7.1. Феноменологическое рассмотрение. Альфа-распадом называется самопроизвольный процесс превращения ядра (А , Z ) в ядро (A – 4, Z – 2) с испусканием ядра гелия-4 (α -частицы ):
Согласно условию (5.1), такой процесс возможен, если энергия α-распада
Выражая энергию покоя ядра через сумму энергий покоя нуклонов и энергию связи ядра, перепишем неравенство (7.1) в следующем виде:
Результат (7.2), в который входят лишь энергии связи ядер, обусловлен тем, что при α-распаде сохраняется не только общее число нуклонов, но и число протонов и нейтронов в отдельности.
Рассмотрим, как меняется энергия α-распада Е α при изменении массового числа A . Используя формулу Вайцзеккера для ядер, лежащих на теоретической линии стабильности, можно получить зависимость, представленную на рис. 7.1. Видно, что в рамках капельной модели α-распад должен наблюдаться для ядер с A > 155, причем энергия распада будет монотонно увеличиваться с ростом A .
На том же рисунке изображена реальная зависимость Е α от A , построенная с использованием экспериментальных данных об энергиях связи. Сравнивая две кривые, можно видеть, что капельная модель передает лишь общую тенденцию изменения Е α . В действительности самым легким радионуклидом, испускающим α-частицы, является 144 Nd, т.е. реальная область α-радиоактивности несколько шире, чем предсказывает полуэмпирическая формула. Кроме того, зависимость энергии распада от A не монотонна, а имеет максимумы и минимумы. Наиболее ярко выраженные максимумы приходятся на области A = 140-150 (редкоземельные элементы) и A = 210-220. Появление максимумов связано с заполнением нейтронной и протонной оболочек дочернего ядра до магического числа: N = 82 и Z = 82. Как известно, заполненным оболочкам соответствуют аномально высокие энергии связи. Тогда, согласно модели нуклонных оболочек, энергия α-распада ядер с N или Z , равным 84 = 82 + 2, будет также аномально высока. Благодаря оболочечному эффекту область α-радиоактивности начинается с Nd (N = 84), а у подавляющего большинства α-активных ядер Z 84.
Увеличение числа протонов в ядре (при постоянном A ) способствует α-распаду, т.к. увеличивает относительную роль кулоновского отталкивания, дестабилизирующего ядро. Поэтому энергия α-распада в ряду изобаров будет увеличиваться с ростом числа протонов. Увеличение числа нейтронов действует противоположным образом.
Для ядер, перегруженных протонами, конкурирующими процессами могут стать β + -распад или электронный захват, т.е. процессы, приводящие к уменьшению Z . Для ядер с избытком нейтронов конкурирующим процессом является β – -распад. Начиная с массового числа A = 232, к перечисленным типам распада добавляется спонтанное деление. Конкурирующие процессы могут идти настолько быстро, что наблюдать α-распад на их фоне не всегда удается.
Рассмотрим теперь, как распределяется энергия распада между фрагментами, т.е. α-частицей и дочерним ядром, или ядром отдачи . Очевидно, что
, (7.3)
где Т α – кинетическая энергия α-частицы, Т я.о. – кинетическая энергия дочернего ядра (энергия отдачи). Согласно закону сохранения импульса (который в состоянии до распада равен нулю), образовавшиеся частицы получают импульсы, равные по абсолютной величине и противоположные по знаку:
Воспользуемся далее рис. 7.1, из которого следует, что энергия α-распада (а значит, и кинетическая энергия каждой из частиц) не превышает 10 МэВ. Энергия покоя α-частицы – около 4 ГэВ, т.е. в сотни раз больше. Еще больше энергия покоя дочернего ядра. В этом случае для установления связи кинетической энергии с импульсом можно использовать соотношение классической механики
При подстановке (7.5) в (7.3) получаем
. (7.6)
Из (7.6) следует, что основную часть энергии распада уносит наиболее легкий фрагмент – α-частица. Так, при A = 200 на дочернее ядро отдачи приходится всего лишь 2 % от Е α .
