Radioaktivne atomske transformacije. Transformacije atomskih jeder
Vrsta lekcije
Cilji lekcije:
Nadaljujte s preučevanjem pojava radioaktivnosti;
Proučite radioaktivne transformacije (pravila premika in zakon o ohranjanju naboja in masnih števil).
Preučiti temeljne eksperimentalne podatke, da bi na osnovni način razložili osnovna načela uporabe jedrske energije.
Naloge:
izobraževalni
razvija
izobraževalni
Prenesi:
Predogled:
Lekcija na temo "Radioaktivne transformacije atomskih jeder."
Učiteljica fizike 1. kategorije Medvedeva Galina Lvovna
Vrsta lekcije : lekcija učenja novega gradiva
Cilji lekcije:
Nadaljujte s preučevanjem pojava radioaktivnosti;
Proučite radioaktivne transformacije (pravila premika in zakon o ohranjanju naboja in masnih števil).
Preučiti temeljne eksperimentalne podatke, da bi na osnovni način razložili osnovna načela uporabe jedrske energije.
Naloge :
izobraževalni - seznanjanje študentov s pravilom pristranskosti; širjenje idej študentov o fizični sliki sveta;
razvija - razviti veščine fizične narave radioaktivnosti, radioaktivnih transformacij, pravila izpodrivanja z periodični sistem kemični elementi; še naprej razvijati veščine dela s tabelami in diagrami; še naprej razvijati delovne spretnosti: poudarjanje glavnega, predstavitev snovi, razvijanje pozornosti, sposobnost primerjave, analiziranja in posploševanja dejstev, spodbujanje razvoja kritičnega mišljenja.
izobraževalni - spodbujati razvoj radovednosti, oblikovati sposobnost izražanja svojega stališča in obrambe svoje nedolžnosti.
Povzetek lekcije:
Besedilo za lekcijo.
Dober dan, vsi prisotni na naši današnji lekciji.
Učitelj: Torej smo na drugi stopnji raziskovalno delo na temo "Radioaktivnost". Kaj je to? To pomeni, da bomo danes preučevali pravila o radioaktivnih transformacijah in premikih. ----To je predmet naše raziskave in s tem tudi tema lekcije
Raziskovalna oprema: periodni sistem, delovni zemljevid, zbirka problemov, križanka (ena za dve).
Učitelj, epigraf: "Nekoč, ko so odkrili pojav radioaktivnosti, ga je Einstein primerjal z pridobivanjem ognja v starih časih, saj je menil, da sta ogenj in radioaktivnost enako pomembna mejnika v zgodovini civilizacije."
Zakaj je tako mislil?
Učenci našega razreda so opravili nekaj teoretičnih raziskav in tukaj je rezultat:
Študentsko sporočilo:
- Pierre Curie je v kalorimeter postavil ampulo radijevega klorida. Absorbiral je α-, β-, γ-žarke in zaradi njihove energije je bil kalorimeter segret. Curie je ugotovil, da 1 g radija v 1 uri sprosti približno 582 J energije. In ta energija se je skozi leta sproščala.
- Nastanek 4 gramov helija spremlja sproščanje enake energije kot pri zgorevanju 1,5-2 ton premoga.
- Energija, ki jo vsebuje 1 g urana, je enaka energiji, ki se sprosti med zgorevanjem 2,5 tone nafte.
Čez dan, mesece in leta se intenzivnost sevanja ni opazno spreminjala. Na to nikakor niso vplivali običajni vplivi, kot sta ogrevanje ali naraščajoči tlak. Tudi kemične reakcije, ki so jih vnesle radioaktivne snovi, niso vplivale na intenzivnost sevanja.
Vsak od nas ni samo "pod nadzorom" sevalne budne "varuške", vsak od nas je malo radioaktiven sam po sebi. Viri sevanja niso samo zunaj nas. Ko pijemo, z vsakim požirkom v telo vnesemo določeno število atomov radioaktivnih snovi, enako se zgodi, ko jemo. Še več, ko dihamo, naše telo spet prejme iz zraka nekaj, kar je sposobno radioaktivnega razpada - morda radioaktivni izotop ogljika C-14, morda kalij K-40 ali kakšen drug izotop.
Učitelj: Od kod izvira količina radioaktivnosti, ki je nenehno prisotna okoli in znotraj nas?
Študentska komunikacija:
Po jedrski geofiziki je v naravi veliko virov naravne radioaktivnosti. V skalah skorjaV povprečju ena tona kamnin predstavlja 2,5 - 3 grama urana, 10 - 13 g torija, 15 - 25 g kalija. Res je, radioaktivni K-40 znaša le do 3 miligrame na tono. Vsa ta številčnost radioaktivnih, nestabilnih jeder nenehno, spontano propada. Vsako minuto v 1 kg zemeljskega materiala v povprečju razpade 60.000 jeder K-40, 15.000 izotopskih jeder Rb-87, 2.400 jeder Th-232, 2.200 jeder U-238. Skupna vrednost naravne radioaktivnosti je približno 200 tisoč razpadov na minuto. Ste vedeli, da se naravna radioaktivnost pri moških in ženskah razlikuje? Razlaga tega dejstva je očitna - mehka in gosta tkiva imajo različno strukturo, absorbirajo in kopičijo radioaktivne snovi na različne načine..
TEŽAVA: Katere enačbe, pravila, zakoni opisujejo te reakcije razgradnje snovi?
Učitelj: Kakšen problem bomo rešili z vami? Katere rešitve predlagate?
Študenti delajo in oblikujejo svoje predpostavke.
Odgovori študentov:
Načini rešitve:
Študent 1: Spomnimo se osnovnih definicij in lastnosti radioaktivnega sevanja.
Študent 2: Z uporabo predlaganih reakcijskih enačb (po zemljevidu) dobite splošne enačbe za reakcije radioaktivne pretvorbe z uporabo periodnega sistema oblikujte splošna pravila premika za razpad alfa in beta.
Vajenec 3 : Utrditi pridobljeno znanje, da bi ga uporabili za nadaljnje raziskave (reševanje problemov).
Učitelj.
Dobro. Pojdimo k rešitvi.
Faza 1: delo z zemljevidi. Dobili ste vprašanja, na katera morate pisno odgovoritiodgovori.
Pet vprašanj - pet pravilnih odgovorov. Ocenjujemo po pettočkovnem sistemu.
(Dajte si čas za delo, nato odgovore odgovorite ustno, jih preverite na diapozitivih, označite se po kriterijih).
- Radioaktivnost je ...
- α-žarki so ...
- β-žarki so….
- γ-sevanje -….
- Oblikujte zakon o ohranjanju naboja in masnih števil.
ODGOVORI IN TOČKE:
KORAK 2. Učitelj.
Delamo samostojno in na tabli (3 učenci).
A) Zapišemo reakcijske enačbe, ki jih spremlja sproščanje alfa delcev.
2. Napiši reakcijo α-razpada urana235 92 U.
3. .Napiši alfa razpad jedra polonija
Učitelj:
ZAKLJUČEK # 1:
Zaradi razpada alfa se masno število nastale snovi zmanjša za 4 amu, nabojno število pa za 2 osnovna naboja.
B) Zapišemo reakcijske enačbe, ki jih spremlja sproščanje beta delcev (3 učenci ob tabli).
ena. Napišite reakcijo β-razpada plutonija239 94 Pu.
2. Napišite beta razpad izotopa torija
3. Napiši reakcijski β-razpad kurija247 96 cm
Učitelj: Kateri splošni izraz lahko zapišemo z vami in naredimo ustrezen zaključek?
ZAKLJUČEK # 2:
Zaradi beta razpada se masno število nastale snovi ne spremeni in število naboja se poveča za 1 osnovni naboj.
3. KORAK
Učitelj: Nekoč, potem ko so bili ti izrazi pridobljeni, je Rutherfordov študent Frederick Soddy,predlagana pravila pristranskosti za radioaktivni razpad, s pomočjo katerih je v periodnem sistemu mogoče najti nastale snovi. Poglejmo enačbe, ki smo jih dobili.
VPRAŠANJE:
ena). KAKŠNA ZAKONITOST JE ZADRŽENA V ALFA DECEU?
ODGOVOR: Pri razpadanju alfa se nastala snov premakne za dve celici na začetek periodnega sistema.
2). KAKŠNA UREDITEV SE UGOTAVLJA MED BETA DENESOM?
ODGOVOR: Med razpadanjem beta nastalo snov premakne ena celica proti koncu periodnega sistema.
4. KORAK
Učitelj. : In zadnja stopnja naše dejavnosti za danes:
Samostojno delo (na podlagi zbirke problemov Lukashika):
1. možnost
2. možnost
PREVERITE: na tabli, sami.
MERILA ZA OCENJEVANJE:
"5" - opravljene naloge
"4" - opravljene 2 nalogi
"3" - opravljena 1 naloga.
SAMO OCENA NA LEKCIJO:
ČE ČAS OBSTAJE:
Vprašanje predavalcu:
Katero temo ste danes preučevali pri pouku? Ko ste uganili križanko, boste izvedeli ime postopka sproščanja sevanja.
