoģijas ar α-sabrukšanas teoriju. Šajā gadījumā pārejas uz galīgo konfigurāciju apraksts tiek veikts, neieviešot starpkonfigurāciju b uzreiz no konfigurācijas a tādas formulas valodā kā (3), izmantojot klastera veidošanās varbūtības jēdzienu W, ja. Labs arguments par labu otrajai pieejai ir fakts, ka klasteru sabrukšanai, tāpat kā α sabrukšanas gadījumā, tiek izpildīts Geigera - Nettall likums (1), kas attiecas uz kopas pussabrukšanas periodu T 1/2 un enerģiju Q. Šis fakts ir parādīts attēlā. 4. Otrās pieejas ietvaros autoram un viņa līdzstrādniekiem pēc analoģijas ar α-sabrukšanu izdevās klasificēt kopu pārejas pēc viegluma pakāpes, izmantojot kodola superšķidruma modeļa ideoloģiju, un paredzēt smalko struktūru izejošo kopu spektros. Vēlāk šī struktūra tika atklāta franču grupas eksperimentos Saklejā. Šī pieeja arī ļāva pamatoti aprakstīt zināmo kopu sabrukšanas relatīvās un absolūtās varbūtības mērogu un veikt prognozes, novērojot kopu radioaktivitāti jaunos kopu sabrukšanas kodolos.
SECINĀJUMS
Pašlaik turpinās dažāda veida atomu kodolu radioaktivitātes pētījumi. Īpaši interesanti ir kodolu protonu sabrukšanas pētījumi, jo šajā gadījumā ir iespējams iegūt unikālu informāciju par kodolu struktūru, kas atrodas ārpus kodolu kodola stabilitātes robežām. Pavisam nesen fiziķu grupa profesora K. Dāvida vadībā Argonnas Nacionālajā laboratorijā (ASV) sintezēja stipri neitronu deficītu kodolu 131 Eu un atklāja ne tikai protonu sabrukšanu, bet arī pirmo reizi tā protonu spektra smalko struktūru. Šo fenomenu analīze, pamatojoties uz autora izstrādāto teoriju, ļāva pārliecinoši apstiprināt ideju par šī kodola spēcīgo nesfēriskumu.
Ilustrācija par interesi par šādiem pētījumiem ir žurnālista M. Brownie raksts ar nosaukumu "Skats uz neparastajiem kodoliem maina skatu uz atomu struktūru", kas parādījās New York Times 1998. gada marta numurā, kurā rezultāti aprakstīti populārā formā. ko ieguva Argonne grupa, un to interpretācijas metodes.
Iepriekš minētais pārskats, kas ilustrē ideju attīstību par atomu kodolu radioaktivitātes būtību visa gadsimta laikā, parāda skaidru jaunu zināšanu iegūšanas ātruma paātrinājumu šajā jomā, īpaši pēdējo 25 gadu laikā. Un, lai gan kodolfizika ir diezgan attīstīta zinātne eksperimentālā un teorētiskā nozīmē, nav šaubu, ka notiekošie pētījumi tās ietvaros, kā arī saskarnē ar citām zinātnēm tuvākajā nākotnē cilvēcei var dot jaunus, ļoti skaistus un pārsteidzošus rezultātus.
Kodolu radioaktīvās transformācijas
Matērijas struktūra
Viss dabā sastāv no vienkāršām un sarežģītām vielām. Vienkāršās vielas ietver ķīmiskos elementus, sarežģītus ķīmiskie savienojumi... Ir zināms, ka vielas apkārtējā pasaulē sastāv no atomiem, kas ir mazākā ķīmiskā elementa daļa. Atoms ir mazākā matērijas daļiņa, kas to definē Ķīmiskās īpašības, tam ir komplekss iekšējā struktūra... Dabā atomu veidā ir sastopamas tikai inertas gāzes, jo to ārējie apvalki ir slēgti, visas pārējās vielas pastāv molekulu formā.
1911. gadā E. Rezerfords ierosināja atoma planētas modeli, kuru izstrādāja N Bohrs (1913). Saskaņā ar vispārpieņemto atoma struktūras modeli tajā tiek izdalīti divi reģioni: smags, pozitīvi uzlādēts kodols, kas atrodas centrā, kurā ir koncentrēta gandrīz visa atoma masa, un gaismas elektronu apvalks, kas sastāv no negatīvi lādētām daļiņām - elektroniem, kas ar milzīgu ātrumu rotē ap kodolu.
Elektrons (e -)- stabila elementāra daļiņa ar atpūtas masu, kas vienāda ar 9,1 · 10 -31 kg vai 0,000548 amu. (atoma masas vienība ir atoma masas dimensiju vērtība, kas parāda, cik reizes noteikta elementa vai daļiņas atoms ir smagāks par 1/12 no izotopu oglekļa-12 atoma; 1 amu enerģijas ekvivalents ir 931 MeV). Elektrons nes vienu elementāru negatīvu elektrības lādiņu (q \u003d 1,6 · 10 -19 C), tas ir, mazāko dabā atrodamo elektrības daudzumu. Izejot no tā, elektronu lādiņu uzskata par vienu elektriskā lādiņa elementāru vienību.
Atkarībā no enerģijas, kas notur elektronus, kamēr rotē ap kodolu, tie ir sagrupēti dažādās orbītās (līmeņos vai slāņos). Dažādu atomu slāņu skaits nav vienāds. Atomos ar lielu masu orbītu skaits sasniedz septiņus. Tie ir apzīmēti ar latīņu alfabēta cipariem vai burtiem, sākot no kodola: K, L, M, N, O, P, Q. Elektronu skaits katrā slānī ir stingri noteikts. Tātad, K slānī ir ne vairāk kā 2 elektroni, L slānī - līdz 8, M slānī - līdz 18, N slānī - 32 elektroni utt.