Однозначное распределение энергии распада между двумя фрагментами приводит к тому, что каждый радионуклид испускает альфа-частицы строго определенных энергий, или, иными словами, α-спектры являются дискретными . Благодаря этому по энергии α-частиц можно идентифицировать радионуклид: линии спектра служат своеобразными «отпечатками пальцев». При этом, как показывает эксперимент, в α-спектрах очень часто присутствует не одна, а несколько линий различной интенсивности с близкой энергией. В таких случаях говорят о тонкой структуре α-спектра (рис. 7.2).
Чтобы понять происхождение эффекта тонкой структуры, вспомним, что энергия α-распада есть не что иное, как разность между уровнями энергии материнского и дочернего ядра. Если бы переход совершался лишь из основного состояния материнского ядра в основное состояние дочернего, α-спектры всех радионуклидов содержали бы только по одной линии. Между тем оказывается, что переходы из основного состояния материнского ядра могут происходить и в возбужденные состояния.
Периоды полураспада α-излучателей изменяются в широких пределах: от 10 – 7 секунды до 10 17 лет. Напротив, энергия испускаемых α-частиц лежит в узком диапазоне: 1-10 МэВ. Связь между постоянной распада λ и энергией α-частиц Т α дается законом Гейгера –Неттола , одна из форм записи которого:
, (7.7)
где С 1 и С 2 – константы, мало изменяющиеся при переходе от ядра к ядру. При этом увеличению энергии α-частиц на 1 МэВ соответствует уменьшение периода полураспада на несколько порядков величины.
7.2. Прохождение α-частиц через потенциальный барьер. До появления квантовой механики не было дано теоретического объяснения столь резкой зависимости λ от Т α . Более того, загадочной казалась сама возможность вылета из ядра α-частиц с энергиями, значительно уступающими высоте потенциальных барьеров, которые, как было доказано, окружают ядра. Например, опыты по рассеянию α-частиц 212 Ро с энергией 8,78 МэВ на уране показывали, что вблизи ядра урана не наблюдается отклонений от закона Кулона; тем не менее уран испускает α-частицы с энергией всего лишь 4,2 МэВ. Каким же образом эти α-частицы проникают через барьер, высота которого, как минимум, 8,78 МэВ, а в действительности еще больше?..
На рис. 7.3 изображена зависимость потенциальной энергии U положительно заряженной частицы от расстояния до ядра. В области r > R между частицей и ядром действуют только силы электростатического отталкивания, в области r < R преобладают более интенсивные ядерные силы притяжения, препятствующие вылету частицы из ядра. Результирующая кривая U (r ) имеет острый максимум в области r ~ R , получивший название кулоновского потенциального барьера . Высота барьера
, (7.8)
где Z 1 и Z 2 – заряды вылетающей частицы и дочернего ядра, R – радиус ядра, который в случае α-распада принимают равным 1,57·A 1/3 фм. Нетрудно подсчитать, что для 238 U высота кулоновского барьера составит ~ 27 МэВ.
Вылет из ядра α-частиц (и других положительно заряженных нуклонных образований) объясняется квантовомеханическим эффектом тунелирования , т.е. возможностью частицы двигаться в классически запрещенной для нее области между точками поворота, где Т < U .
Для того чтобы найти вероятность прохождения положительно заряженной частицы через кулоновский потенциальный барьер, рассмотрим вначале прямоугольный барьер ширины a и высоты V , на который падает частица с энергией E (рис. 7.4). За пределами барьера в областях 1 и 3 уравнение Шредингера выглядит как
,
а во внутренней области 2 как
.
Решением его являются плоские волны
.
Амплитуда А 1 соответствует волне, падающей на барьер, В 1 – волне, отраженной от барьера, А 3 – волне, прошедшей сквозь барьер (так как прошедшая волна уже более не отражается, амплитуда В 3 = 0). Поскольку Е < V ,
величина q – чисто мнимая, и волновая функция под барьером
.