1. Kateri znanstvenik je odkril pojav radioaktivnosti?
2. Delček snovi.
3. Priimek znanstvenika, ki je določal sestavo radioaktivnega sevanja.
4. Jedra z enakim številom protonov, vendar z različnim številom nevtronov so ...
5. Radioaktivni element, ki so ga odkrili Curyi.
6. Izotop polonija je alfa-radioaktiven. Kateri element se tvori v tem primeru?
7. Ime ženske - znanstvenice, ki je postala Nobelov nagrajenec dvakrat.
8. Kaj je v središču atoma?
V prejšnji lekciji smo razpravljali o vprašanju, povezanem z Rutherfordovim eksperimentom, zaradi česar zdaj vemo, da je atom planetarni model. temu se reče - planetarni model atoma. V središču jedra je masivno, pozitivno nabito jedro. In elektroni se vrtijo okoli jedra v svojih orbitah.
Slika: 1. Rutherfordov planetarni model atoma
Frederick Soddy je sodeloval v poskusih z Rutherfordom. Soddy je kemik, zato je svoje delo opravljal natančno v smislu prepoznavanja dobljenih elementov po njihovih kemijskih lastnostih. Soddy je bil tisti, ki je lahko ugotovil, kaj točno so a-delci, katerih tok je v Rutherfordovih poskusih padel na zlato ploščo. Ko so bile opravljene meritve, se je izkazalo, da je masa a-delca 4 atomske masne enote, naboj a-delca pa 2 osnovna naboja. Primerjali so te stvari, ko so nabrali določeno število a-delcev, so znanstveniki ugotovili, da so se ti delci spremenili v kemični element - helijev plin.
Kemijske lastnosti helija so bile znane, zahvaljujoč temu je Soddy trdil, da so jedra, ki so a-delci, zajela elektrone od zunaj in se spremenila v nevtralne atome helija.
Kasneje so bila glavna prizadevanja znanstvenikov usmerjena v preučevanje jedrskega jedra. Postalo je jasno, da se vsi procesi, ki se dogajajo z radioaktivnim sevanjem, ne dogajajo z elektronsko lupino, ne z elektroni, ki obkrožajo jedra, temveč z jedri samimi. Prav v jedrih se zgodijo nekatere transformacije, zaradi katerih nastanejo novi kemični elementi.
Prvo takšno verigo smo dobili za pretvorbo elementa radija, ki je bil uporabljen v eksperimentih o radioaktivnosti, v radon inertnega plina z emisijo a-delca; reakcija v tem primeru je zapisana tako:
Najprej je a-delec 4 atomske masne enote in dvojni, dvakrat večji od osnovnega naboja, naboj pa je pozitiven. Radij ima redno številko 88, masno število je 226, radon pa 86, masno številko 222 in pojavi se a-delec. To je jedro atoma helija. V tem primeru pišemo samo helij. Redna številka 2, masna številka 4.
Imenujejo se reakcije, pri katerih nastanejo novi kemični elementi in hkrati nastanejo nova sevanja in drugi kemični elementi jedrske reakcije.
Ko je postalo jasno, da znotraj jedra potekajo radioaktivni procesi, so se obrnili na druge elemente, ne samo na radij. Znanstveniki so pri proučevanju različnih kemijskih elementov ugotovili, da obstajajo ne samo reakcije z emisijo, emisija delca jedra atoma helija, temveč tudi druge jedrske reakcije. Na primer reakcije z emisijo b-delca. Zdaj vemo, da so to elektroni. V tem primeru se tvori tudi nov kemični element, nov delec, to je b-delec, je tudi elektron. V tem primeru so še posebej zanimivi vsi kemični elementi s serijsko številko večjo od 83.
Torej, lahko oblikujemo t.i. Soddyjeva pravila ali predsodki za radioaktivne transformacije:
... Z alfa razpadom se zaporedno število elementa zmanjša za 2, atomska teža pa za 4.
Slika: 2. Alfa razpad
Med beta razpadom se serijska številka poveča za 1, medtem ko se atomska teža ne spremeni.
Slika: 3. Razpad beta
Seznam dodatne literature
- Bronstein M.P. Atomi in elektroni. "Knjižnica" Količina "". Težava 1. M.: Nauka, 1980
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: učbenik za 9. razred srednja šola... M.: "Izobraževanje"
- Kitaygorodsky A.I. Fizika za vse. Fotoni in jedra. Knjiga 4. M.: Znanost
- Myakishev G.Y., Sinyakova A.Z. Fizika. Kvantna fizika optike. 11. razred: učbenik za poglobljena študija fizika. M.: Droga
- Rutherford E. Izbrano znanstvenih del... Radioaktivnost. M.: Znanost
- Rutherford E. Izbrana znanstvena dela. Struktura atoma in umetno preoblikovanje elementov. M.: Znanost
Zgodovina odkritij
Že leta 1903 sta fizika Rutherford in Soddy odkrila, da radioaktivni alfa razpad pretvori element radij v drug kemični element, radon. Ta dva kemična elementa imata popolnoma različni lastnosti. Radij je trdna snov, kovina in radon je inerten plin. Atomi radija in radona se razlikujejo po masi, številu elektronov v elektronski lupini in naboju jedra. Nadaljnje študije so pokazale, da beta razpad pretvori nekatere kemične elemente v druge. Leta 1911 je Rutherford predlagal jedrski model atoma. Bistvo modela je bilo naslednje: atom je sestavljen iz pozitivno napolnjenega jedra in negativno nabitih elektronov, ki se gibljejo okoli jedra. Logično je bilo domnevati, da pri takšnem modelu atoma z radioaktivnim alfa ali beta razpadom pride do spremembe v jedru atoma, saj če bi se spremenilo le število elektronov, nov kemični element ne bi bil vendar bi bil pridobljen ion istega kemijskega elementa ...
Formula propada
Alfa razpad radija je zapisan na naslednji način:
(226,88) Ra -\u003e (222,86) Rn + (4,2) He.
Slika
V zgornji formuli (226,88) Ra označuje jedro atoma radija, (222,86) Rn je jedro atoma radona in (4,2) Je alfa delček ali jedro atoma helija.
Upoštevajte, da se za označevanje jedra atoma uporablja enak zapis kot za sam atom. Ukvarjajmo se z indeksi. Številka na vrhu se imenuje masno število. Masno število jedra atoma kaže, koliko atomskih masnih enot vsebuje masa jedra danega atoma. Številka, ki je zapisana spodaj, se imenuje številka naboja. Številka naboja jedra atoma kaže, koliko elementarnih električnih nabojev vsebuje naboj jedra danega atoma. Masna in nabojna števila so vedno cele in pozitivne vrednosti. Nimajo ločene enote označevanja, saj izražajo, kolikokrat je masa in naboj jedra danega atoma večja od posameznih indikatorjev.
Bistvo pojava
Analizirajmo reakcijsko enačbo, ki smo jo zapisali za alfa razpad jedra radijskega atoma.
(226,88) Ra -\u003e (222,86) Rn + (4,2) He.
Imamo, da je jedro radijskega atoma med oddajanjem alfa delca izgubilo 4 masne enote in dva osnovna naboja in se tako spremenilo v jedro atoma radona. Vidimo, da so zakoni ohranjanja masnega števila in naboja izpolnjeni. Dodajte ločeno masna števila in nabojna števila nastalih dveh elementov:
Kot lahko vidite, seštejejo enake vrednosti kot jedro radija. Iz vsega navedenega izhaja, da je jedro atoma sestavljeno tudi iz nekaterih delcev, torej z drugimi besedami, ima zapleteno sestavo. In zdaj lahko natančneje opredelimo radioaktivnost. Radioaktivnost - sposobnost jeder nekaterih atomov, da se spontano spremenijo v druga jedra, medtem ko oddajajo delce.
S. G. Kadmensky
Voronješka državna univerza
Radioaktivnost atomskih jeder: zgodovina, rezultati, najnovejši dosežki
Leta 1996 je fizična skupnost praznovala stoletnico odkritja radioaktivnosti atomskih jeder. To odkritje je privedlo do rojstva nove fizike, ki je omogočila razumevanje strukture atoma in atomskega jedra ter je služila kot prehod v čuden in harmoničen kvantni svet osnovnih delcev. Kot pri mnogih izjemnih odkritjih se je tudi odkritje radioaktivnosti zgodilo po naključju. V začetku leta 1896, takoj po odkritju V.K. Francoski fizik Henri Becquerel je z uporabo rentgenskih žarkov v postopku preizkušanja hipoteze o fluorescentni naravi rentgenskega sevanja odkril, da urano-kalijeva sol spontano, spontano, brez zunanjih vplivov oddaja trdo sevanje. Kasneje je Becquerel ugotovil, da je ta pojav, ki ga je poimenoval radioaktivnost, torej sevalna aktivnost, v celoti povezan s prisotnostjo urana, ki je postal prvi radioaktivni kemični element. Nekaj \u200b\u200blet kasneje so podobne lastnosti našli v toriju, nato v poloniju in radiju, ki sta jih odkrila Marie in Pierre Curie, kasneje pa tudi pri vseh kemičnih elementih, katerih število je več kot 82. S pojavom pospeševalnikov in jedrskih reaktorjev so se radioaktivni izotopi so jih našli v vseh kemičnih elementih, ki jih v naravnih pogojih praktično ne najdemo.
