ПРИЛОЖЕНИЯ.. 142 2 страницаПереход одних элементов в другие осуществляется путем a и b - распада. При a - распаде, согласно правилу смещения Фаянса и Соддии, массовые числа меняются сразу на 4 единицы, а заряд ядра - на 2 единицы:
и новый элемент смещен в периодической системе влево на две позиции:
При b - распаде массовые числа не меняются, а заряд увеличивается на 1 и новый элемент в периодической системе смещен вправо:
Известны 4 независимых семейства радиоактивных элементов с массовыми числами 4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3, где n - целое число (таб. 1.2). В природе найдено три ряда радиоактивных семейств: тория(4n), урана (4n+2) и актиния (4n+3). Семейство нептуния, с формулой 4n+1, состоит из нуклидов с короткими периодами полураспада. За время существования Земли все они распались, поэтому в природе не обнаружены. Для любого члена радиоактивного ряда справедливо выражение
позволяющее вычислить содержание любого дочернего элемента, зная содержание материнского и наоборот. Таблица 1.2. Радиоактивные семейства
Слабо выраженной радиоактивностью обладает ряд естественно радиоактивных изотопов (таб. 1.3).
Таблица 1.3. Естественно радиоактивные изотопы.
1.6. Радиоактивное равновесие Закон радиоактивного распада в дифференциальной и интегральной формах для семейства имеет более сложный вид [3]. Для числа ядер N1 материнского вещества А и N2 дочернеговещества В каждый акт распада подчиняется основному закону радиоактивного распада в дифференциальной форме. Для материнского вещества А скорость распада:
Для дочернего вещества В скорость изменениячисла ядер выражается уравнением
Откуда можно записать: Полагая, что в первоначальный момент N2 = 0, а период полураспада материнского вещества намного больше дочернего: (Т1/2)1 >>;(Т1/2)2, т. е. l1>>l2 и t<<(Т1/2)1, после интегрирования, получим:
Такое состояние системы, содержащей материнский нуклид и связанные с ним дочерние нуклиды, при котором соотношение количества материнского и дочерних ядер не меняется с течением времени, называют радиоактивным равновесием или вековым равновесием. Особенности радиоактивных превращений заключаются в: - справедливости единого кинетического закона для всех типов радиоактивных превращений; - ограниченности количество типов радиоактивных превращений. Известно семь основных типов радиоактивного распада: α- и β-распад, электронный захват, γ-распад, спонтанное деление, испускание запаздывающего нейтрона и запаздывающего протона. Испускание каждой частицы или g-кванта переводит ядро с энергетически более высокого уровня на новый более низкий уровень. Разность между исходным и конечным энергетическим уровнем (за вычетом энергии, связанной с массой покоя вылетающей частицы) характеризуют полную энергию распада. Радиоактивный распад в общем виде имеет вид:
где: А - материнский нуклид, В - дочерний нуклид, Х - испускаемая частица или квант, DЕ - кинетическая энергия испускаемых частиц или гамма- квантов. При α-распаде, характерном для ядер атомов тяжелых элементов, из ядра вылетает частица, являющаяся ядром атома гелия Возникшие при распаде ядра находятся в возбужденном состоянии и постепенно переходят в основное состояние, испуская γ – кванты:
Энергетический баланс этой реакции можно записать в следующем виде
Для массы исходного ядра
Т.е., разница в дефектах масс материнского и дочернего ядер больше дефекта массы альфа-частицы: Альфа-частица в ядре образуются при избытке двух протонов и двух нейтронов. Для выхода из ядра ей необходимо преодолеть ядерные силы и потенциальный барьер. Энергия альфа-частиц, покидающих ядро, лежит в пределах 4-9 Мэв. Установлено, что период полураспада a-частиц коррелирует с их энергией [3]:
при b-распаде нейтральное ядро самопроизвольно превращается в ядро-изобар (таб. 1.4), с зарядом, отличным на DZ = ±1. Скорость испускаемых частиц близка к скорости света. Они идентифицированы как обычные электроны. Возникший изотоп смещен на одну клетку правее от исходного элемента без изменения массового числа. Таблица 1.4. Виды b-распадов.
Электроны и позитроны не находятся в ядре, а возникают в момент перехода одного нуклона в другой. При всех превращениях из основного состояние в основное состояние испускается нейтрино
При всех превращениях из основного состояние в возбужденное и далее, в основное состояние испускается нейтрино
Позитронный распад может протекать в случае, если разность энергий в конечном и исходном состояниях превышает 1,02 МэВ,то есть больше массы покоя двух электронов. Если значение энергии превращения меньше 1,02 Мэв, то эмиссия позитронов не возможна. В этом случае материнский нуклид переходит в дочерний путем захвата электрона так называемого К-захвата. Для ядер тяжелых элементов с недостатком нейтронов (нейтронодефицитное ядро), превращения протонов в нейтроны происходит только по механизму электронного К-захвата. Для ядер легких элементов распространены все три варианта b - распада. Бета-распад энергетически возможен, если масса покоя системы в начальном состоянии больше ее массы покоя в конечном (таб. 1.5). Таблица 1.5. Энергетические условия b- превращений.