Atoma lielumu nosaka tā elektronu apvalka lielums, kuram nav stingri noteiktas robežas. Aptuvenie lineārie atoma izmēri ir 10 -10 m.
Kodols - pozitīvi lādēta atoma centrālā masīvā daļa, kas sastāv no protoniem un neitroniem. Gandrīz visa atoma masa (vairāk nekā 99,95%) ir koncentrēta kodolā. Kopējais elektronu skaits orbītās vienmēr ir vienāds ar protonu summu kodolā. Piemēram, skābekļa atoma kodolā ir 8 protoni un orbītā ir 8 elektroni, svina atoma kodolā ir 82 protoni, bet orbītā - 82 elektroni. Pateicoties pozitīvo un negatīvo lādiņu summas vienādībai, atoms ir elektriski neitrāla sistēma. Katram elektronam, kas pārvietojas ap kodolu, darbojas divi vienādi, pretēji vērsti spēki: Kulona spēks piesaista elektronus kodolam, un vienāds centrbēdzes inerces spēks mēdz "izrāpt" elektronu no atoma. Turklāt elektroniem, kas orbītā pārvietojas (rotē) ap kodolu, vienlaikus ir savs kustības moments, ko sauc par griešanos, kas tiek vienkāršots kā rotācija, kas līdzīga virsotnei ap savu asi. Atsevišķu elektronu griezienus var orientēt paralēli (rotācija vienā virzienā) un antiparalēli (griešanās dažādos virzienos). Vienkāršotā veidā tas viss nodrošina stabilu elektronu kustību atomā.
Ir zināms, ka elektrona saiti ar kodolu ietekmē ne tikai Kulona pievilkšanās spēks un centrbēdzes inerces spēks, bet arī citu elektronu atgrūšanas spēks. Šo efektu sauc par skrīningu. Jo tālāk elektronu orbīta atrodas no kodola, jo spēcīgāks ir elektronu skrīnings uz tā un vājāka enerģijas saite starp kodolu un elektronu. Ārējās orbītās elektronu saistīšanās enerģija nepārsniedz 1-2 eV, savukārt K-slāņa elektroniem tā ir daudzkārt lielāka un palielinās, palielinoties elementa atomu skaitam. Piemēram, ogleklim elektronu saistīšanās enerģija K slānī ir 0,28 keV, stroncijam - 16 keV, cēzijam - 36 keV, urānam - 280 keV. Tāpēc ārējās orbītas elektroni ir uzņēmīgāki pret ārējiem faktoriem, jo \u200b\u200bīpaši ar zemas enerģijas starojumu. Piešķirot papildu enerģiju elektroniem no ārpuses, tie var pāriet no viena enerģijas līmeņa uz otru vai pat atstāt noteiktā atoma robežas. Ja ārējās ietekmes enerģija ir vājāka nekā elektrona saistīšanās enerģija ar kodolu, tad elektrons var pāriet tikai no viena enerģijas līmeņa uz otru. Šāds atoms paliek neitrāls, bet no pārējiem šī ķīmiskā elementa atomiem tas atšķiras ar enerģijas pārpalikumu. Atomus ar enerģijas pārpalikumu sauc par ierosinātām, un elektronu pāreju no viena enerģijas līmeņa uz otru, kas atrodas tālāk no kodola, - par ierosmes procesu. Tā kā dabā jebkura sistēma mēdz nonākt stabilā stāvoklī, kurā tās enerģija būs mazākā, tad atoms pēc kāda laika pāriet no ierosinātā stāvokļa uz zemes (sākotnējo) stāvokli. Atoma atgriešanos pamatstāvoklī pavada enerģijas pārpalikums. Elektronu pāreju no ārējām uz iekšējām orbītām pavada starojums ar viļņa garumu, kas raksturīgs tikai noteiktai pārejai no viena enerģijas līmeņa uz otru. Elektronu pārejas orbītā vistālāk no kodola rada starojumu, kas sastāv no ultravioletajiem, gaismas un infrasarkanajiem stariem. Spēcīgas ārējas ietekmes gadījumā, kad enerģija pārsniedz elektronu saistīšanās enerģiju ar kodolu, elektroni tiek izrauti no atoma un noņemti no tā. Atoms, kas zaudējis vienu vai vairākus elektronus, pārvēršas par pozitīvu jonu, un tas, kurš ir “piesaistījis” sev vienu vai vairākus elektronus, pārvēršas par negatīvu jonu. Līdz ar to katram pozitīvajam jonam veidojas viens negatīvs jons, t.i., rodas jonu pāris. Tiek saukta jonu veidošanās no neitrāliem atomiem jonizācija... Atoms jonu stāvoklī normālos apstākļos pastāv ārkārtīgi īsu laika periodu. Brīvā telpa pozitīvā jona orbītā ir piepildīta ar brīvo elektronu (elektronu, kas nav saistīts ar atomu), un atoms atkal kļūst par neitrālu sistēmu. Šo procesu sauc par jonu rekombināciju (dejonizāciju), un to papildina enerģijas pārpalikuma izdalīšanās radiācijas veidā. Jonu rekombinācijas laikā izdalītā enerģija skaitliski ir aptuveni vienāda ar jonizācijai iztērēto enerģiju.
Protons(r) Ir stabila elementārdaļiņa, kuras masa ir 1,6725 · 10 -27 kg vai 1,00758 amu, kas ir aptuveni 1840 reizes lielāka par elektrona masu. Protona lādiņš ir pozitīvs un pēc lieluma ir vienāds ar elektrona lādiņu. Ūdeņraža atoms ir kodols, kurā ir viens protons, ap kuru griežas viens elektrons. Ja jūs “noplēšat” šo elektronu, tad pārējais atoms būs protons, tāpēc protonu bieži definē kā ūdeņraža kodolu.