Vrste radioaktivnih pretvorb atomskih jeder
E. Rutherford je pri analizi penetracijske sposobnosti radioaktivnega sevanja iz urana odkril dve komponenti tega sevanja: manj prodorno, imenovano α-sevanje, in bolj prodorno, imenovano γ-sevanje. Tretjo komponento uranovega sevanja, najbolj prodorno od vseh, je pozneje, leta 1900, odkril Paul Willard in jo po analogiji poimenoval z Rutherfordovo serijo γ-sevanja. Rutherford in njegovi sodelavci so pokazali, da je radioaktivnost povezana z razpadom atomov (veliko kasneje je postalo jasno, da govorimo o razpadu atomskih jeder), ki ga spremlja sproščanje določene vrste sevanja iz njih. Ta ugotovitev je zadala hud udarec konceptu nedeljivosti atomov, ki je prevladoval v fiziki in kemiji.
V nadaljnjih študijah Rutherforda je bilo dokazano, da je α-sevanje tok α-delcev, ki niso nič drugega kot jedra helijevega izotopa 4 He, β-sevanje pa je sestavljeno iz elektronov. Končno se izkaže, da je gama sevanje relativno svetlobo in rentgensko sevanje in je tok visokofrekvenčnih elektromagnetnih kvantov, ki jih oddajajo atomska jedra med prehodom iz vzbujenih v nižje ležeča stanja.
Narava β-razpada jeder se je izkazala za zelo zanimivo. Teorijo tega pojava je leta 1933 ustvaril Enrico Fermi, ki je uporabil hipotezo Wolfganga Paulija o rojstvu v β-razpadu nevtralnega delca z maso počitka blizu ničle in ga imenoval nevtrino. Fermi je odkril, da je razpad β posledica nove vrste interakcije delcev v naravi - "šibke" interakcije in je povezana s procesi preoblikovanja v nadrejenem jedru nevtrona v proton z oddajanjem elektrona e - in antinevtrino (β - razpad), protona v nevtron z emisijo pozitrona е + in nevtrinov ν (β + -razpad), pa tudi z zajemom atomskega elektrona s protonom in emisijo nevtrina ν (zajem elektronov).
Četrta vrsta radioaktivnosti, ki so jo leta 1940 v Rusiji odkrili mladi fiziki G.N. Flerov in K.A. Petrzhak, je povezana s spontano cepitvijo jedra, pri kateri nekatera precej težka jedra razpadejo na dva drobca s približno enakimi masami.
Toda cepitev ni izčrpala vseh vrst radioaktivnih transformacij atomskih jeder. Od petdesetih let so fiziki metodično pristopili k odkritju protonske radioaktivnosti jeder. Da lahko jedro v osnovnem stanju spontano oddaja proton, mora biti energija ločevanja protona od jedra pozitivna. Toda taka jedra v kopenskih pogojih ne obstajajo in jih je bilo treba ustvariti umetno. Ruski fiziki v Dubni so bili zelo blizu pridobivanju takšnih jeder, vendar so protonsko radioaktivnost leta 1982 odkrili nemški fiziki v Darmstadtu z najmočnejšim pospeševalnikom večkrat nabitih ionov na svetu.
Nazadnje so leta 1984 neodvisne skupine znanstvenikov v Angliji in Rusiji odkrile radioaktivnost grozdov nekaterih težkih jeder, ki spontano oddajajo grozde - atomska jedra z atomsko težo od 14 do 34.
Tabela 1 predstavlja zgodovino odkritja različnih vrst radioaktivnosti. Čas bo pokazal, ali so izčrpali vse možne vrste radioaktivnih pretvorb jeder. Medtem se intenzivno nadaljuje iskanje jeder, ki bi iz zemeljskih zvez oddajala nevtron (nevtronska radioaktivnost) ali dva protona (dvotonska radioaktivnost).
Tabela 1. Zgodovina odkritja različnih vrst radioaktivnosti
| Vrsta radioaktivnosti jeder | Vrsta zaznanega sevanja | Leto odprtja | Avtorji odkritja |
| Radioaktivnost atomskih jeder | Sevanje | 1896 | A. Becquerel |
| Alfa razpad | 4 Ne | 1898 | E. Rutherford |
| Beta razpad | e - | 1898 | E. Rutherford |
| Gama razpad | γ -Kvantum | 1900 | P. Willard |
| Spontana cepitev jedra | Dva drobca | 1940 | G.N. Flerov, K.A. Petrzhak |
| Razpad protona | str | 1982 | 3. Hoffman in sod. |
| Razpad grozda | 14 ° C | 1984 | X. Rose, G. Jones; D.V. Aleksandrov in drugi. |
SODOBNI POJMOVI ALFA DECEAJA
Vse vrste radioaktivnih transformacij jeder ustrezajo eksponentnemu zakonu:
N (t) \u003d N (0) exp (-λt),
kjer je N (t) število radioaktivnih jeder, ki so preživela do časa t > 0, če je bilo v trenutku t \u003d 0 njihovo število N (0). Vrednost λ sovpada z verjetnostjo razpada radioaktivnega jedra na enoto časa. Potem je čas T 1/2, imenovan razpolovni čas, v katerem se število radioaktivnih jeder zmanjša za polovico, opredeljen kot
T 1/2 \u003d (ln2) / λ,.
Vrednosti T 1/2 za α-sevalce se spreminjajo v širokem razponu od 10 -10 sekund do 10 20 let, odvisno od vrednosti energije Q relativnega gibanja α-delca in hčerinskega jedra, ki pri uporabi zakonov ohranjanja energije in giba med α-razpadom se določi kot
Q \u003d B (A-4, Z-2) + B (4,2) - B (A, Z),
kjer je B (A, Z) vezavna energija matičnega jedra. Za vse raziskane α-prehode vrednost Q\u003e 0 in ne presega 10 MeV. Leta 1910 sta Hans Geiger in George Nettall eksperimentalno odkrila zakon, ki razpolovni čas T 1/2 povezuje z energijo Q:
| logT 1/2 \u003d B + CQ -1/2 | (1) |
kjer vrednosti B in C nista odvisni od Q. Slika 1 ponazarja ta zakon za enakomerne in enakomerne izotope polonija, radona in radija. Potem pa se pojavi zelo resen problem. Potencial interakcije V (R) α-delca in hčerinskega jedra, odvisno od razdalje R med težišči, lahko kvalitativno predstavimo na naslednji način (slika 2). Na velikih razdaljah R medsebojno vplivajo na Coulomb in potencial
Na majhnih razdaljah R pridejo v poštev jedrske sile kratkega dosega in potencial V (R) postane privlačen. Zato se v potencialu V (R) pojavi pregrada, katere položaj maksimuma RB, katerega VB \u003d V (RB) leži za težka jedra z Z ≈ 82 v območju 10 -12 cm, in vrednost VB \u003d 25 MeV. Potem pa se postavlja vprašanje, kako a-delec z energijo Q < V B lahko uide iz radioaktivnega jedra, če je v območju pod oviro njegova vrednost kinetična energija K \u003d Q - V (R) postane negativen in s stališča klasične mehanike je gibanje delca na tem območju nemogoče. Rešitev tega problema je leta 1928 našel ruski fizik G.A. Gamow. Sklicujoč se na kvantno mehaniko, ustvarjeno nedolgo pred tem časom, je Gamow pokazal, da valovne lastnosti α-delca omogočajo, da z določeno verjetnostjo P. prodre skozi potencialno pregrado. Potem, če predpostavimo, da α-delec obstaja v popolnoma oblikovani obliki znotraj jedra, se za verjetnost njegovega α-razpada na enoto časa A pojavi formula
kjer 2 ν je število udarcev delca α na notranjo steno pregrade, določeno s frekvenco ν vibracije delca alfa znotraj matičnega jedra. Nato je Gamow z izračunom kvantno-mehanske vrednosti P in oceno v v najpreprostejših približkih pridobil Geiger-Nettolov zakon za logT 1/2 (1). Rezultat Gamowa je imel izjemno resonanco med fiziki, saj je dokazal, da atomsko jedro opisujejo zakoni kvantne mehanike. Toda glavni problem α-razpada je ostal nerazrešen: od kod α-delci v težkih jedrih, sestavljenih iz nevtronov in protonov?
VEČDELIČNA TEORIJA ALFA DECAY
Teorija več delcev α-razpada, pri kateri je problem tvorbe α-delca iz nevtronov in protonov matičnega jedra dosledno rešen, je nastala v zgodnjih petdesetih letih in v zadnja leta prejel konceptualno dokončanje pri delih več fizikov, vključno z avtorjem in njegovimi sodelavci. Ta teorija temelji na lupinskem modelu jedra, ki ga je v okviru teorije Fermijeve tekočine utemeljil L.D. Landau in A.B. Migdal, v katerem se predpostavlja, da se proton in nevtron v jedru gibljeta samostojno v samoslednem polju, ki ga ustvarjajo preostali nukleoni. Z uporabo lupinskih valovnih funkcij dveh protonov in dveh nevtronov lahko najdemo verjetnost, s katero bodo ti nukleoni v stanju delcev. Potem lahko Gamowovo formulo (2) posplošimo kot
kjer je W, če je verjetnost tvorbe alfa delca iz nukleonov matičnega jedra i z nastankom določenega stanja f hčerinskega jedra. Izračuni W, če so vrednosti pokazale temeljni pomen upoštevanja nadtekočih lastnosti atomskih jeder za razumevanje narave razpada alfa.