Второе слагаемое в формуле (7.9) отвечает экспоненциально растущей волновой функции, а значит, и растущей с увеличением х вероятности обнаружить частицу под барьером. В связи с этим величина В 2 не может быть большой по сравнению с А 2 . Тогда, положив В 2 просто равным нулю, имеем
. (7.10)
Коэффициент прозрачности D барьера, т.е. вероятность найти частицу, первоначально находившуюся в области 1, в области 3, есть просто отношение вероятностей обнаружить частицу в точках х = а и х = 0. Для этого достаточно знания волновой функции под барьером. В результате
. (7.11)
Представим далее потенциальный барьер произвольной формы как совокупность N прямоугольных потенциальных барьеров с высотой V (x ) и шириной Δx (рис. 7.5). Вероятность прохождения частицы через такой барьер есть произведение вероятностей пройти все барьеры друг за другом, т.е.
Тогда, рассматривая барьеры бесконечно малой ширины и переходя от суммирования к интегрированию, получаем
(7.12)
Пределы интегрирования x 1 и x 2 в формуле (7.12) соответствуют классическим точкам поворота, в которых V (x ) = E , при этом движение частицы в областях x < x 1 и x > x 2 считается свободным.
Для кулоновского потенциального барьера вычисление D согласно (7.12) можно провести точно. Это впервые было сделано Г.А. Гамовым в 1928 г., т.е. еще до открытия нейтрона (Гамов полагал, что ядро состоит из α-частиц).
Для α-частицы с кинетической энергией T в потенциале вида u /r выражение для коэффициента прозрачности барьера принимает следующий вид:
, (7.13)
причем значение ρ определяется равенством T = u /ρ . Интеграл в показателе экспоненты после подстановки ξ = r 1/2 принимает форму, удобную для интегрирования:
.
Последнее дает
Если высота кулоновского барьера значительно больше, чем энергия α-частицы, то ρ >> R . В этом случае
. (7.14)
Подставляя (7.14) в (7.13) и учитывая, что ρ = BR /T , получаем
. (7.15)
В общем же случае, когда высота кулоновского барьера сравнима с энергией испускаемой частицы, коэффициент прозрачности D дается следующей формулой:
, (7.16)
где – приведенная масса двух разлетающихся частиц (для α-частицы она очень близка к ее собственной массе). Формула (7.16) дает для 238 U значение D = 10 –39 , т.е. вероятность тунелирования α-частиц крайне мала.
Результат (7.16) был получен для случая центрального разлета
частиц, т.е. такого, когда α-частица испускается ядром строго в радиальном направлении. Если же последнее не имеет места, то уносимый α-частицей момент импульса 
не равен нулю. Тогда при расчетах D
следует учитывать поправку, связанную с наличием дополнительного центробежного барьера
:
, (7.17)
где l = 1, 2, 3, и т.д.
Значение U ц (R ) называется высотой центробежного барьера. Существование центробежного барьера приводит к возрастанию интеграла в (7.12) и уменьшению коэффициента прозрачности. Однако эффект центробежного барьера не слишком велик. Во-первых, поскольку вращательная энергия системы в момент разлета U ц (R ) не может превышать энергию α-распада T , то чаще всего , и высота центробежного барьера не превышает 25% от кулоновского. Во-вторых, следует учесть, что центробежный потенциал (~1/r 2) гораздо быстрее убывает с расстоянием, чем кулоновский (~1/r ). В результате вероятность испускания α-частицы с l ≠ 0 имеет практически тот же порядок величины, что и при l = 0.
Возможные значения l определяются правилами отбора по моменту импульса и четности, которые вытекают из соответствующих законов сохранения. Так как спин α-частицы равен нулю, а ее четность положительна, то
(индексы 1 и 2 относятся к материнскому и дочернему ядру соответственно). С помощью правил (7.18) нетрудно, например, установить, что α-частицы 239 Pu (рис. 7.2) с энергией 5,157 МэВ испускаются только при центральном разлете, тогда как для α-частиц с энергией 5,144 и 5,016 МэВ l = 2.
7.3. Скорость α-распада.