Katrs jebkura elementa atoms satur noteiktu skaitu protonu kodolā, kas ir nemainīgs un nosaka elementa fizikālās un ķīmiskās īpašības. Piemēram, sudraba atoma kodolā ir 47, urāna kodolā - 92. Protonu skaitu kodolā (Z) sauc par atoma numuru vai lādiņa numuru, tas atbilst DI Mendeļejeva periodiskās sistēmas elementa kārtas skaitlim.
Neitrons(n) - elektriski neitrāla elementārdaļiņa, kuras masa nedaudz pārsniedz protona masu un ir vienāda ar 1,6749 10 -27 kg vai 1,00898 amu. Neitroni ir stabili tikai kā daļa no stabiliem atomu kodoliem. Brīvie neitroni sadalās protonos un elektronos.
Neitrons, pateicoties elektriskajai neitralitātei, netiek novirzīts magnētiskā lauka ietekmē, to neatstāj atomu kodols, un tāpēc tam ir augsta iespiešanās spēja, kas rada nopietnas briesmas kā starojuma bioloģiskās ietekmes faktors. Neitronu skaits kodolā sniedz tikai elementa fiziskās īpašības, jo tā paša ķīmiskā elementa dažādos kodolos var būt atšķirīgs neitronu skaits (no 1 līdz 10). Gaismas stabilu elementu kodolos protonu skaits ir saistīts ar neitronu skaitu kā 1: 1. Palielinoties elementa atomu skaitam (sākot ar 21. elementu - skandiju), tā atomos esošo neitronu skaits pārsniedz protonu skaitu. Smagākajos kodolos neitronu skaits ir 1,6 reizes lielāks par protonu skaitu.
Protoni un neitroni ir kodola sastāvdaļas, tāpēc ērtības labad tos sauc par nukleoniem. Nukleons(no latīņu kodola - kodols) - kopīgs nosaukums kodola protoniem un neitroniem. Tāpat, runājot par konkrētu atomu kodolu, tiek izmantots termins nuklīds. Nuklīds - jebkurš atomu kodols ar noteiktu protonu un neitronu skaitu.
Atzīmējot nuklīdus vai atomus, tie izmanto elementa simbolu, kuram pieder kodols, un norāda masas skaitli virs - A, zemāk - atomu (kārtas skaitli) - Z indeksu formā, kur E ir ķīmiskā elementa simbols. A parāda nukleonu skaitu, kas veido atoma kodolu (A \u003d Z + N). Z parāda ne tikai kodola lādiņu un kārtas numuru, bet arī protonu skaitu kodolā un attiecīgi elektronu skaitu atomā, jo atoms parasti ir neitrāls. N ir neitronu skaits kodolā, kas visbiežāk netiek norādīts. Piemēram, - cēzija radioaktīvs izotops, A \u003d 137, līdz ar to kodols sastāv no 137 nukleoniem; Z \u003d 55, kas nozīmē, ka kodolā ir 55 protoni un attiecīgi atomā 55 elektroni; N \u003d 137 - 55 \u003d 82 ir neitronu skaits kodolā. Kārtas skaitlis dažreiz tiek izlaists, jo elementa simbols pilnībā nosaka tā vietu periodiskajā tabulā (piemēram, Cs-137, He-4). Atoma kodola lineārie izmēri ir 10 -15 -10 -14 m, kas ir 0,0001 no visa atoma diametra.
Protoni un neitroni tiek turēti kodola iekšienē ar izsauktajiem spēkiem kodolenerģija... Pēc intensitātes tie ir daudz spēcīgāki par elektriskajiem, gravitācijas un magnētiskajiem spēkiem. Kodolspēki ir neliela darbības rādiusa diapazonā no 10 -14 -10 -15 m. Tie izpaužas vienādi starp protonu un neitronu, protonu un protonu, neitronu un neitronu. Palielinoties attālumam starp nukleoniem, kodolspēki ļoti ātri samazinās un praktiski kļūst vienādi ar nulli. Kodolspēkiem piemīt piesātinājuma īpašība, tas ir, katrs nukleons mijiedarbojas tikai ar ierobežotu skaitu kaimiņu nukleonu. Tāpēc, palielinoties nukleonu skaitam kodolā, kodolspēki ievērojami vājinās. Tas izskaidro smago elementu kodolu zemāko stabilitāti, kas satur ievērojamu skaitu protonu un neitronu.
Lai sadalītu kodolu tā sastāvā esošajos protonos un neitronos un noņemtu tos no kodolspēku darbības lauka, ir nepieciešams veikt kādu darbu, t.i. tērēt enerģiju. Šo enerģiju sauc kodola saistošā enerģija... Gluži pretēji, kad kodols tiek veidots no nukleoniem, tiek atbrīvota saistīšanās enerģija.
m i \u003d m p N p + m n N n,
kur m i ir kodola masa; m p ir protonu masa; N p ir protonu skaits; m n ir neitronu masa; N n ir neitronu skaits, tad tas būs vienāds ar 1,0076 · 2 + 1,0089 · 2 \u003d 4,033 amu.
Tajā pašā laikā hēlija kodola faktiskā masa ir 4,003 amu. Tādējādi hēlija kodola faktiskā masa izrādās mazāka par aprēķināto par 0,03 amu. un šajā gadījumā kodolam tiek teikts par masas defektu (masas trūkums). Starpību starp aprēķināto un faktisko kodola masu sauc par masas defektu (Dm). Masas defekts parāda, cik spēcīgi daļiņas ir saistītas kodolā, kā arī to, cik daudz enerģijas tika atbrīvota kodola veidošanās laikā no atsevišķiem nukleoniem. Jūs varat savienot masu ar enerģiju, izmantojot A. Einšteina atvasināto vienādojumu:
kur DE - enerģijas maiņa; Dm - masas defekts; c ir gaismas ātrums.
