Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Правила зміщення, особливості спектрів при радіоактивному розпаді




Радіоактивний розпад відбувається, як і будь-який ін­ший процес в живій та неживій природі, згідно з законами збереження енергії, маси, імпульсу, електричного заряду, спі­ну тощо.

У відповідності з законом збереження електричного заря­ду маємо, що заряд вихідного атомного ядра (його називають інколи материнським) повинен дорівнювати сумарному заряду утворених при радіоактивному розпаді частинок і нових ядер (їх називають дочірніми). При ядерних перетвореннях величину заряду умовно характери­зують зарядовим числом Z, яке дорівнює відношенню заряду ядра (частинки) q до елементарного заряду е: Z = q/e. Так, для всіх ізотопів урану зарядове число дорівнює Z = 92, а для ізотопів гелію і для a-частинки Z = 2. Тому закон збереження електричного заряду при радіоактивному роз­па­ді можна подати в наступному формулюванні: сума зарядо­вих чисел дочірніх ядер і частинок, які утворилися при розпаді, дорівнює зарядовому числу вихідного (мате­ринсь­кого) ядра.

Закон збереження маси при радіоактивному розпаді з врахуванням формули Ейнштейна Е = mc2, що зв’язує масу m і енергію Е, можна записати у вигляді:

Мя = , (10.15)

де Мя – маса вихідного (материнського) ядра, Мі – маса утвореного (дочірнього) ядра і частинок, Е – енергія, що виділяється при радіоактивному розпаді.

Типові значення енергії, що виділяється при різних радіоактивних розпадах, не перевищують декількох МеВ (так, при a-розпаді ядра полонія виділяється 5.3 МеВ, при a-розпаді ядра радону – 5.5 МеВ, при b-розпаді ядра – 4.8 МеВ). Ці значення енергії Е значно менші за енергію 931.2 МеВ, що відповідає 1 атомній одиниці маси (а.о.м.) = 1.66×10–27 кг. В такому наближенні (Е/с2 <<
1 а.о.м.) закон збереження маси формулюється через масові числа (масове число М – це відношення маси ядра або частинки до а.о.м) наступним чином: сума масових чисел дочірніх ядер і частинок, які утворюються при радіо­активному розпаді, дорівнює масовому числу вихідного (материнського) ядра.

Оскільки при a-розпаді із вихідного (материнського) ядра вилітає ядро гелія , тобто частинка з зарядовим числом 2 і масовим числом 4, то нове утворене дочірнє ядро буде мати зарядове число на дві одиниці менше і масове число на чотири одиниці менше, ніж у вихідного ядра. Позначивши материнське (вихідне) ядро символом Х, а дочірнє (утворене) – символом У, запишемо процес a-розпаду у вигляді схеми:

. (10.16)

Зарядове число визначає місце (номер) елементу в періодичній системі Менделєєва, тому із схеми (10.16) виходить, що в результаті a-розпаду утворюється ядро елемента, який стоїть в періодичній системі Менделєєва на два місця раніше, ніж вихідне ядро.

При b-розпаді із ядра вихідного елемента вилітає електрон або позитрон. Маса електрона у 1836 разів менша маси атому водню, тому масове число електрона приймають рівним нулю. Заряд електрона чисельно дорівнює заряду протона, але цей заряд від’ємний. Тому зарядове число електрона Z = –1. Відповідно, масове число позитрона дорівнює, як і у електрона, нулю, а зарядове число Z = 1.

В зв’язку з викладеним схеми електронного і позитрон­ного b-розпадів будуть мати вигляд

, . (10.17)

Таким чином, в результаті електронного і позитронного b-розпаду утворюються ядра елементів, які розташовані в періодичній таблиці Менделєєва на наступному (поперед­ньому) місці по відношенню до вихідного елемента.

Формули (10.16) і (10.17) називають правилами змі­щен­ня.Вони дозволяють розібратися у всіх послідовних пере­тво­реннях ядер, які відбуваються в процесі їх радіо­активного розпаду .

Швидкості, з якими a-частинки вилітають із ядра, типово є дуже великі (~107 м/с), а кінетична енегія a-частинок порядку декількох МеВ. Кінетична енергія a-частинок виникає за рахунок надлишку енергії спокою материнського ядра над сумарною енергією спокою дочір­нього ядра і a-часточки. Ця надлишкова енергія розподі­ляєть­ся між a-частинкою і дочірнім ядром у відношенні, обернено пропорційному їх масам. Енергія a-частинок, які випускаються даною радіоактивною речовиною, є жорстко визначеною. Тому енергетичний спектр a-частинок є лінійчастий.