Максимальная энергию b-излучения связана с постоянной распада λ;соотношением:
Максимальная энергия b-частиц составляет 0,015 – 15 МэВ, а периоды полураспада изменяются от 0.3 с до 6·1014 лет Гамма - излучение является вторичным процессом, сопровождающим процессы a- и b-распада. Это электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях. Гамма-кванты испускаются дочерним нуклидом, который находится в возбужденном состоянии. При этом в ядре не изменяется ни число нуклонов А, ни заряд Z. Так как время жизни ядер в возбужденных состояниях очень мало (t < 10-10 с), то при a- и b- распадах g-квант покидает его практически одновременно с заряженной частицей:
В изомерных переходах интенсивность g-излучения убывает во времени по обычному экспоненциальному закону с периодом полураспада данного метастабильного уровня (таб. 1.6). Таблица 1.6. Виды электромагнитного излучения
Масса покоя g-кванты равна нулю. Скорость распространения гамма - квантов равна скорости света. Энергия фотона зависит от частоты n или от длины волны l гамма-излучения связь между которыми дается соотношением:
где с - скорость света, h - постоянная Планка. Спонтанное деление fесть процесс радиоактивного распада, при котором материнское ядро распадается в основном состоянии и без всякого влияния извне на два осколка с близкими массами. Например, при делении ядра урана могут образовываться осколочные ядра Ba и Kr, La, Br и так далее. Спонтанное деление характерно только для самых тяжелых ядер, начиная от тория в сторону больших Z. Периоды полураспада спонтанного деления изотопов уменьшаются с увеличением порядкового номера Z.
Таблица 1.7. Периоды полураспада спонтанного деления тяжелых ядер
Для нечетных ядер значение периода полураспада спонтанного деления в среднем на 3-4 порядка больше, чем среднее значение периодов полураспада соседних четно-четных рядов. Спонтанное деление, как и альфа-распад, обязано туннельному эффекту, который наблюдается только у самых тяжелых ядер (Z>90, А>230). Известно лишь небольшое число нуклидов (250Cm, 254Cf, 256Fm, 260Rf), для которых спонтанное деление преобладает над другими видами распада. Делению способствует кулоновское отталкивание между протонами, энергия которого (Uкул) в сферическом ядре с радиусом R пропорциональна Z2/R; делению препятствует, стремящееся сохранить сферическую форму ядра поверхностное натяжение, его энергия(Uп.н.) пропорциональна R2. В результате способность ядер к делению возрастает с увеличением отношения Uкул /Uп.н., пропорционального Z2/R3, а тем самым параметру деления Z2/А, поскольку объем ядра пропорционален числу содержащихся в ядре нуклонов А. Периоды полураспада спонтанного деления уменьшаются с ростом отношения Z2/А и нуклиды с Z2/А>44,8 должны быть вообще нестабильными к спонтанному делению. Энергетической выгодности спонтанного деления отвечает условие Z2/А
Рис.1.2. Спонтанное деление
Каждый акт спонтанного деления сопровождается испусканием одного или нескольких нейтронов. Осколки деления оказываются перегруженными нейтронами и испытывают последовательно ряд b - распадов (рис.1.2). Для каждого типа ядер характерно среднее число нейтронов, выделяемое в процессе каждого акта спонтанного деления (таб. 1.8). Таблица 1.8. Среднее число нейтронов, выделяемое в процессе спонтанного деления.