Ņemot vērā, ka 1 amu. \u003d 1 661 10–27 kg, un kodolfizikā elektronu voltu (eV) uzskata par enerģijas vienību un 1 amu. ir ekvivalents 931 MeV, tad hēlija kodola veidošanās laikā izdalītā enerģija būs vienāda ar 28 MeV. Ja būtu kāds veids, kā hēlija atoma kodolu sadalīt divos protonos un divos neitronos, tad tam būtu nepieciešams tērēt vismaz 28 MeV enerģijas.
Kodolu saistīšanās enerģija palielinās proporcionāli ar nukleonu skaita pieaugumu, bet nav stingri proporcionāla to skaitam. Piemēram, slāpekļa kodola saistīšanās enerģija ir 104,56 MeV, bet urāna - 1800 MeV.
Tiek saukta vidējā saistīšanās enerģija uz vienu nukleonu specifiskā saistošā enerģija... Hēlijam tas būs 28: 4 \u003d 7 MeV. Izņemot vieglākos kodolus (deitēriju, tritiju), saistīšanās enerģija uz vienu nukleonu visiem kodoliem ir aptuveni 8 MeV.
Lielākā daļa ķīmisko elementu dabā ir noteikti atomu maisījumi ar dažādu masu kodoliem. Masu atšķirība ir saistīta ar klātbūtni kodolos dažādi skaitļi neitroni.
Izotopi (no grieķu valodas isos - tas pats un topos - vieta) - tā paša ķīmiskā elementa atoma šķirnes, kurām ir vienāds protonu skaits (Z) un atšķirīgs neitronu skaits (N). Viņiem ir praktiski vienādas fizikālās un ķīmiskās īpašības, tos ir ļoti grūti atdalīt dabīgā maisījumā. Elementu izotopu skaits svārstās no 3 ūdeņraža līdz 27 polonijam. Izotopi ir stabili un nestabili. Stabili izotopi laika gaitā nemainās, ja nav ārējas ietekmes. Nestabili vai radioaktīvi izotopi kodola iekšienē notiekošo procesu dēļ laika gaitā tiek pārveidoti par citu ķīmisko elementu izotopiem. Stabili izotopi ir atrodami tikai elementos ar sērijas numuru Z≤83. Pašlaik ir zināmi apmēram 300 stabili un vairāk nekā 2000 radioaktīvi izotopi. Visiem D.I. Mendeļejeva periodiskās sistēmas elementiem tika sintezēti radioaktīvie izotopi, kurus sauc par mākslīgiem.
Radioaktivitātes fenomens
Visi ķīmiskie elementi ir stabili tikai šaurā diapazonā protonu skaita un neitronu skaita attiecībās kodolā. Vieglos kodolos jābūt aptuveni vienādām protonu un neitronu proporcijām, t.i., attiecības n: p vērtība ir tuvu 1, smagiem kodoliem šī attiecība samazinās līdz 0,7. Ja kodolā ir pārāk daudz neitronu vai protonu, tad šādi kodoli kļūst nestabili (nestabili) un notiek spontānas radioaktīvas transformācijas, kā rezultātā mainās kodola sastāvs un vienlaikus izdalās lādētas vai neitrālas daļiņas. Spontāna starojuma parādību sauca par radioaktivitāti, un vielas, kas izstaro radiāciju, sauca par radioaktīvu.
Radioaktivitāte (no latīņu radio - izstarot, rādiuss - stars, aktivus - efektīvs) - tās ir dažu ķīmisko elementu atomu kodolu spontānas pārveidošanās (sabrukšanas) citu elementu atomu kodolos ar īpaša veida starojuma izstarošanu. Radioaktivitāte noved pie sākotnējā ķīmiskā elementa atomu skaita un masas skaita izmaiņām.
Radioaktivitātes parādības atklāšanu veicināja divi galvenie 19. gadsimta atklājumi. 1895. gadā W. Roentgen atklāja starus, kas radās, kad augstsprieguma strāva tika nodota starp elektrodiem, kas ievietoti noslēgtā stikla caurulē, no kuras tika evakuēts gaiss. Sijas sauca par rentgena stariem. Un 1896. gadā A. Bekerels atklāja, ka urāna sāļi spontāni izstaro neredzamus starus ar lielu iespiešanās spēju, izraisot fotogrāfiju plākšņu melnumu un noteiktu vielu mirdzumu. Viņš šo radiāciju nosauca par radioaktīvu. 1898. gadā Pjērs Kirī un Marija Sklodovska-Kirī atklāja divus jaunus radioaktīvos elementus - poloniju un radiju, kas izstaro līdzīgu starojumu, taču to intensitāte bija daudzkārt lielāka nekā urānam. Turklāt ir konstatēts, ka radioaktīvās vielas nepārtraukti izdala enerģiju siltuma veidā.
Radioaktīvo starojumu sauc arī par jonizējošo starojumu, jo tas var jonizēt barotni vai kodolu, uzsverot, ka starojumu izstaro kodols, nevis atoms.
Radioaktīvā sabrukšana ir saistīta ar atomu kodolu izmaiņām un enerģijas izdalīšanos, kuras vērtība parasti ir par vairākām pakāpēm lielāka nekā enerģija ķīmiskās reakcijas... Tādējādi ar pilnīgu 14 g 1 g-atoma radioaktīvo sabrukšanu izdalās 3. 10 9 kalorijas, savukārt tāda paša daudzuma 14 C sadegšana līdz oglekļa dioksīdam izdalās tikai 9.4. 10 4 kalorijas.