Вероятность α-распада как сложного события – произведение двух величин: вероятности образования α-частицы внутри ядра и вероятности покинуть ядро. Процесс образования α-частицы – чисто ядерный; его довольно сложно рассчитать точно, поскольку ему присущи все трудности ядерной задачи. Тем не менее, для простейшей оценки можно принять, что α-частицы в ядре существуют, что называется, «в готовом виде». Пусть v
– скорость α-частицы внутри ядра. Тогда на его поверхности она окажется n
раз в единицу времени, где n
= v
/2R
. Положим, что по порядку величины радиус ядра R
равен длине волны де Бройля α-частицы (см. приложение Б), т.е. , где 
. Рассматривая, таким образом, вероятность распада как произведение коэффициента прозрачности барьера и частоты соударений α-частицы с барьером, имеем
. (7.19)
Если коэффициент прозрачности барьера удовлетворяет соотношению (7.15), то после подстановки и логарифмирования (7.19) мы получим закон Гейгера-Неттола (7.7). Принимая энергию α-частиц T << В , можно приближенно определить, как зависят коэффициенты формулы (7.7) от А и Z радиоактивного ядра. Подставляя в (7.15) высоту кулоновского барьера (7.8) и учитывая, что при α-распаде Z 1 = Z α = 2 и μ ≈ M α , имеем
,
где Z 2 – заряд дочернего ядра. Тогда логарифмируя (7.19), найдем, что
,
.
Таким образом, С 1 очень слабо (логарифмически) зависит от массы ядра, а С 2 линейно зависит от его заряда.
Согласно (7.19), частота столкновений α-частицы с потенциальным барьером составляет для большинства α-радиоактивных около 5·10 20 с –1 . Следовательно, величиной, определяющей постоянную α-распада оказывается коэффициент прозрачности барьера, сильно зависящий от энергии, так как последняя входит в показатель экспоненты. С этим и связана узость диапазона, в котором могут меняться энергии α-частиц радиоактивных ядер: частицы с энергиями выше 9 МэВ вылетают практически мгновенно, тогда как при энергиях ниже 4 МэВ они живут в ядре настолько долго, что α-распад очень трудно зарегистрировать.
Как уже отмечалось, спектры α-излучения часто имеют тонкую структуру, т.е. энергия испускаемых частиц принимает не одно, а целый ряд дискретных значений. Появление в спектре частиц с меньшей энергией (короткопробежных ) соответствует образованию дочерних ядер в возбужденных состояниях. В силу закона (7.7) выход короткопробежных α-частиц всегда значительно меньше выхода частиц основной группы. Поэтому тонкая структура α-спектров связана, как правило, с переходами на вращательно возбужденные уровни несферических ядер с невысокой энергией возбуждения.
Если распад материнского ядра происходит не только из основного, но и из возбужденных состояний, наблюдают длиннопробежные α-частицы. Примером могут служить длиннопробежные α-частицы, испускаемые ядрами изотопов полония 212 Po и 214 Po. Таким образом, тонкая структура α-спектров в ряде случаев несет информацию об уровнях не только дочерних, но и материнских ядер.
Учет того обстоятельства, что α-частица не существует в ядре, но образуется из составляющих ее нуклонов (двух протонов и двух нейтронов), а также более строгое описание движения α-частицы внутри ядра требуют и более детального рассмотрения физических процессов, происходящих в ядре. В связи с этим не приходится удивляться, что α-распады ядер подразделяются на облегченные и задержанные . Облегченным называется распад, для которого достаточно хорошо выполняется формула (7.19). Если же реальный период полураспада превышает рассчитанный более чем на порядок, такой распад называют задержанным.
Облегченный α-распад наблюдается, как правило, у четно-четных ядер, а задержанный – у всех остальных. Так, переходы нечетного ядра 235 U в основное и первое возбужденное состояние 231 Th замедляются почти в тысячу раз. Если бы не данное обстоятельство, этот важный радионуклид (235 U) оказался бы настолько короткоживущим, что не сохранился бы в природе к настоящему времени.