У більшості випадків радіоактивна речовина випускає декілька груп “моноенергетичних” a-частинок. Це обумов­ле­но тим, що дочірнє ядро може виникати як в нормаль­ному (незбудженому), так і в збудженому стані. Переходячи в нормальний або більш низький збуджений стан, дочірнє ядро випускає g-фотон. Через це a-розпад може супровод­жуватися g-випромінюванням. Утворене в результаті a-розпаду збуджене ядро може віддати надлишок енергії безпосередньо (без попереднього випускання g-кванта) одному із електронів К-, L- або М- шару атому, в результаті чого електрон вилітає з атому. Цей процес називають внут­рішньою конверсією. Утворене в результаті вильоту елект­ро­на вакантне місце буде заповнюватися електронами з вище розташованих енергетичних рівнів. Тому внутрішня конверсія завжди супроводжується випусканням характе­рис­тичних рентгенівських променів.

Бета-частинки (електрони і позитрони), які випромі­ню­ють­ся при радіоактивному b-розпаді, володіють різними значеннями енергії від 0 до Еmax (мал. 10.6). Випроміню­ван­ня такого енергетичного спектру b-частинок відіграло важливу роль в поясненні природи b-розпаду, про що вже говорилося в параграфі 10.2.1.

Загальні властивості b-спектрів: неперервність і наявність максимальної енергії Еmax – верхньої границі b-спектру. Бета-випромінювання з енергією від 0.05 МеВ до Еmaxназивають м’яким, а від Еmax до декількох МеВ – жорстким. Максимальна швидкість b-частинок у випадку жорсткого b-випромінювання наближається до швидкості світла і має бути розрахованою за формулами спеціальної теорії віднос­ності А. Ейнштейна.

Безпосередній експериментальний доказ існування нейт­ри­но і антинейтрино було отримано лише в 1956 р., приблизно через чверть століття після його теоретичного відкриття В. Паулі та Е. Фермі. Нейтрино було відкрито
Р. Девісом, який реалізував теоретичну ідею Б. Понтекорво, в реакції перетворення хлору в аргон:

, (10.18)

а антинейтрино Ф. Райнісом і К Коеном в реакції перетво­рен­ня протона в нейтрон

. (10.19)

Нейтрино і антинейтрино, які беруть участь в ядерних реакціях (10.5), (10.6) і (10.18), (10.19) називаються ел­ек­трон­­ними (інколи їх позначають через ne і ). Відомі ще інші типи нейтрино і антинейтрино – мезонні (nm і ), тау (nt і ). Принципово важливим з точки зору проблеми еволюції Всесвіту є питання про нульову або ненульову масу спокою нейтрино. Якщо нейтрино має ненульову масу спокою (для цього зараз є певні експериментальні підстави), то згідно з сучасною космологією – наукою про еволюцію Всесвіту – галактики, які в наш час розбігаються внаслідок розши­рення Всесвіту, через деякий час (зрозуміло, дуже великий в масштабі тривалості життя окремої людини) почнуть збіга­тися. Це означає, що Всесвіт буде поступово стискатися і такий процес, згідно з загальними законами термодинаміки, буде супроводжуватися зростанням серед­ньої густини і температури речовини у Всесвіті.

Оцінка віку організмів через вимірювання концентра­ції радіовуглецю. Під дією нейтронів космічного випромі­ню­вання в повітрі з азоту постійно утворюється ізотоп вугле­цю за реакцією

. (10.20)


Цей ізотоп є b-активним з періодом напіврозпаду
Т1/2 » 5600 років. Через радіоактивні властивості ізотопу його називають радіовуглецем. За проміжок часу dt внаслідок реакції (10.20) з азоту повітря в одиниці об’єму утворюється певна кількість радіоактивних ядер . І за той же час внаслідок радіоактивного розпаду кількість ядер зменшується на величину dN = –l N dt. Виявляється, що ці два процеси (збільшення радіо­вугле­цю під дією космічного випромінювання і його зменшення через радіоактивний b-розпад) взаємно компен­су­ють один одного, тобто виконується умова dN+ = dN. Внаслідок цього в різних місцях земної кулі середня концентра­ція радіо­вуглецю однакова. Вона відповідає такій активності, при якій на кожний грам радіовуглецю відбувається 14 розпадів за хвилину.

Радіовуглець засвоюється при фотосинтезі рослинами і бере участь в колообігу речовин в природі. Поки органічна речовина жива, зменшення в ньому через b-розпад від­нов­люється за рахунок участі в колообігу речовин в приро­ді. В момент смерті організму надходження радіо­вуглецю із навколишнього середовища зупиняється, і кон­цент­ра­ція починає спадати за законом радіо­активного розпаду. Вимірявши концентрацію в залишках організ­мів (в деревині, кістках тощо) можна визначити дату їх смерті або, як говорять, їх вік.







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 855. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.002 сек.) русская версия | украинская версия