Kā radioaktīvās sabrukšanas enerģijas vienību ņem 1 elektronvoltu (eV) un tā atvasinājumus 1 keV \u003d 10 3 eV un 1 MeV \u003d 10 6 eV. 1 eV \u003d 1,6. 10 -19 J. 1 eV atbilst enerģijai, ko elektrons iegūst elektriskajā laukā, ejot garām ceļu, pa kuru potenciālu starpība ir 1 volts. Vairumā radioaktīvo kodolu sabrukšanas laikā izdalītā enerģija svārstās no vairākiem keV līdz vairākiem MeV.
Radioaktīvās parādības, kas notiek dabā, sauc par dabisko radioaktivitāti; līdzīgi procesi, kas notiek mākslīgi iegūtās vielās (izmantojot atbilstošas \u200b\u200bkodolreakcijas) - mākslīgā radioaktivitāte. Tomēr abi radioaktivitātes veidi pakļaujas vieniem un tiem pašiem likumiem.
Radioaktīvās sabrukšanas veidi
Atomu kodoli ir stabili, taču mainās stāvoklis, kad tiek pārkāpta noteikta protonu un neitronu attiecība. Gaismas kodolos jābūt aptuveni vienādai protonu un neitronu daļai. Ja kodolā ir pārāk daudz protonu vai neitronu, tad šādi kodoli ir nestabili un notiek spontānas radioaktīvas transformācijas, kā rezultātā mainās kodola sastāvs un līdz ar to viena elementa atoma kodols pārvēršas par cita elementa atoma kodolu. Šis process izstaro kodolstarojumu.
Ir šādi galvenie kodolenerģijas pārveidošanas vai radioaktīvās sabrukšanas veidi: alfa sabrukšana un beta sabrukšana (elektroniskā, pozitronu un K uztveršana), iekšējā konversija.
Alfa sabrukšana -tā ir alfa daļiņu emisija no radioaktīvā izotopa kodola. Divu protonu un divu neitronu ar alfa daļiņu zuduma dēļ sabrukušais kodols pārveidojas citā kodolā, kurā protonu skaits (kodola lādiņš) samazinās par 2, bet daļiņu skaits (masas skaitlis) - par 4. Tāpēc noteiktai radioaktīvai sabrukšanai saskaņā ar noteikumu pārvietojums (nobīde), ko formulējuši Faience un Soddy (1913), iegūto (meitas) elementu divas šūnas pa kreisi D.I.Mendeļejeva periodiskajā sistēmā pārvieto pa kreisi attiecībā pret oriģinālu (vecāku). Alfa sabrukšanas process parasti tiek rakstīts šādi:
,
kur X ir sākotnējā kodola simbols; Y ir sabrukšanas produkta kodola simbols; 4 2 Viņš - alfa daļiņa, Q - atbrīvoja lieko enerģiju.
Piemēram, rādija-226 kodolu sabrukšanu papildina alfa daļiņu emisija, savukārt radija-226 kodoli tiek pārveidoti par radona-222 kodoliem:
Alfa sabrukšanas laikā izdalītā enerģija tiek sadalīta starp alfa daļiņu un kodolu apgrieztā proporcijā to masām. Alfa daļiņu enerģija ir stingri saistīta ar noteiktā radionuklīda pussabrukšanas periodu (Geigera-Nettola likums) . Tas liek domāt, ka, zinot alfa daļiņu enerģiju, ir iespējams noteikt pusperiodu un līdz pussabrukšanas periodam noteikt radionuklīdu. Piemēram, polonija-214 kodolu raksturo alfa daļiņu enerģijas vērtības E \u003d 7,687 MeV un T 1/2 \u003d 4,5 × 10 -4 s, savukārt urāna-238 kodolam E \u003d 4,196 MeV un T 1/2 \u003d 4, 5 × 10 9 gadi. Turklāt tika atklāts, ka jo lielāka ir alfa sabrukšanas enerģija, jo ātrāk tā turpinās.
Alfa sabrukšana ir diezgan plaši izplatīta smago kodolu (urāna, torija, polonija, plutonija utt. Ar Z\u003e 82) kodola transformācija; Pašlaik ir zināmi vairāk nekā 160 alfa izstarojošie kodoli.
Beta sabrukšana -spontānas neitrona pārveidošanās par protonu vai protonu par neitronu kodola iekšienē, ko papildina elektronu vai pozitronu un antineitrīna vai neitrīno neona emisija.
Ja kodolā ir neitronu pārpalikums (kodola “neitronu pārslodze”), notiek elektroniska beta sabrukšana, kurā viens no neitroniem pārvēršas par protonu, izstarojot elektronu un antineitrīnu:
Šīs sabrukšanas laikā kodola lādiņš un attiecīgi meitas kodola atomu skaits palielinās par 1, un masas numurs nemainās, tas ir, meitas elements tiek pārvietots D. I. Mendeļejeva periodiskajā sistēmā par vienu šūnu pa labi no sākotnējās. Beta sabrukšanas process parasti tiek rakstīts šādi:
.
Tādā veidā kodoli ar neitronu pārpalikumu sadalās. Piemēram, stroncija-90 kodolu sabrukšanu pavada elektronu emisija un to pārveidošana par itriju-90:
Bieži vien beta sabrukšanas laikā izveidojušos elementu kodolos ir enerģijas pārpalikums, ko atbrīvo vienas vai vairāku gamma kvantu emisija. Piemēram:
Elektroniskā beta sabrukšana ir raksturīga daudziem dabā sastopamiem un mākslīgi iegūtiem radioaktīviem elementiem.