Испускание запаздывающего протона характерно только для дочерних ядер, имеющих избыток протонов и претерпевающих позитронный распад. Позитронный распад приводит к образованию ядра – продукта в возбужденном состоянии, практически мгновенно (за время <10-12с) испускающего протон. Здесь позитронный распад сопровождается протонным распадом, причем периоды полураспада для обоих распадов одинаковы. Такое сложное радиоактивное превращение возможно в тех случаях, когда энергия позитронного распада превышает энергию связи протона в дочернем ядре-продукте распада. В качестве «предшественников» испускания таких запаздывающих протонов были идентифицированы b+- активные изотопы 17Ne (T1/2 =0.1 c) и 21Mg(T1/2=0.13 c). Испускание запаздывающего протона приводит к уменьшению заряда и массового числа образовавшегося ядра на единицу. Испускание запаздывающих нейтронов имеет место, когда энергия возбуждения осколочного ядра, претерпевшего b–распад, превысит энергию связи нейтрона в ядре. Такой тип распада наблюдается в ядерном реакторе. Процесс испускания запаздывающих нейтронов подчиняется экспоненциальному закону. Периоды полураспада этих процессов колеблются от 0,114 с до 2 ч. Запаздывающие нейтроны придают реактору инертность, делая его легко управляемым. 1.7. Взаимодействие ядерного излучения с веществом Все виды ядерного излучения - испускаемые при радиоактивном распаде фотоны и частицы, проявляются при их взаимодействию с веществом [3]. Различают упругое и неупругое взаимодействия. При упругом взаимодействии сумма кинетических энергий взаимодействующих фотонов и частиц не изменяется. Происходит перераспределение энергии между ними и изменение направления движения, т.е. упругое рассеяние. При неупругом взаимодействии сумма кинетических энергий уменьшается. Часть кинетической энергии переходит в другие формы (возбуждения, ионизации) и рассеивается в виде теплоты и длинноволнового излучения. Заряженные частицы – протоны, электроны, мезоны, ядра гелия и ядра более тяжелых элементов взаимодействуют с электронами атомных оболочек и ядрами встречных атомов в результате действия электростатических (кулоновских) сил. При близких столкновениях тяжелых частиц, в том числе и нейтронов, с ядрами, в действие вступают ядерные силы. Гамма-кванты воздействуют на атомные электроны и ядра своим электромагнитным полем. Взаимодействие γ-квантов со средой приводит к образованию электронов или позитронов, вызывающих дальнейшую ионизацию среды. Поэтому γ-излучение называют косвенно ионизирующим. Ионизирующее излучение характеризуют величиной удельной ионизации - числом пар ионов, образуемых частицей или гамма - квантом на единицу пути. Энергия падающих частиц передается атомам вещества. По мере углубления в среду энергия, скорость и интенсивность излучения уменьшаются вследствие ионизации и возбуждения. Происходит ионизационное торможение, вызванное ионизационными потерями (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Прохождение ядерного излучения через материалы.
Поглощающую способность веществ по отношению к излучению характеризует тормозная способность: количество энергии, которую теряет излучение на единице своего пути (dE/dx=φ(Е)). Тяжелые заряженные α-частицы (mα = 7350 м.е.) взаимодействуют с электронами атомных оболочек кулоновскими силами, вызывая ионизацию атомов. В одном акте взаимодействия α - частицы, движущейся со скоростью v << с и неподвижного электрона может быть передана максимальная энергия:
Ионизационные потери для α-излучения определяются выражением:
где Zα – заряд α – частицы; v – средняя скорость частицы см/с; Z – атомный номер вещества-поглотителя; me – масса покоя электрона; B – коэффициент торможения; nA – число атомов поглотителя в 1 см3 поглотителя;
где N0 – число Авогадро, ρ; – плотность, г/см3 поглотителя, А – атомная масса поглотителя. После замены и объединения постоянных в К, получаем:
Траектория движения α - частиц практически прямолинейна, за исключением случаев прохождения вблизи ядра или столкновения с ним. Ионизация атомов среды возможна, когда энергия отдаваемая альфа-частицей электрону больше энергии его связи с ядром (энергии ионизации атома). Если кинетическая энергия α-частицы меньше потенциала ионизации атомов, то уменьшение ее энергии происходит за счет возбуждения атомов и молекул. Электронные оболочки атомов взаимодействуют с α–частицей без выбивания электронов, но переходом их на более высокий энергетический уровень. В итоге, вся энергия возбуждения переходит в тепло, нагревая вещество. Полный путь (R), который заряженная частица проходит до остановки и полной потери кинетической энергии:
называется длиной пробега, является константой, характеризующей α–излучение. Измеряется линейной (R, см) или в массовой (d, г/см2) толщиной поглотителя. В воздухе при нормальных условиях α–частица образует 150-250 тысяч пар ионов на 1 см пути. При K =0,318:
Независимо от пути взаимодействие α–частиц с веществом, заторможенные до обычных молекулярных скоростей, они последовательно присоединяют два электрона и превращаются сначала в одноименно заряженные ионы, а затем в атомы гелия. Таблица 1.9. Пробеги α-частиц.
Выделяющаяся энергия торможении α-частиц в веществе вызывает в нем химические и физиологические превращения. Электроны (β–частицы) поглощаются средой в результате их взаимодействия с орбитальными электронами и электромагнитным полем ядра атома (рис. 1.4). Малая масса, заряд и большая первоначальная скорость обуславливают меньшую ионизирующую способность их по сравнению с α- частицами (β- частица с энергией 1 Мэв создает при движении в воздухе около 30 000 пар ионов). Треки β;–частиц в веществе не прямолинейны, а их энергия не является однозначной функцией пробега, они отклоняются, мере пробега, на разные углы и рассеиваются.
|
V
и движущаяся со скоростью (1,4-2,6)×103 км/с. Пробег в воздухе - 2,5 - 9 см.
, массы дочернего 
и массы a-частицы 
энергетическое условие самопроизвольного a -распада:
или 
или антинейтрино 
:
;
;
,
U
Pu
Cm
Cf
Fm
16, мгновенному делению - Z2/А 
U
Pu
Cf
≈2,5 … 8,5 см
-частиц, МэВ