Malo zgodovine. Leta 1911 je Heike Kamerling-Onnes odkril pojav superprevodnosti nekaterih kovin, pri katerih pri temperaturah pod določeno kritično vrednost upor naglo pade na nič. Leta 1938 P.L. Kapitsa je odkril pojav nadtečnosti tekočega helija 4 He, ki je sestavljen iz dejstva, da pri temperaturah pod določeno kritično vrednost tekoči helij teče skozi tanke kapilarne cevi brez trenja. Dolgo časa sta oba pojava veljala za neodvisna, čeprav sta številna fizika intuitivno čutila njuno zvezo. Nadtečnost tekočega helija je bila razložena v delih N.N. Bogolyubov in S.T. Beljajev v tem, da v njem pri nizkih temperaturah nastane Bosejeva kondenzacija, v kateri se večina atomov helija kopiči v stanju z ničelnim zagonom. To je mogoče, ker imajo atomi helija nič vrtljajev in so zato delci Bose, ki so lahko v določenem kvantnem stanju v kateri koli količini, na primer v stanju z ničelnim gibom. Za razliko od atomov helija imajo elektroni, protoni in nevtroni napol celoštevilni spin in so Fermijevi delci, za katere velja Paulijev princip, ki omogoča, da je v določenem kvantnem stanju le en delček. Razlaga superprevodnosti kovin temelji na pojavu, ki ga je napovedal L. Cooper, ko dva elektrona v superprevodniku tvorita vezan sistem, imenovan Cooperjev par. Skupni spin tega para je nič in ga lahko štejemo za Boseov delček. Potem se v superprevodniku pojavi Bosejeva kondenzacija Cooperjevih parov z zavorom, enakim nič, in v njih nastane pojav superfluidnosti teh parov, podoben pojavu nadtečnosti tekočega helija. Superfluidnost Cooperjevih parov tvori tudi superprevodne lastnosti kovin. Tako sta se izkazala, da sta dva pojava, ki formalno spadata v različna področja fizike - superprevodnost in superfluidnost - fizično povezana. Narava ne mara izgubljati svojih čudovitih najdb. Uporablja jih v različnih fizičnih predmetih. To tvori enotnost fizike.
Leta 1958 je Oge Bohr domneval, da v atomskih jedrih obstajajo supertekoče lastnosti. V skoraj enem letu je bila ta hipoteza popolnoma potrjena in uvedena pri ustvarjanju supertekočega modela atomskega jedra, v katerem se predpostavlja, da se pari protonov ali nevtronov združijo v Cooperjeve pare s spinom, enakim nič, in Bosejevo kondenzacijo teh parov tvori nadtekoče lastnosti jeder.
Ker je α-delec sestavljen iz dveh protonov in dveh nevtronov s skupnimi vrtljaji, enakimi nič, njegova notranja simetrija sovpada s simetrijo Cooperjevih parov protonov in nevtronov v atomskih jedrih. Zato je verjetnost tvorbe α-delca W največja, če je tvorjena iz dveh Cooperjevih parov protonov in nevtronov. Tovrstni α-prehodi se imenujejo olajšani in se pojavijo med osnovnimi stanji enakomernih in jedrnih jeder, kjer so vsi nukleoni seznanjeni. Za takšne prehode v primeru težkih jeder z Z\u003e 82 je vrednost W, če \u003d 10 -2. Če α-delec vsebuje samo en Cooperjev par (proton ali nevtron), potem take α-prehode, značilne za neparna jedra, imenujemo pollahka in zanje W, če \u003d 5 * 10 -4. Nazadnje, če je -delec tvorjen iz nesparenih protonov in nevtronov, potem α-prehod imenujemo neolajšan in zanj vrednost W, če \u003d 10 -5. Na podlagi supertekočega modela jedra je avtorju in sodelavcem do leta 1985 na podlagi formul, kot je (3), uspelo opisati ne le relativne, temveč tudi absolutne verjetnosti α-razpada atomskih jeder.
VEČDELIČNA TEORIJA PROTONSKE RADIOAKTIVNOSTI
Za zanesljivo opazovanje protonskega razpada atomskih jeder iz tal in nizko vzbujenih stanj je treba, da je energija relativnega gibanja protona in hčerinskega jedra Q pozitivna in hkrati opazno manjša od višine protonsko potencialno pregrado VB, tako da življenjska doba jedra protonskega razpada ni prekratka za njene eksperimentalne raziskave. Takšni pogoji so praviloma izpolnjeni le za jedra z močno nevtronskim pomanjkanjem, katerih proizvodnja je postala mogoča šele v zadnjih letih. Trenutno je iz tal odkritih več kot 25 razpadalcev protonov in izomernih (precej dolgoživih) vzbujenih stanj jeder. S teoretičnega vidika je razpad protona videti veliko preprosteje kot razpad alfa, saj je proton del jedra, zato se je zdelo, da je mogoče uporabiti formule, kot je formula (2). Kmalu pa je postalo jasno, da so skoraj vsi protonski prehodi občutljivi na strukturo starševskega in hčerinskega jedra, zato je treba uporabiti formulo (3) in izračunati verjetnosti W, če bi avtor in njegovi sodelavci morali razviti teorijo radioaktivnosti protonov z več delci ob upoštevanju presežnih učinkov. Na podlagi te teorije je bilo mogoče uspešno opisati vse opažene primere razpada protona, vključno s še posebej nerazumljivim primerom razpada dolgoživnega izomernega stanja jedra 53Co, in izdelati napovedi o najverjetneje novih kandidati za opazovanje protonske radioaktivnosti. Hkrati je bilo dokazano, da je večina protonsko propadajočih jeder nesferičnih, v nasprotju s prvotnimi idejami.
KLASTRERNI ZAPAD ATOMSKIH JEDRSKOV
Trenutno je eksperimentalno odkritih 25 jeder od 221 Fr do 241 Аm, ki iz osnovnega stanja oddajajo grozde tipov 14 С, 20 О, 24 Ne, 26 Ne, 28 Mg, 30 Mg, 32 Si in 34 Si. Energije relativnega gibanja izvržene grozda in hčerinskega jedra Q se gibljejo od 28 do 94 MeV in se v vseh primerih izkažejo za znatno nižje od višine potencialne pregrade V B. Hkrati so vsa preiskovana radioaktivna jedra grozdov tudi jedra α-razpada in razmerja verjetnosti k njihovega razpada grozda na enoto časa do podobne verjetnosti λ α za α-razpad padajo z naraščajočo maso izvržene grozda ležijo v razponu od 10 -9 do 10 -16. Tako majhne vrednosti takšnih razmerij še nikoli niso bile analizirane za druge vrste radioaktivnosti in dokazujejo rekordne dosežke eksperimentatorjev pri opazovanju razpada grozdov.
Trenutno se razvijata dva teoretična pristopa za opis dinamike razpada grozdov atomskih jeder, ki sta pravzaprav dva možna omejevalna primera. Prvi pristop obravnava razpad grozda kot globoko podbarijerno spontano cepitev, ki je močno asimetrična v masi nastalih fragmentov. V tem primeru nadrejeno jedro, ki je v državi in do trenutka razpoke se v njem gladko obnavlja, opazno spreminja svojo obliko in prehaja skozi vmesno konfiguracijo b, kar je prikazano na sl. 3. Opis takšne prerazporeditve se izvede na podlagi kolektivnih jedrskih modelov, ki so posploševanje hidrodinamičnega modela. Ta pristop se trenutno srečuje z velikimi težavami pri opisovanju finih značilnosti razpada grozdov.
Drugi pristop je zgrajen po analogiji s teorijo α-razpada. V tem primeru se opis prehoda na končno konfiguracijo v izvede brez uvedbe vmesne konfiguracije b takoj iz konfiguracije a v jeziku formule, kot je (3) z uporabo koncepta verjetnosti nastanka grozdov W, če. Dober argument v prid drugemu pristopu je dejstvo, da je za razpad grozda, tako kot pri razpadu α, izpolnjen Geiger-Nettalllov zakon (1), ki povezuje razpolovni čas grozda T 1/2 in energijo Q To je prikazano na sliki. 4. V okviru drugega pristopa je avtorju in sodelavcem po analogiji z α-razpadom uspelo z uporabo ideologije supertekočega modela jedra razvrstiti prehode grozdov glede na stopnjo lahkosti in napovedati fina struktura v spektrih odhajajočih grozdov. Kasneje so to strukturo odkrili v poskusih francoske skupine v Saclayu. Ta pristop je omogočil tudi razumno opisovanje obsega relativne in absolutne verjetnosti znanih razpadov grozdov ter napovedovanje z opazovanjem radioaktivnosti grozdov v novih jedrih razpada grozdov.
ZAKLJUČEK
Študije različnih vrst radioaktivnosti atomskih jeder se nadaljujejo še danes. Posebej zanimivo je preučevanje protonskega razpada jeder, saj je v tem primeru mogoče dobiti edinstvene informacije o strukturi jeder, ki ležijo zunaj meja nukleonske stabilnosti jeder. Nedavno je skupina fizikov pod vodstvom profesorja K. Davidsa iz Nacionalnega laboratorija Argonne (ZDA) sintetizirala močno nevtronsko pomanjkljivo jedro 131 Eu in odkrila ne samo razpad protona, ampak tudi prvič fino strukturo protonskega spektra . Analiza teh pojavov na podlagi avtorjeve teorije je omogočila prepričljivo potrditev ideje o močni nesferičnosti tega jedra.