Ja nelabvēlīgā neitronu un protonu attiecība kodolā ir saistīta ar protonu pārpalikumu, tad notiek pozitronu beta sabrukšana, kurā kodols izstaro pozitronu un neitrīno, pārveidojot protonu par neitronu kodola iekšpusē:
Kodola lādiņš un attiecīgi bērna elementa atomu skaits samazinās par 1, masas numurs nemainās. Bērna elements ieņem vietu D.I. Mendeļejeva periodiskajā sistēmā vienu šūnu pa kreisi no vecākiem:
Dažiem mākslīgi ražotiem izotopiem ir pozitronu sabrukšana. Piemēram, fosfora-30 izotopu sabrukšana, veidojot silīciju-30:
Pozitrons, izbēdzis no kodola, atdala “papildu” elektronu (vāji saistīts ar kodolu) no atoma apvalka vai mijiedarbojas ar brīvo elektronu, veidojot “pozitronu-elektronu” pāri. Sakarā ar to, ka daļiņa un pretdaļiņa tiek nekavējoties iznīcināta ar enerģijas atbrīvošanu, izveidojies pāris pārvēršas divos gamma kvantos ar enerģiju, kas ekvivalenta daļiņu masai (e + un e -). Pāra “pozitronu-elektronu” pārveidošanās procesu divās gamma kvantās sauc par iznīcināšanu (iznīcināšanu), un tā rezultātā elektromagnētiskā radiācija sauc par iznīcināšanu. Šajā gadījumā notiek vienas vielas formas (vielas daļiņu) pārveidošanās citā (starojums). To apstiprina reversās reakcijas esamība - pāra veidošanās reakcija, kurā pietiekami lielas enerģijas elektromagnētiskais starojums, atoma spēcīgā elektriskā lauka ietekmē pārejot kodola tuvumā, pārvēršas par “elektrona-pozitrona” pāri.
Tādējādi pozitrona beta sabrukšanas laikā gala rezultātā no vecāka kodola neizlido daļiņas, bet gan divas gamma kvantas, kuru katra enerģija ir 0,511 MeV, vienāda ar pārējo daļiņu masas enerģijas ekvivalentu - pozitronu un elektronu E \u003d 2m ec 2 \u003d 1,022 MeV ...
Kodola pārveidošanu var veikt, izmantojot elektronu uztveršanu, kad viens no kodola protoniem spontāni uztver elektronu no vienas no atoma iekšējām čaulām (K, L utt.), Visbiežāk no K apvalka, un pārvēršas par neitronu. Šo procesu sauc arī par K-uztveršanu. Protons pārvēršas par neitronu saskaņā ar šādu reakciju:
Šajā gadījumā kodola lādiņš samazinās par 1, un masas numurs nemainās:
Piemēram,
Šajā gadījumā elektrona atbrīvoto vietu elektrons aizņem no atoma ārējiem apvalkiem. Elektronu čaulu pārkārtošanās rezultātā izstaro rentgena kvantu. Atoms joprojām saglabā elektrisko neitralitāti, jo protonu skaits kodolā elektronu uztveršanas laikā samazinās par vienu. Tādējādi šāda veida sabrukšana rada tādus pašus rezultātus kā pozitrona beta sabrukšana. Parasti tas ir raksturīgs mākslīgajiem radionuklīdiem.
Enerģija, ko kodols atbrīvo konkrēta radionuklīda beta sabrukšanas laikā, vienmēr ir nemainīga, taču, tā kā šāda veida sabrukšana rada nevis divas, bet trīs daļiņas: atsitiena kodolu (meitu), elektronu (vai pozitronu) un neitrīno, tad enerģija ir atšķirīga. katrā sabrukšanas aktā tas tiek pārdalīts starp elektronu (pozitronu) un neitrīno, jo meitas kodols vienmēr aiznes to pašu enerģijas daļu. Atkarībā no izplešanās leņķa, neitrīno var aizvest vairāk vai mazāk enerģijas, kā rezultātā elektrons var saņemt jebkuru enerģiju no nulles līdz noteiktai maksimālajai vērtībai. Tādējādi beta sabrukšanas gadījumā viena un tā paša radionuklīda beta daļiņām ir atšķirīga enerģija, no nulles līdz noteiktai maksimālajai vērtībai, kas raksturīga konkrētā radionuklīda sabrukšanai. Pēc beta starojuma enerģijas ir gandrīz neiespējami noteikt radionuklīdu.
Daži radionuklīdi var vienlaicīgi sadalīties divos vai trīs veidos: caur alfa un beta sabrukšanu un ar K uztveršanu - trīs sabrukšanas veidu kombināciju. Šajā gadījumā transformācijas tiek veiktas stingri noteiktā proporcijā. Tā, piemēram, dabiskais ilgmūžīgais kālija-40 radioizotops (T 1/2 \u003d 1,49 × 10 9 gadi), kura saturs dabiskajā kālijā ir 0,0119%, tiek pakļauts elektronu beta sabrukšanai un K uztveršanai:
(88% - elektroniskā sabrukšana),
(12% - K uztveršana).
No iepriekš aprakstītajiem sabrukšanas veidiem mēs varam secināt, ka gamma sabrukšana nepastāv “tīrā veidā”. Gamma starojums var pavadīt tikai dažāda veida sabrukšanu. Kad kodolā izstaro gamma starojumu, nemainās ne masas skaitlis, ne tā lādiņš. Līdz ar to radionuklīda raksturs nemainās, bet mainās tikai kodolā esošā enerģija. Gamma starojums tiek izstarots, kad kodoli pāriet no ierosinātā līmeņa uz vairāk nekā zems līmenis, ieskaitot galveno. Piemēram, kad cēzijs-137 sadalās, tiek izveidots ierosināts bārija-137 kodols. Pāreju no satrauktas uz stabilu stāvokli pavada gamma kvantu emisija:
Tā kā kodolu kalpošanas laiks ierosinātos stāvokļos ir ļoti īss (parasti t<10 -19 с), то при альфа- и бета-распадах гамма-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Исходя из этого, процесс гамма-излучения не выделяют в самостоятельный вид распада. Pēc gamma starojuma enerģijas, kā arī alfa starojuma enerģijas ir iespējams identificēt radionuklīdu.