Качественно задержанный α-распад объясняется тем, что переход в основное состояние при распаде ядра, содержащего неспаренный нуклон (с наименьшей энергией связи) может иметь место только тогда, когда этот нуклон становится частью α-частицы, т.е. когда происходит разрыв другой пары нуклонов. Такой путь образования α-частицы значительно более затруднен, чем ее построение из уже существующих пар нуклонов в четно-четных ядрах. По этой причине и может происходить задержка перехода в основное состояние. Если, с другой стороны, α-частица все же образуется из пар нуклонов, уже существующих в таком ядре, дочернее ядро должно после распада оказаться в возбужденном состоянии. Последнее рассуждение объясняет довольно высокую вероятность перехода в возбужденные состояния для нечетных ядер (рис. 7.2).
Большинство атомных ядер нестабильно. Рано или поздно они самопроизвольно (или, как говорят физики, спонтанно ) распадаются на более мелкие ядра и элементарные частицы, которые принято называть продуктами распада или дочерними элементами. Распадающиеся частицы принято именовать исходными материалами или родителями. У всех нам хорошо знакомых химических веществ (железо, кислород, кальций и т. п.) имеется хотя бы один стабильный изотоп. (Изотопами называются разновидности химического элемента с одним и тем же числом протонов в ядре — это число протонов соответствует порядковому номеру элемента, — но разным числом нейтронов.) Тот факт, что эти вещества нам хорошо известны, свидетельствует об их стабильности — значит, они живут достаточно долго, чтобы в значительных количествах накапливаться в природных условиях, не распадаясь на составляющие. Но у каждого из природных элементов имеются и нестабильные изотопы — их ядра можно получить в процессе ядерных реакций, но долго они не живут, поскольку быстро распадаются.
Распад ядер радиоактивных элементов или изотопов может происходить тремя основными путями, и соответствующие реакции ядерного распада названы тремя первыми буквами греческого алфавита. При альфа-распаде выделяется атом гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов, — его принято называть альфа-частицей. Поскольку альфа-распад влечет за собой понижение числа положительно заряженных протонов в атоме на два, ядро, испустившее альфа-частицу, превращается в ядро элемента, отстоящую на две позиции ниже от нее в периодической системе Менделеева . При бета-распаде ядро испускает электрон, а элемент продвигается на одну позицию вперед по периодической таблице (при этом, по существу, нейтрон превращается в протон с излучением этого самого электрона). Наконец, гамма-распад — это распад ядер с излучением фотонов высоких энергий, которые принято называть гамма-лучами. При этом ядро теряет энергию, но химический элемент не видоизменяется.
Однако сам по себе факт нестабильности того или иного изотопа химического элемента отнюдь не означает, что, собрав воедино некоторое число ядер этого изотопа, вы получите картину их одномоментного распада. В реальности распад ядра радиоактивного элемента чем-то напоминает процесс жарки кукурузы при изготовлении поп-корна: зерна (нуклоны) отпадают от «початка» (ядра) по одному, в совершенно непредсказуемом порядке, пока не отвалятся все. Закон, описывающий реакцию радиоактивного распада, собственно, только констатирует этот факт: за фиксированный отрезок времени радиоактивное ядро испускает число нуклонов, пропорциональное числу нуклонов, остающихся в его составе. То есть чем больше зерен-нуклонов всё еще остается в «недожаренном» початке-ядре, тем больше их выделится за фиксированный интервал времени «жарки». При переводе этой метафоры на язык математических формул мы получим уравнение, описывающее радиоактивный распад:
dN = λN dt
где dN — число нуклонов, испускаемых ядром с общим числом нуклонов N за время dt , а λ — экспериментально определяемая константа радиоактивности исследуемого вещества. Вышеприведенная эмпирическая формула представляет собой линейное дифференциальное уравнение, решением которого является следующая функция, описывающая число нуклонов, остающихся в составе ядра на момент времени t :
N = N 0 e -λt
где N 0 — число нуклонов в ядре на начальный момент наблюдения.