Ilustracija zanimanja za tovrstne raziskave je članek novinarja M. Brownieja z naslovom "Pogled na nenavadna jedra spreminja stališče atomske strukture", ki je izšel marca 1998 v številki New York Times, ki opisuje rezultate v priljubljenih oblika, ki jo je pridobila skupina Argonne, in metode njihove interpretacije.
Zgornji pregled, ki ponazarja razvoj idej o naravi radioaktivnosti atomskih jeder v celotnem stoletju, dokazuje očitno pospešitev hitrosti pridobivanja novih znanj na tem področju, zlasti v zadnjih 25 letih. In čeprav je jedrska fizika v eksperimentalnem in teoretičnem smislu dokaj razvita veda, ni dvoma, da lahko nenehne raziskave v njenem okviru, pa tudi na stiku z drugimi znanostmi, v bližnji prihodnosti dajo človeštvu nove zelo lepe in neverjetne rezultate .
Radioaktivne transformacije jeder
Struktura snovi
Vse v naravi je sestavljeno iz preprostih in kompleksnih snovi. Preproste snovi vključujejo kemične elemente, zapletene - kemične spojine... Znano je, da snovi v svetu okoli nas sestavljajo atomi, ki so najmanjši del kemičnega elementa. Atom je najmanjši delček snovi, ki ga definira kemijske lastnosti, ima kompleks notranja struktura... V naravi najdemo samo inertne pline v obliki atomov, saj so njihove zunanje lupine zaprte, vse druge snovi obstajajo v obliki molekul.
Leta 1911 je E. Rutherford predlagal planetarni model atoma, ki ga je razvil N Bohr (1913). V skladu s splošno sprejetim modelom strukture atoma v njem ločimo dve regiji: težko, pozitivno nabito jedro, ki se nahaja v središču, v katerem je skoncentrirana skoraj vsa masa atoma, in lahka elektronska lupina, sestavljena iz negativno nabitih delcev - elektronov, ki se vrtijo okoli jedra z izjemno hitrostjo.
Elektroni (e -)- stabilen osnovni delček z maso mirovanja 9,1 · 10 -31 kg ali 0,000548 amu. (enota atomske mase je brezdimenzijska vrednost atomske mase, ki prikazuje, kolikokrat je atom določenega elementa ali delca težji od 1/12 atoma izotopa ogljik-12; energijski ekvivalent 1 amu je 931 MeV). Elektron nosi en elementarni negativni naboj električne energije (q \u003d 1,6 · 10 -19 C), to je najmanjšo količino električne energije, ki jo najdemo v naravi. Izhajajoč iz tega je naboj elektronov vzet kot ena osnovna enota električnega naboja.
Glede na energijo, ki zadržuje elektrone, ko se vrtijo okoli jedra, so združeni v različne orbite (ravni ali plasti). Število slojev za različne atome ni enako. Pri atomih z veliko maso število orbit doseže sedem. Označeni so s številkami ali črkami latinske abecede, začenši z jedrom: K, L, M, N, O, P, Q. Število elektronov v vsaki plasti je natančno določeno. Torej, K-plast nima več kot 2 elektrona, L-plast - do 8, M-plast - do 18, N-plast - 32 elektronov itd.
Velikost atoma je določena z velikostjo njegove elektronske lupine, ki nima strogo določenih meja. Približne linearne dimenzije atoma so 10 -10 m.
Jedro - osrednji masivni del atoma, sestavljen iz protonov in nevtronov, ki je pozitivno nabit. Skoraj celotna masa atoma (več kot 99,95%) je skoncentrirana v jedru. Skupno število elektronov v orbitah je vedno enako vsoti protonov v jedru. Na primer, atom kisika vsebuje 8 protonov v svojem jedru in ima 8 elektronov v svojih orbitah, svinčev atom ima 82 protonov v svojem jedru in 82 elektronov v svojih orbitah. Zaradi enakosti vsote pozitivnih in negativnih nabojev je atom električno nevtralen sistem. Na vsakega od elektronov, ki se gibljejo okoli jedra, delujeta dve enaki, nasprotno usmerjeni sili: Coulomova sila privabi elektrone v jedro, enaka centrifugalna vztrajnostna sila pa nagiba k "ugrabitvi" elektrona iz atoma. Poleg tega imajo elektroni, ki se gibljejo (vrtijo) se okoli jedra v orbiti, hkrati svoj moment gibanja, ki se imenuje spin, kar je poenostavljeno kot vrtenje kot vrh okoli lastne osi. Vrtenja posameznih elektronov so lahko usmerjena vzporedno (vrtenje v isto smer) in antiparalelno (vrtenje v različne smeri). V poenostavljeni obliki vse to zagotavlja stabilno gibanje elektronov v atomu.
Znano je, da na vez elektrona z jedrom ne vplivata le Coulombova privlačna sila in centrifugalna vztrajnostna sila, temveč tudi odbojna sila drugih elektronov. Ta učinek se imenuje presejanje. Dlje ko je elektronska orbita od jedra, močnejši je zaslon elektronov na njem in šibkejša je energijska vez med jedrom in elektronom. V zunanjih orbitih vezavna energija elektronov ne presega 1-2 eV, medtem ko je za elektrone K-plasti večkrat večja in narašča s povečanjem atomskega števila elementa. Na primer, za ogljik je vezavna energija elektronov v K-plasti 0,28 keV, za stroncij - 16 keV, za cezij - 36 keV, za uran - 280 keV. Zato so elektroni zunanje orbite bolj dovzetni za zunanje dejavnike, zlasti nizkoenergijsko sevanje. Ko oddajajo dodatno energijo elektronom od zunaj, se lahko premaknejo z ene ravni energije na drugo ali celo zapustijo meje danega atoma. Če je energija zunanjega vpliva šibkejša od energije vezanja elektrona z jedrom, potem lahko elektron prehaja samo z ene ravni energije na drugo. Tak atom ostaja nevtralen, vendar se od ostalih atomov tega kemičnega elementa razlikuje po presežku energije. Atomi s presežkom energije se imenujejo vzbujeni, prehod elektronov z ene ravni energije na drugo, bolj oddaljeno od jedra, pa proces vzbujanja. Ker v naravi kateri koli sistem ponavadi preide v stabilno stanje, v katerem bo njegova energija najmanjša, potem atom čez nekaj časa preide iz vzbujenega stanja v osnovno (začetno) stanje. Vrnitev atoma v osnovno stanje spremlja sproščanje odvečne energije. Prehod elektronov iz zunanjih v notranje orbite spremlja sevanje z valovno dolžino, značilno le za dani prehod z ene energijske ravni na drugo. Prehodi elektronov znotraj orbit, ki so najbolj oddaljene od jedra, povzročajo sevanje, sestavljeno iz ultravijoličnih, svetlobnih in infrardečih žarkov. Ko močni zunanji vplivi presežejo energijo vezave elektronov z jedrom, se elektroni iztrgajo iz atoma in odstranijo iz njega. Atom, ki je izgubil enega ali več elektronov, se spremeni v pozitiven ion, tisti, ki je "pritrdil" enega ali več elektronov nase, pa v negativnega iona. Posledično za vsak pozitiven ion nastane en negativni ion, tj. Pojavi se par ionov. Imenuje se tvorba ionov iz nevtralnih atomov ionizacija... Atom v stanju iona obstaja v normalnih razmerah izjemno kratek čas. Prosti prostor v orbiti pozitivnega iona je napolnjen s prostim elektronom (elektronom, ki ni vezan na atom) in atom spet postane nevtralen sistem. Ta proces se imenuje ionska rekombinacija (deionizacija) in ga spremlja sproščanje odvečne energije v obliki sevanja. Energija, ki se sprosti med rekombinacijo ionov, je številčno približno enaka energiji, porabljeni za ionizacijo.
Proton(r) Je stabilen osnovni delček z maso, enako 1,6725 · 10 -27 kg ali 1,00758 amu, kar je približno 1840-krat večja masa elektrona. Protonski naboj je pozitiven in je po velikosti enak elektronskemu naboju. Vodikov atom je jedro, ki vsebuje en proton, okoli katerega se vrti en elektron. Če "odtrgate" ta elektron, bo preostali del atoma proton, zato je proton pogosto opredeljen kot jedro vodika.
Vsak atom katerega koli elementa vsebuje določeno število protonov v jedru, ki je konstantno in določa fizikalne in kemijske lastnosti elementa. Na primer, v jedru atoma srebra jih je 47, v jedru urana - 92. Število protonov v jedru (Z) imenujemo atomsko število ali nabojno število, ustreza zaporedni številki elementa v periodičnem sistemu DI Mendelejeva.
Nevtron(n) - električno nevtralni osnovni delček z maso, ki nekoliko presega maso protona in je enaka 1,6749 10 -27 kg ali 1,00898 amu. Nevtroni so stabilni le kot del stabilnih atomskih jeder. Prosti nevtroni razpadajo v protone in elektrone.