Iekšējā pārveidošana.Satrauktais (šīs vai citas kodolenerģijas pārveidošanas rezultātā) atoma kodola stāvoklis norāda uz enerģijas pārpalikuma klātbūtni tajā. Uzbudināts kodols var nonākt stāvoklī ar zemāku enerģiju (normālā stāvoklī) ne tikai izstarojot gammas kvantu vai izsviežot jebkuru daļiņu, bet arī veicot iekšēju pārveidošanu vai pārveidošanu, veidojot elektronu-pozitronu pārus.
Iekšējās pārveidošanās parādība sastāv no tā, ka kodols pārraida ierosmes enerģiju uz vienu no iekšējo slāņu (K-, L- vai M-slāņa) elektroniem, kas rezultātā tiek izvilkts no atoma. Šādus elektronus sauc par konversijas elektroniem. Līdz ar to konversijas elektronu emisija ir saistīta ar tiešu kodola elektromagnētisko mijiedarbību ar apvalka elektroniem. Konversijas elektroniem ir lineārs enerģijas spektrs, atšķirībā no beta sabrukšanas elektroniem, kas dod nepārtrauktu spektru.
Ja ierosmes enerģija pārsniedz 1,022 MeV, tad kodola pāreju normālā stāvoklī var pavadīt "elektronu-pozitronu" pāra emisija, kam seko to iznīcināšana. Pēc tam, kad ir notikusi iekšējā konversija, atoma elektronu apvalkā parādās “brīva” noplēstā konversijas elektrona vieta. Viens no elektroniem no attālākiem slāņiem (no augstākiem enerģijas līmeņiem) veic kvantu pāreju uz "brīvu" vietu ar raksturīgo rentgenstaru izstarojumu.
Kodolstarojuma īpašības
Kodolstarojums (radioaktīvs) ir starojums, kas rodas radioaktīvās sabrukšanas rezultātā. Visu dabisko un mākslīgo radionuklīdu starojums ir sadalīts divos veidos - korpuskulārā un elektromagnētiskā. Korpuskulārais starojums ir daļiņu (korpusu) plūsma, kurai raksturīga noteikta masa, lādiņš un ātrums. Tie ir elektroni, positroni, hēlija atomu kodoli, deuteroni (ūdeņraža izotopa deitērija kodoli), neitroni, protoni un citas daļiņas. Parasti korpusa starojums tieši jonizē barotni.
Elektromagnētiskais starojums ir kvantu vai fotonu plūsma. Šim starojumam nav ne masas, ne lādiņa, un tas rada netiešu vides jonizāciju.
1 jona pāra veidošanās gaisā prasa vidēji 34 eV. Tāpēc jonizējošais starojums ietver starojumu, kura enerģija ir 100 un lielāka par eV (neietver redzamo gaismu un UV starojumu).
Lai raksturotu jonizējošo starojumu, tiek izmantoti nobraukuma un specifiskās jonizācijas jēdzieni. Diapazons - minimālais absorbētāja (dažas vielas) biezums, kas nepieciešams pilnīgai jonizējošā starojuma absorbcijai. Specifiskā jonizācija ir jonu pāru skaits, kas vielā jonizējošā starojuma ietekmē veidojas vienā ceļa garuma vienībā. Ņemiet vērā, ka nobraukuma un nobrauktā attāluma jēdziens nav identiski jēdzieni. Ja daļiņas pārvietojas taisnā līnijā, tad šīs vērtības sakrīt, ja daļiņu trajektorija ir salauzta tinuma līnija, tad diapazons vienmēr ir mazāks par nobrauktā ceļa garumu.
Alfa starojums ir a-daļiņu plūsma, kas ir hēlija atomu kodoli, kurus dažreiz sauc par divkārt jonizētiem hēlija atomiem). Alfa daļiņa sastāv no 2 protoniem un 2 neitroniem, tā ir pozitīvi uzlādēta un nes sev līdzi divus elementārus pozitīvus lādiņus. Daļiņu masa m a \u003d 4,003 amu. Ir lielākais no daļiņām. Kustības ātrums ir (14,1-24,9) × 10 6 m / s. Matērijā alfa daļiņas pārvietojas taisnā līnijā, kas ir saistīta ar salīdzinoši lielu masu un ievērojamu enerģiju. Novirze notiek tikai sadursmē ar kodoliem.
Alfa daļiņu diapazons vielā ir atkarīgs no alfa daļiņas enerģijas un no vielas veida, kurā tā pārvietojas. Alfa daļiņas diapazons vidēji gaisā ir 2,5–9 cm, maksimālais ir līdz 11 cm, bioloģiskajos audos - 5–100 mikroni, stiklā - 4. 10–3 cm. Alfa daļiņas enerģija ir 4-9 MeV. Alfa starojumu var pilnībā apturēt ar papīra lapu. Alfa daļiņa visā tās ceļā var radīt no 116 000 līdz 254 000 jonu pāru.
Specifiskā jonizācija ir aptuveni 40 000 jonu pāru / cm gaisā, tā pati specifiskā jonizācija organismā ir 1-2 mikronu ceļā.
Pēc enerģijas iztērēšanas alfa daļiņa tiek palēnināta, jonizācijas process apstājas. Stājas spēkā likumi, kas regulē atomu veidošanās procesu. Hēlija atomu kodoli piestiprina 2 elektronus un izveidojas pilnvērtīgs hēlija atoms. Tas izskaidro faktu par obligātu hēlija klātbūtni akmeņos, kas satur radioaktīvas vielas.