Константа радиоактивности, таким образом, определяет, насколько быстро распадается ядро. Однако физики-экспериментаторы обычно измеряют не ее, а так называемое время полураспада ядра (то есть срок за который исследуемое ядро испускает половину содержащихся в нем нуклонов). У различных изотопов различных радиоактивных веществ время полураспада варьируется (в полном соответствии с теоретическими предсказаниями) от миллиардных долей секунды до миллиардов лет. То есть некоторые ядра живут практически вечно, а некоторые распадаются буквально моментально (тут важно помнить, что по истечении времени полураспада остается половина совокупной массы исходного вещества, по истечении двух сроков полураспада — четверть его массы, по истечении трех сроков полураспада — одна восьмая и т. д.).
Что касается возникновения радиоактивных элементов, то рождаются они по-разному. В частности, ионосфера (верхний разреженный слой атмосферы) Земли подвергается постоянной бомбардировке космическими лучами, состоящими из частиц с высокими энергиями (см. Элементарные частицы). Под их воздействием долгоживущие атомы и расщепляются на неустойчивые изотопы: в частности, из стабильного азота-14 в земной атмосфере постоянно образуется неустойчивый изотоп углерода-14 с 6 протонами и 8 нейтронами в ядре (см. Радиометрическое датирование).
Но вышеописанный случай — скорее экзотика. Гораздо чаще радиоактивные элементы образуются в цепи реакций ядерного деления. Так называют череду событий, в ходе которых исходное («материнское») ядро распадается на два «дочерних» (также радиоактивных), те, в свою очередь, — на четыре ядра-«внучки» и т. д. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут получены стабильные изотопы. В качестве примера возьмем изотоп урана-238 (92 протона + 146 нейтронов) со временем полураспада около 4,5 млрд лет. Этот период, кстати, приблизительно равен возрасту нашей планеты, что означает, что примерно половина урана-238 из состава первичной материи формирования Земли по-прежнему находится в совокупности элементов земной природы. Уран-238 превращается в торий-234 (90 протонов + 144 нейтрона), время полураспада которого равно 24 суткам. Торий-234 превращается в палладий-234 (91 протон + 143 нейтрона) со временем полураспада 6 часов — и т. д. После десяти с лишним этапов распада получается, наконец, стабильный изотоп свинца-206.
О радиоактивном распаде можно говорить много, но особо отметить нужно несколько моментов. Во-первых, даже если мы возьмем в качестве исходного материала чистый образец какого-то одного радиоактивного изотопа, он будет распадаться на разные составляющие, и вскоре мы неизбежно получим целый «букет» различных радиоактивных веществ с различными ядерными массами. Во-вторых, естественные цепочки реакций атомного распада успокаивают нас в том смысле, что радиоактивность — явление природное, существовала она задолго до человека, и не нужно брать грех на душу и обвинять одну только человеческую цивилизацию в том, что на Земле имеется радиационный фон. Уран-238 существовал на Земле с самого ее зарождения, распадался, распадается — и будет распадаться, а атомные электростанции ускоряют этот процесс, фактически, на доли процента; так что никакого особо пагубного влияния дополнительно к тому, что предусмотрено природой, они на нас с вами не оказывают.
Наконец, неизбежность радиоактивного атомного распада сопряжена как с потенциальными проблемами, так и с потенциальными возможностями для человечества. В частности, в цепи реакций распада ядер урана-238 образуется радон-222 — благородный газ без цвета, запаха и вкуса, не вступающий ни в какие химические реакции, поскольку он не способен образовывать химические связи . Это инертный газ, и он буквально сочится из недр нашей планеты. Обычно он не оказывает на нас никакого действия — просто растворяется в воздухе и остается там в незначительной концентрации, пока не распадется на еще более легкие элементы. Однако если этот безвредный радон будет долго находиться в непроветриваемом помещении, то со временем там начнут накапливаться продукты его распада — а они для здоровья человека вредны (при вдыхании). Вот так мы получаем так называемую «радоновую проблему».