Nevtron se zaradi svoje električne nevtralnosti ne upogne pod vplivom magnetnega polja, atomsko jedro ga ne odbije in ima zato visoko prodorno sposobnost, ki predstavlja resno nevarnost kot dejavnik biološkega učinka sevanje. Število nevtronov v jedru daje samo v bistvu fizikalne značilnosti elementa, saj je v različnih jedrih istega kemičnega elementa lahko različno število nevtronov (od 1 do 10). V jedrih svetlobno stabilnih elementov je število protonov povezano s številom nevtronov kot 1: 1. S povečanjem atomskega števila elementa (začenši z 21. elementom - skandij) število nevtronov v njegovih atomih presega število protonov. V najtežjih jedrih je število nevtronov 1,6-krat večje od števila protonov.
Protoni in nevtroni so sestavni deli jedra, zato jih zaradi udobja imenujemo nukleoni. Nukleon(iz latinskega jedra - jedro) - splošno ime za protone in nevtrone jedra. Tudi ko govorimo o določenem atomskem jedru, se uporablja izraz nuklid. Nuklide - katero koli atomsko jedro z danim številom protonov in nevtronov.
Pri označevanju nuklidov ali atomov uporabljajo simbol elementa, kateremu pripada jedro, in označujejo masno število zgoraj - A, spodaj - atomsko (redno) število - Z v obliki indeksov, kjer je E simbol kemični element. A prikazuje število nukleonov, ki sestavljajo jedro atoma (A \u003d Z + N). Z ne prikazuje le naboja jedra in rednega števila, temveč tudi število protonov v jedru in s tem število elektronov v atomu, saj atom je praviloma nevtralen. N je število nevtronov v jedru, ki najpogosteje ni indicirano. Na primer, - radioaktivni izotop cezija, A \u003d 137, zato jedro sestavlja 137 nukleonov; Z \u003d 55, kar pomeni, da je v jedru 55 protonov in v atomu 55 elektronov; N \u003d 137 - 55 \u003d 82 je število nevtronov v jedru. Redna številka je včasih izpuščena, saj simbol elementa v celoti določa njegovo mesto v periodnem sistemu (na primer Cs-137, He-4). Linearne dimenzije atomskega jedra so 10 -15 -10 -14 m, kar je 0,0001 premera celotnega atoma.
Protoni in nevtroni se v jedru zadržujejo s pomočjo imenovanih sil jedrske... Po svoji intenzivnosti so veliko močnejše od električnih, gravitacijskih in magnetnih sil. Jedrske sile so kratkega dosega z dosegom 10 -14 -10 -15 m. Na enak način se kažejo med protonom in nevtronom, protonom in protonom, nevtronom in nevtronom. S povečanjem razdalje med nukleoni se jedrske sile zelo hitro zmanjšajo in postanejo praktično enake nič. Jedrske sile imajo lastnost nasičenja, to pomeni, da vsak nukleon deluje le z omejenim številom sosednjih nukleonov. Zato s povečanjem števila nukleonov v jedru jedrske sile znatno oslabijo. To pojasnjuje nižjo stabilnost jeder težkih elementov, ki vsebujejo znatno število protonov in nevtronov.
Če želite jedro razdeliti na sestavljene protone in nevtrone in jih odstraniti s področja delovanja jedrskih sil, je treba opraviti delo, tj. porabiti energijo. Ta energija se imenuje vezavna energija jedra... Nasprotno, ko jedro nastane iz nukleonov, se sprosti vezavna energija.
m i \u003d m p N p + m n N n,
kjer je m i masa jedra; m p je protonska masa; N p je število protonov; m n nevtronska masa; N n je število nevtronov, potem bo enako 1,0076 · 2 + 1,0089 · 2 \u003d 4,033 amu.
Hkrati je dejanska masa jedra helija 4.003 amu. Tako se izkaže, da je dejanska masa jedra helija manjša od izračunane za 0,03 amu. in v tem primeru naj bi jedro imelo masno napako (pomanjkanje mase). Razlika med izračunano in dejansko maso jedra se imenuje masna napaka (Dm). Masna napaka kaže, kako močno so delci vezani v jedru, pa tudi koliko energije se je sprostilo med tvorbo jedra iz posameznih nukleonov. Maso lahko povežete z energijo po enačbi A. Einsteina:
kjer je DE - sprememba energije; Dm - masna napaka; c je svetlobna hitrost.
Glede na to, da 1 amu. \u003d 1.661 10 -27 kg, v jedrski fiziki pa se elektron-volt (eV) vzame kot enota energije in 1 amu. je enakovredno 931 MeV, potem bo energija, ki se sprosti med tvorbo helijevega jedra, enaka 28 MeV. Če bi jedro helijevega atoma lahko razdelili na dva protona in dva nevtrona, bi to zahtevalo porabo vsaj 28 MeV energije.
Energija vezave jeder narašča sorazmerno s povečanjem števila nukleonov, vendar ne strogo sorazmerno z njihovim številom. Na primer, vezavna energija dušikovega jedra je 104,56 MeV, urana pa 1800 MeV.
Imenuje se povprečna vezavna energija na nukleon specifična vezavna energija... Za helij bo 28: 4 \u003d 7 MeV. Razen najlažjih jeder (devterij, tritij) je vezavna energija na nukleon približno 8 MeV za vsa jedra.
Večina kemičnih elementov v naravi so določene mešanice atomov z jedri različnih mas. Razlika v masah je posledica prisotnosti v jedrih različne številke nevtroni.
Izotopi (iz grškega isos - enako in topos - kraj) - sorte atoma istega kemičnega elementa, ki imajo enako število protonov (Z) in različno število nevtronov (N). Imajo praktično enake fizikalne in kemijske lastnosti; v naravni mešanici jih je zelo težko ločiti. Število izotopov elementov se giblje od 3 za vodik do 27 za polonij. Izotopi so stabilni in nestabilni. Če zunanji vpliv nima stabilnih izotopov, se sčasoma ne spremenijo. Nestabilni ali radioaktivni izotopi se zaradi procesov, ki potekajo v jedru, sčasoma pretvorijo v izotope drugih kemičnih elementov. Stabilne izotope najdemo samo v elementih s serijsko številko Z≤83. Trenutno je znanih približno 300 stabilnih in več kot 2000 radioaktivnih izotopov. Za vse elemente periodičnega sistema D. I. Mendeleeva so bili sintetizirani radioaktivni izotopi, imenovani umetni.
Pojav radioaktivnosti
Vsi kemični elementi so stabilni le v ozkem območju razmerja med številom protonov in številom nevtronov v jedru. V lahkih jedrih mora biti približno enak delež protonov in nevtronov, tj. Vrednost razmerja n: p je blizu 1, za težka jedra pa se to razmerje zmanjša na 0,7. Če je v jedru preveč nevtronov ali protonov, potem taka jedra postanejo nestabilna (nestabilna) in se spontano pretvorijo v radioaktivne transformacije, zaradi česar se spremeni sestava jedra, hkrati pa se oddajajo nabiti ali nevtralni delci. Pojav spontanega sevanja smo imenovali radioaktivnost, snovi, ki oddajajo sevanje, pa radioaktivne.
Radioaktivnost (iz latinskega radio - sevati, radij - žarek, aktivus - učinkovit) - gre za spontane transformacije (razpadanja) atomskih jeder nekaterih kemičnih elementov v atomska jedra drugih elementov z oddajanjem posebne vrste sevanja. Radioaktivnost vodi do spremembe atomskega števila in masnega števila prvotnega kemičnega elementa.
Odkritje pojava radioaktivnosti sta olajšali dve veliki odkritji 19. stoletja. Leta 1895 je W. Roentgen odkril žarke, ki so se pojavili, ko je med elektrodami, nameščenimi v zaprti stekleni cevi, iz katere je bil odstranjen zrak, prešel visokonapetostni tok. Žarki so se imenovali rentgenski žarki. Leta 1896 je A. Becquerel odkril, da uranove soli spontano oddajajo nevidne žarke z veliko prodorno močjo, kar povzroči zatemnitev fotografske plošče in sij nekaterih snovi. To sevanje je imenoval radioaktivno. Leta 1898 sta Pierre Curie in Maria Sklodowska-Curie odkrila dva nova radioaktivna elementa, polonij in radij, ki sta oddajala podobno sevanje, vendar je bila njihova intenzivnost večkrat večja kot intenzivnost urana. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da radioaktivne snovi neprekinjeno sproščajo energijo v obliki toplote.
Radioaktivno sevanje imenujemo tudi ionizirajoče sevanje, saj lahko ionizira okolje ali jedro, pri čemer poudarja, da sevanje oddaja jedro in ne atom.
Radioaktivni razpad je povezan s spremembami atomskih jeder in s sproščanjem energije, katere vrednost je praviloma za nekaj velikosti večja od energije kemijske reakcije... Tako se ob popolnem radioaktivnem razpadu 1 g-atoma 14 C sprosti 3. 10 9 kalorij, medtem ko se pri zgorevanju enake količine 14 C v ogljikov dioksid sprosti le 9,4. 10 4 kalorije.
Kot enoto energije radioaktivnega razpada se vzame 1 elektron-volt (eV) in njegovi derivati \u200b\u200b1 keV \u003d 10 3 eV in 1 MeV \u003d 10 6 eV. 1 eV \u003d 1,6. 10 -19 J. 1 eV ustreza energiji, ki jo elektron pridobi v električnem polju pri prehodu poti, pri kateri je potencialna razlika 1 Volt. Pri razpadu večine radioaktivnih jeder se sproščena energija giblje od nekaj keV do več MeV.
