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 = mc 2, що зв’язує масу m і енергію Е, можна записати у вигляді: Мя = 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 Оскільки при a -розпаді із вихідного (материнського) ядра вилітає ядро гелія
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
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 Е max (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 Е max – верхньої границі b -спектру. Бета-випромінювання з енергією від 0.05 МеВ до Е maxназивають м’яким, а від Е max 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
а антинейтрино Ф. Райнісом і К Коеном в реакції перетворення протона в нейтрон
Нейтрино і антинейтрино, які беруть участь в ядерних реакціях (10.5), (10.6) і (10.18), (10.19) називаються електронними (інколи їх позначають через n e і Оцінка віку організмів через вимірювання концентрації радіовуглецю. Під дією нейтронів космічного випромінювання в повітрі з азоту постійно утворюється ізотоп вуглецю
Цей ізотоп є b -активним з періодом напіврозпаду Радіовуглець засвоюється при фотосинтезі рослинами і бере участь в колообігу речовин в природі. Поки органічна речовина жива, зменшення в ньому
|
, (10.15)
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/с 2 << 
, 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)
, 
. (10.17)
, (10.18)
. (10.19)
). Відомі ще інші типи нейтрино і антинейтрино – мезонні (n m і 
), тау (n t 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. 
за реакцією
. (10.20)