С другой стороны, радиоактивные свойства химических элементов приносят людям и значительную пользу, если подойти к ним с умом. Радиоактивный фосфор, в частности, теперь вводится в виде инъекций для получения радиографической картины костных переломов. Степень его радиоактивности минимальна и не причиняет вреда здоровью пациента. Поступая в костные ткани организма вместе с обычным фосфором, он излучает достаточно лучей, чтобы зафиксировать их на светочувствительной аппаратуре и получить снимки сломанной кости буквально изнутри. Хирурги, соответственно, получают возможность оперировать сложный перелом не вслепую и наугад, а заранее изучив структуру перелома по таким снимкам. Вообще же, применениям радиографии в науке, технике и медицине несть числа. И все они работают по одному принципу: химические свойства атома (по сути, свойства внешней электронной оболочки) позволяют отнести вещество к определенной химической группе; затем, используя химические свойства этого вещества, атом доставляется «в нужное место», после чего, используя свойство ядер этого элемента к распаду в строгом соответствии с установленным законами физики «графику», регистрируются продукты распада.
Э. Резенфорд вместе с с английским радиохимиком Ф. Содди доказал, что радиоактивность сопровождается самопроизвольным превращением одного химического элемента в другой.
Причем в результате радиоактивного излучения изменения претерпевают ядра атомов химических элементов.
ОБОЗНАЧЕНИЕ ЯДРА АТОМА
ИЗОТОПЫ
Среди радиоактивных элементов были обнаружены элементы, неразличимые химически, но разные по массе. Эти группы элементов были названы "изотопами" ("занимающими одно место в табл. Менделеева") . Ядра атомов изотопов одного и того же химического элемента различаются числом нейтронов.
В настоящее время установлено, что все химические элементы имеют изотопы.
В природе все без исключения химические элементы состоят из смеси нескольких изотопов, поэтому в таблице Менделеева атомные массы выражены дробными числами.
Изотопы даже нерадиоактивных элементов могут быть радиоактивны.
АЛЬФА - РАСПАД
Альфа-частица (ядро атома гелия)
- характерен для радиоактивных элементов порядковым номером больше 83
.- обязательно выполняется закон сохранения массового и зарядового числа.
- часто сопровождается гамма-излучением.
Реакция альфа-распада:
При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к её началу, чем исходный
Физический смысл реакции:
В результате вылета альфа-частицы заряд ядра уменьшается на 2 элементарных заряда и образуется новый химический элемент.
Правило смещения:
При бета-распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным (на одну клетку ближе к концу таблицы).
БЕТА - РАСПАД
Бета-частица (электрон).
- часто сопровождается гамма-излучением.
- может сопровождаться образованием антинейтрино (легких электрически нейтральных частиц, обладающих большой проникающей способностью).
- обяэательно должен выполняться закон сохранения массового и зарядового числа.
Реакция бета-распада:
Физический смысл реакции:
Нейтрон в ядре атома может превращаться в протон, электрон и антинейтрино, в результате ядро излучает электрон.
Правило смещения:
ДЛЯ ТЕХ, КТО ЕЩЁ НЕ УСТАЛ
Предлагаю написать реакции распада и сдать работу.
(составьте цепочку превращений)
1. Ядро какого химического элемента является продуктом одного альфа-распада
и двух бета-распадов ядра данного элемента?
Альфа-распад характерен для естественных радиоактивных элементов с большим порядковым номером (т.е. с малыми энергиями связи). Известно в основном порядковый номер их более 82. Альфа-распад сопровождается испусканием из ядра неустойчивого элемента альфа-частицы, которая представляет собой ядро атома гелия Не (в его составе 2 протона и 2 нейтрона). Заряд ядра уменьшается на 2, массовое число – на 4.
Бета-распад. Ряд естественных и искусственных радиоактивных изотопов претерпевают распад с испусканием электронов или позитронов:
а) Электронный бета-распад. характерен как для естественных, так и для искусственных радионуклидов, которые имеют излишек нейтронов. При этом один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино. Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента при этом увеличивается на единицу, а массовое число остается без изменения.