Radioaktivni pojavi, ki se pojavljajo v naravi, se imenujejo naravna radioaktivnost; analogni procesi, ki se pojavljajo v umetno pridobljenih snoveh (z ustreznimi jedrskimi reakcijami) - umetna radioaktivnost. Obe vrsti radioaktivnosti pa upoštevata iste zakone.
Vrste radioaktivnega razpada
Atomska jedra so stabilna, vendar spremenijo svoje stanje, ko se krši določeno razmerje protonov in nevtronov. Lahka jedra naj vsebujejo približno enak delež protonov in nevtronov. Če je v jedru preveč protonov ali nevtronov, so taka jedra nestabilna in se spontano pretvorijo v radioaktivne transformacije, zaradi česar se spremeni sestava jedra in se zato jedro atoma enega elementa spremeni v jedro atoma drugega elementa. Ta postopek oddaja jedrsko sevanje.
Obstajajo naslednje glavne vrste jedrskih transformacij ali vrste radioaktivnega razpada: alfa razpad in beta razpad (elektronski, pozitronski in K-zajem), notranja pretvorba.
Alfa razpad -gre za oddajanje delcev alfa v jedru radioaktivnega izotopa. Zaradi izgube dveh protonov in dveh nevtronov z delcem alfa se razpadajoče jedro spremeni v drugo jedro, v katerem se število protonov (jedrski naboj) zmanjša za 2, število delcev (masno število) pa za 4. Zato , za dani radioaktivni razpad v skladu s pravilom premika (premika), ki sta ga oblikovala Faience in Soddy (1913), nastali (hčerinski) element premakne v levo glede na prvotni (nadrejeni) dve celici na levi v periodičnem sistemu DIMendelejeva. Postopek razpada alfa je na splošno zapisan na naslednji način:
,
kjer je X simbol prvotnega jedra; Y je simbol jedra produkta razpada; 4 2 He - alfa, Q - sprosti odvečno energijo.
Na primer, razpad jeder radija-226 spremlja emisija delcev alfa, medtem ko se jedra radija-226 pretvorijo v jedra radona-222:
Energija, sproščena med razpadom alfa, je razdeljena med alfa delce in jedro v obratnem sorazmerju z njihovimi masami. Energija alfa delcev je strogo povezana z razpolovno dobo določenega radionuklida (Geiger-Nettolov zakon) . To nakazuje, da je ob poznavanju energije alfa delcev mogoče določiti razpolovni čas in radionuklid identificirati do razpolovnega časa. Za jedro polonija-214 so na primer značilne vrednosti energije delcev alfa E \u003d 7,687 MeV in T 1/2 \u003d 4,5 × 10 -4 s, medtem ko je za jedro urana-238 E \u003d 4,196 MeV in T 1/2 \u003d 4, 5 × 10 9 let. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da večja kot je energija alfa razpada, hitreje poteka.
Alfa razpad je dokaj razširjena jedrska preobrazba težkih jeder (uran, torij, polonij, plutonij itd. Z Z\u003e 82); trenutno je znanih več kot 160 jeder, ki oddajajo alfa.
Beta razpad -spontane transformacije nevtrona v proton ali protona v nevtron znotraj jedra, ki ga spremlja emisija elektronov ali pozitronov in antinevtrinov ali nevtrinov ne.
Če je v jedru presežek nevtronov (»nevtronska preobremenitev« jedra), potem pride do elektronskega beta razpada, pri katerem se eden od nevtronov spremeni v proton, medtem ko oddaja elektron in antinevtrino:
S tem razpadom se naboj jedra in s tem tudi atomsko število hčerinskega jedra poveča za 1, masno število pa se ne spremeni, to pomeni, da se hčerinski element v periodičnem sistemu DIMendelejeva premakne za eno celico do desno od prvotnega. Postopek beta razpada je na splošno zapisan na naslednji način:
.
Na ta način propadajo jedra s presežkom nevtronov. Na primer, razpad jeder stroncija-90 spremlja emisija elektronov in njihova pretvorba v itrij-90:
Pogosto imajo jedra elementov, ki nastanejo med razpadom beta, odvečno energijo, ki se sprosti z oddajanjem enega ali več gama kvantov. Na primer:
Elektronski beta razpad je značilen za številne naravno prisotne in umetno pridobljene radioaktivne elemente.
Če je neugodno razmerje med nevtroni in protoni v jedru posledica presežka protonov, potem pride do razpada beta pozitrona, pri katerem jedro sprosti pozitron in nevtrino kot rezultat pretvorbe protona v nevtron znotraj jedra:
Naboj jedra in s tem tudi atomsko število podrejenega elementa se zmanjša za 1, masno število se ne spremeni. Podrejeni element bo zasedel mesto v periodičnem sistemu DI Mendelejeva, ena celica levo od starša:
Opazili so, da nekateri umetno proizvedeni izotopi pozitronsko propadajo. Na primer, razpad izotopa fosfor-30 s tvorbo silicija-30:
Pozitron, ki je pobegnil iz jedra, odstrani "odvečni" elektron (šibko vezan na jedro) iz lupine atoma ali v interakciji s prostim elektronom in tvori par "pozitron-elektron". Ker se delček in antidelec s sproščanjem energije takoj uniči, se tvorjeni par spremeni v dva gama kvanta z energijo, ki ustreza masi delcev (e + in e -). Proces transformacije para "pozitron-elektron" v dva gama kvanta se imenuje anihilacija (uničenje) in posledično elektromagnetno sevanje imenovano izničenje. V tem primeru pride do pretvorbe ene oblike snovi (delci snovi) v drugo (sevanje). To potrjuje obstoj povratne reakcije - reakcije tvorbe para, pri kateri se elektromagnetno sevanje dovolj visoke energije, ki poteka blizu jedra pod vplivom močnega električnega polja atoma, spremeni v par " elektron-pozitron "
Tako med razpadom pozitrona beta v končnem rezultatu iz matičnega jedra ne izletijo delci, temveč dva gama kvanta, vsak z energijo 0,511 MeV, ki je enakovredna energiji preostalih mas delcev - pozitron in elektron E \u003d 2m ec 2 \u003d 1,022 MeV ...
Transformacijo jedra lahko izvedemo z zajemom elektronov, ko eden od protonov jedra spontano zajame elektron iz ene od notranjih lupin atoma (K, L itd.), Najpogosteje iz K-lupine in se spremeni v nevtron. Ta postopek se imenuje tudi K-zajemanje. Proton se spremeni v nevtron v skladu z naslednjo reakcijo:
V tem primeru se jedrski naboj zmanjša za 1, masno število pa se ne spremeni:
Na primer,
V tem primeru mesto, ki ga izprazni elektron, zavzame elektron iz zunanjih lupin atoma. Kot rezultat prerazporeditve elektronskih lupin se odda rentgenski kvant. Atom še vedno ohranja električno nevtralnost, saj se število protonov v jedru med zajemom elektronov zmanjša za enega. Tako ta vrsta razpada vodi do enakih rezultatov kot pozitron beta razpad. Praviloma je značilno za umetne radionuklide.
Energija, ki jo jedro sprosti med beta razpadom določenega radionuklida, je vedno konstantna, ker pa ta vrsta razpada ne tvori dva, temveč tri delce: povratno jedro (hči), elektron (ali pozitron) in nevtrino, potem energija je pri vsakem dejanju razpada različna, prerazporedi se med elektronom (pozitronom) in nevtrinom, saj hčerinsko jedro vedno odnese enak del energije. Glede na kot raztezanja lahko nevtrino odnese več ali manj energije, zaradi česar lahko elektron prejme poljubno energijo od nič do določene največje vrednosti. Torej, pri beta razpadu imajo beta delci istega radionuklida različne energije, od nič do določene največje vrednosti, značilne za razpadanje danega radionuklida. Po energiji beta sevanja je skoraj nemogoče identificirati radionuklid.
Nekateri radionuklidi lahko hkrati razpadejo na dva ali tri načine: z razpadi alfa in beta ter s K-zajemom, kombinacijo treh vrst razpadov. V tem primeru se transformacije izvajajo v strogo določenem razmerju. Tako na primer naravni dolgoživi radioizotop kalij-40 (T 1/2 \u003d 1,49 × 10 9 let), katerega vsebnost v naravnem kaliju znaša 0,0119%, pretrga elektronski beta razpad in zajame K:
(88% - elektronski upad),
(12% - zajem K).
Iz zgoraj opisanih vrst razpadov lahko ugotovimo, da razpad gama ne obstaja v "čisti obliki". Gama sevanje lahko spremlja le različne vrste razpada. Ko se v jedru odda sevanje gama, se ne spremeni niti masno število niti njegov naboj. Posledično se narava radionuklida ne spremeni, temveč se spremeni le energija, ki jo vsebuje jedro. Gama sevanje se odda, ko jedra preidejo z vzbujenih nivojev na več kot nizke ravni, vključno z glavnim. Na primer, ko cezij-137 propade, nastane vzbujeno jedro barija-137. Prehod iz vzbujenega v stabilno stanje spremlja emisija gama kvantov:
Ker je življenjska doba jeder v vzbujenih stanjih zelo kratka (običajno 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. Po energiji gama sevanja, pa tudi po energiji alfa sevanja, je mogoče identificirati radionuklid.