No visiem radioaktīvā starojuma veidiem visspēcīgāk fluorescējošs (spīd) ir alfa starojums.
Beta starojums Ir beta daļiņu plūsma, kas ir elektroni vai pozitroni. Tiek pārvadāts viens elementārs elektriskais lādiņš, m b \u003d 0,000548 amu. Viņi pārvietojas ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam, t.i. (0,87-2,994) × 10 8 m / s.
Atšķirībā no a-daļiņām, viena un tā paša radioaktīvā elementa b-daļiņām ir atšķirīgas enerģijas rezerves (no nulles līdz noteiktai maksimālajai vērtībai). Tas ir saistīts ar faktu, ka ar katru beta sabrukšanu no atoma kodola vienlaikus tiek izstarotas divas daļiņas: b-daļiņa un neitrīno (n e). Katrā sabrukšanas aktā izdalītā enerģija tiek sadalīta starp b-daļiņu un neitrīno dažādās proporcijās. Tāpēc beta daļiņu enerģija svārstās no MeV (mīkstā b-starojuma) desmitdaļām un simtdaļām līdz 2-3 MeV (cietais starojums).
Sakarā ar to, ka viena un tā paša beta izstarotāja emitētajām beta daļiņām ir atšķirīgas enerģijas rezerves (no minimālās līdz maksimālajai), tad gan ceļa garums, gan jonu pāru skaits nav vienādi noteiktā radionuklīda beta daļiņām. Parasti diapazons gaisā ir desmitiem cm, dažreiz vairāki metri (līdz 34 m), bioloģiskajos audos - līdz 1 cm (līdz 4 cm pie beta daļiņu enerģijas 8 MeV).
Beta starojumam ir ievērojami mazāks jonizējošais efekts nekā alfa starojumam. Tādējādi gaisā beta daļiņas visā ceļā veido no 1000 līdz 25 500 jonu pāri. Vidēji visam ceļam gaisā vai 50-100 pāru jonu uz 1 cm ceļa. Jonizācijas pakāpe ir atkarīga no daļiņas ātruma, jo mazāks ātrums, jo vairāk jonizācijas. Iemesls tam ir tāds, ka augstas enerģijas beta daļiņas pārāk ātri lido garām atomiem un tām nav laika izraisīt tādu pašu spēcīgu efektu kā lēnas beta daļiņas.
Tā kā beta daļiņām ir ļoti maza masa, saduroties ar atomiem un molekulām, tās viegli novirzās no sākotnējā virziena. Šo novirzes fenomenu sauc par izkliedi. Tāpēc ir ļoti grūti precīzi noteikt beta daļiņu ceļa garumu, nevis diapazonu, jo tas ir pārāk līkumots.
Kad enerģija tiek zaudēta, elektrons tiek uztverts vai nu ar pozitīvu jonu, lai izveidotu neitrālu atomu, vai ar atomu, lai izveidotu negatīvu jonu.
Gamma starojums Ir elektromagnētiskā starojuma fotonu (kvantu) plūsma. To izplatīšanās ātrums vakuumā ir vienāds ar gaismas ātrumu - 3 × 10 8 m / s. Tā kā gamma starojums ir viļņa garums, to raksturo viļņa garums, vibrācijas biežums un enerģija. G-kvantu enerģija ir proporcionāla vibrāciju biežumam, un vibrāciju biežums ir saistīts ar to viļņa garumu. Jo garāks viļņa garums, jo zemāka ir vibrācijas frekvence, un otrādi, t.i., vibrācijas frekvence ir apgriezti proporcionāla viļņa garumam. Jo īsāks viļņa garums un lielāka starojuma vibrācijas frekvence, jo lielāka ir tā enerģija un līdz ar to arī iespiešanās spēja. Dabisko radioaktīvo elementu gamma starojuma enerģija svārstās no vairākiem keV līdz 2-3 MeV un reti sasniedz 5-6 MeV.
Gamma kvanti, kuriem nav lādiņa un atpūtas masas, izraisa vāju jonizējošu efektu, bet tiem ir lieliska iespiešanās spēja. Gaisā viņi var pārvietoties līdz 100-150 m. Šis starojums iet caur cilvēka ķermeni bez vājināšanās.
Mērījumi
Devas koncepcija
Jonizējošā starojuma iedarbība uz apstarotiem objektiem ir šo objektu fizikāli ķīmiskās vai bioloģiskās izmaiņas. Šādu izmaiņu piemēri ir ķermeņa sasilšana, rentgena filmu fotoķīmiskā reakcija, dzīvā organisma bioloģisko parametru izmaiņas utt. Radiācijas efekts ir atkarīgs no fizikālajiem lielumiem X iraksturojot radiācijas lauku vai starojuma mijiedarbību ar vielu:
Daudzumi X ifunkcionāli saistīts ar radiācijas efektu η , sauc par dozimetriskiem. Dozimetrijas mērķis ir izmērīt, izpētīt un teorētiski aprēķināt dozimetriskos lielumus, lai prognozētu vai novērtētu radiācijas efektu, jo īpaši radiobioloģisko efektu.
Dozimetrisko lielumu sistēma tiek veidota radiobioloģijas, dozimetrijas un radiācijas drošības attīstības rezultātā. Drošības kritērijus lielā mērā nosaka sabiedrība, tāpēc dažādās valstīs ir izveidotas dažādas dozimetrisko lielumu sistēmas. Svarīga loma šo sistēmu apvienošanā ir Starptautiskajai Radioloģiskās aizsardzības komisijai (ICRP), neatkarīgai organizācijai, kas apvieno ekspertus radiācijas bioloģiskās ietekmes, dozimetrijas un