Notranja pretvorba.Navdušeno (kot posledica ene ali druge jedrske preobrazbe) stanje jedrskega jedra kaže na prisotnost presežka energije v njem. Vzbujeno jedro lahko preide v stanje z nižjo energijo (normalno stanje), ne samo z oddajanjem gama kvanta ali izmetom delca, temveč tudi z notranjo pretvorbo ali pretvorbo s tvorbo parov elektron-pozitron.
Pojav notranje pretvorbe je v tem, da jedro prenese energijo vzbujanja na enega od elektronov notranjih plasti (K-, L- ali M-plast), ki se posledično izvleče iz atoma. Takšni elektroni se imenujejo pretvorbeni elektroni. Posledično je emisija pretvorbenih elektronov posledica neposredne elektromagnetne interakcije jedra z elektroni lupine. Pretvorbeni elektroni imajo linearni energijski spekter, v nasprotju z beta razpadajočimi elektroni, ki dajejo neprekinjen spekter.
Če energija vzbujanja presega 1,022 MeV, lahko prehod jedra v normalno stanje spremlja emisija para "elektron-pozitron" z njihovim nadaljnjim izničenjem. Po opravljeni notranji pretvorbi se v elektronski lupini atoma pojavi "prosto" mesto iztrganega pretvorbenega elektrona. Eden od elektronov iz bolj oddaljenih plasti (z višjih nivojev energije) izvede kvantni prehod na "prosto" mesto z oddajanjem značilnih rentgenskih žarkov.
Lastnosti jedrskega sevanja
Jedrsko (radioaktivno) sevanje je sevanje, ki nastane kot posledica radioaktivnega razpada. Sevanje vseh naravnih in umetnih radionuklidov delimo na dve vrsti - korpuskularno in elektromagnetno. Korpuskularno sevanje je tok delcev (telescev), za katere so značilni določena masa, naboj in hitrost. To so elektroni, pozitroni, jedra atomov helija, devteroni (jedra vodikovega izotopa devterija), nevtroni, protoni in drugi delci. Korpuskularno sevanje praviloma medij neposredno ionizira.
Elektromagnetno sevanje je tok kvantov ali fotonov. To sevanje nima ne mase ne naboja in povzroča posredno ionizacijo medija.
Za nastanek 1 para ionov v zraku je potrebno v povprečju 34 eV. Zato ionizirajoče sevanje vključuje sevanje z energijo 100 in več eV (ne vključuje vidne svetlobe in UV sevanja).
Za karakterizacijo ionizirajočega sevanja se uporabljata koncepta kilometrine in specifične ionizacije. Območje - najmanjša debelina absorberja (nekatere snovi), ki je potrebna za popolno absorpcijo ionizirajočega sevanja. Specifična ionizacija je število ionskih parov, ki nastanejo na enoto dolžine poti v snovi pod vplivom ionizirajočega sevanja. Upoštevajte, da koncept kilometrine in prevožene razdalje nista enaka koncepta. Če se delci premikajo pravokotno, potem te vrednosti sovpadajo, če je pot delcev prekinjena navitna črta, je obseg vedno manjši od dolžine prevožene poti.
Alfa sevanje je tok a-delcev, ki so jedra helijevih atomov, včasih imenovani dvojno ionizirani atomi helija). Alfa delček je sestavljen iz 2 protonov in 2 nevtronov, je pozitivno nabit in nosi s seboj dva osnovna pozitivna naboja. Masa delcev m a \u003d 4,003 amu. Je največji izmed delcev. Hitrost gibanja je (14,1-24,9) × 10 6 m / s. V snovi se delci alfa premikajo pravokotno, kar je povezano z razmeroma veliko maso in pomembno energijo. Odklon se pojavi le pri čelnem trku z jedri.
Območje alfa delcev v snovi je odvisno od energije alfa delca in od narave snovi, v kateri se giblje. V povprečju je obseg alfa delcev v zraku 2,5–9 cm, največ do 11 cm, v bioloških tkivih - 5–100 mikronov, v steklu - 4. 10 -3 cm. Energija delca alfa je v območju 4-9 MeV. Alfa sevanje lahko popolnoma ustavite z listom papirja. Na celotni poti lahko delci alfa ustvarijo 116.000 do 254.000 ionskih parov.
Specifična ionizacija je približno 40.000 ionskih parov / cm v zraku, enaka specifična ionizacija v telesu je na poti 1-2 mikrona.
Po porabi energije se delci alfa upočasnijo, postopek ionizacije se ustavi. Začnejo veljati zakoni, ki urejajo postopek tvorbe atomov. Jedra atomov helija pritrdijo 2 elektrona in nastane polnopravni atom helija. To pojasnjuje dejstvo obvezne prisotnosti helija v kamninah, ki vsebujejo radioaktivne snovi.
Med vsemi vrstami radioaktivnega sevanja je alfa sevanje najmočneje fluorescentno (žari).
Beta sevanje Je tok beta delcev, ki so elektroni ali pozitroni. Prenese se en osnovni električni naboj, m b \u003d 0,000548 amu. Gibajo se s hitrostjo, ki je blizu svetlobni, tj. (0,87-2,994) × 10 8 m / s.
Za razliko od a-delcev imajo b-delci enega in istega radioaktivnega elementa različne zaloge energije (od nič do določene največje vrednosti). To je razloženo z dejstvom, da z vsakim beta razpadom istočasno iz atomskega jedra izletita dva delca: b-delček in nevtrino (n e). Energija, ki se sprosti pri vsakem dejanju razpada, se porazdeli med b-delcem in nevtrinom v različnih razmerjih. Zato se energija beta delcev giblje od desetink in stotink MeV (mehko b-sevanje) do 2-3 MeV (trdo sevanje).
Ker imajo delci beta, ki jih oddaja isti oddajnik beta, različne energetske zaloge (od najmanjše do največje), tako dolžina poti kot število ionskih parov za beta delce danega radionuklida ni enaka. Običajno je doseg v zraku več deset cm, včasih več metrov (do 34 m), v bioloških tkivih - do 1 cm (do 4 cm pri energiji beta delcev 8 MeV).
Beta sevanje ima bistveno manj ionizirajočega učinka kot alfa sevanje. Tako v zraku beta delci na celotni poti tvorijo od 1000 do 25500 ionskih parov. V povprečju za celotno pot v zraku ali 50-100 parov ionov na 1 cm poti. Stopnja ionizacije je odvisna od hitrosti delca, nižja je hitrost, večja je ionizacija. Razlog za to je, da visokoenergijski beta delci prehitro letijo mimo atomov in nimajo časa, da bi povzročili enak močan učinek kot počasni beta delci.
Ker imajo beta delci zelo majhno maso, ob trku z atomi in molekulami zlahka odstopajo od svoje prvotne smeri. Ta pojav odklona se imenuje razprševanje. Zato je zelo težko določiti dolžino poti delcev beta in ne obseg, saj je preveč vijugast.
Ko se energija izgubi, elektron zajame bodisi pozitiven ion, da tvori nevtralen atom, bodisi atom, da tvori negativni ion.
Gama sevanje Je tok fotonov (kvant) elektromagnetnega sevanja. Njihova hitrost širjenja v vakuumu je enaka hitrosti svetlobe - 3 × 10 8 m / s. Ker je gama sevanje valovna dolžina, je zanj značilna valovna dolžina, frekvenca vibracij in energija. Energija g-kvanta je sorazmerna s frekvenco vibracij, frekvenca vibracij pa je povezana z njihovo valovno dolžino. Daljša je valovna dolžina, nižja je frekvenca vibracij in obratno, tj. Frekvenca vibracij je obratno sorazmerna z valovno dolžino. Čim krajša je valovna dolžina in večja je frekvenca vibracij sevanja, tem večja je njegova energija in s tem prodorna sposobnost. Energija gama sevanja naravnih radioaktivnih elementov se giblje od nekaj keV do 2-3 MeV in redko doseže 5-6 MeV.
Kvantne gama, ki nimajo naboja in mirujoče mase, povzročajo šibek ionizirajoč učinek, vendar imajo veliko prodorno sposobnost. V zraku lahko prevozijo do 100-150 m. To sevanje prehaja skozi človeško telo brez oslabitve.
Meritve
Koncept odmerka
Rezultat izpostavljenosti ionizirajočemu sevanju obsevanih predmetov so fizikalno-kemijske ali biološke spremembe teh predmetov. Primeri takšnih sprememb so ogrevanje telesa, fotokemična reakcija rentgenskega filma, spremembe bioloških parametrov živega organizma itd. Učinek sevanja je odvisen od fizikalnih količin X ioznačevanje polja sevanja ali interakcije sevanja s snovjo:
Količine X ifunkcionalno povezana z učinkom sevanja η se imenujejo dozimetrični. Namen dozimetrije je izmeriti, preučiti in teoretično izračunati dozimetrične količine za napovedovanje ali oceno sevalnega učinka, zlasti radiobiološkega učinka.
Sistem dozimetričnih količin se oblikuje kot rezultat razvoja radiobiologije, dozimetrije in varstva pred sevanji. Varnostna merila v veliki meri določa družba, zato so v različnih državah oblikovani različni sistemi dozimetričnih količin. Pomembno vlogo pri poenotenju teh sistemov ima Mednarodna komisija za radiološko zaščito (ICRP), neodvisna organizacija, ki združuje strokovnjake s področja bioloških učinkov sevanja, dozimetrije in