б)Позитронный бета-распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов, у которых в ядре имеется излишек протонов. При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в нейтрон, заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.
Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е и е). Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два гамма-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение – аннигиляционного. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую – гамма-фотоны;
Ядерная реакция синтеза - процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.
Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.
Ядерная реакция деления - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном, альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.
Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.
Вы уже знаете, что в середине XX в. возникла проблема поиска новых источников энергии. В связи с этим внимание учёных привлекли термоядерные реакции.
- Термоядерной называется реакция слияния лёгких ядер (таких как водород, гелий и др.), происходящая при температурах от десятков до сотен миллионов градусов
Создание высокой температуры необходимо для придания ядрам достаточно большой кинетической энергии - только при этом условии ядра смогут преодолеть силы электрического отталкивания и сблизиться настолько, чтобы попасть в зону действия ядерных сил. На таких малых расстояниях силы ядерного притяжения значительно превосходят силы электрического отталкивания, благодаря чему возможен синтез (т. е. слияние, объединение) ядер.
В § 58 на примере урана было показано, что при делении тяжёлых ядер может выделяться энергия. В случае с лёгкими ядрами энергия может выделяться при обратном процессе - при их синтезе. Причём реакция синтеза лёгких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжёлых (если сравнивать выделившуюся энергию, приходящуюся на один нуклон).
Примером термоядерной реакции может служить слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего образуется гелий и излучается нейтрон:
Это первая термоядерная реакция, которую учёным удалось осуществить. Она была реализована в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.
Как уже было отмечено, термоядерные реакции могут идти с выделением большого количества энергии. Но для того чтобы эту энергию можно было использовать в мирных целях, необходимо научиться проводить управляемые термоядерные реакции. Одна из основных трудностей в осуществлении таких реакций заключается в том, чтобы удержать внутри установки высокотемпературную плазму (почти полностью ионизированный газ), в которой и происходит синтез ядер. Плазма не должна соприкасаться со стенками установки, в которой она находится, иначе стенки обратятся в пар. В настоящее время для удерживания плазмы в ограниченном пространстве на соответствующем расстоянии от стенок применяются очень сильные магнитные поля.
Термоядерные реакции играют важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней.
Благодаря термоядерным реакциям, протекающим в недрах Солнца, выделяется энергия, дающая жизнь обитателям Земли.
Наше Солнце излучает в пространство свет и тепло уже почти 4,6 млрд лет. Естественно, что во все времена учёных интересовал вопрос о том, что является «топливом», за счёт которого на Солнце вырабатывается огромное количество энергии в течение столь длительного времени.
На этот счёт существовали разные гипотезы. Одна из них заключалась в том, что энергия на Солнце выделяется в результате химической реакции горения. Но в этом случае, как показывают расчёты, Солнце могло бы просуществовать всего несколько тысяч лет, что противоречит действительности.
Оригинальная гипотеза была выдвинута в середине XIX в. Она состояла в том, что увеличение внутренней энергии и соответствующее повышение температуры Солнца происходит за счёт уменьшения его потенциальной энергии при гравитационном сжатии. Она тоже оказалась несостоятельной, так как в этом случае срок жизни Солнца увеличивается до миллионов лет, но не до миллиардов.
Предположение о том, что выделение энергии на Солнце происходит в результате протекания на нём термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете.
Им же был предложен так называемый водородный цикл , т. е. цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода:
где - частица, называемая «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «маленький нейтрон».
Чтобы получились два ядра , необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.
Вы уже знаете, что в соответствии с формулой Е = mс 2 с уменьшением внутренней энергии тела уменьшается и его масса.
Чтобы представить, какое колоссальное количество энергии теряет Солнце в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что масса Солнца ежесекундно уменьшается на несколько миллионов тонн. Но, несмотря на потери, запасов водорода на Солнце должно хватить ещё на 5-6 миллиардов лет.
Такие же реакции протекают в недрах других звёзд, масса и возраст которых сравнимы с массой и возрастом Солнца.
Вопросы
- Какая реакция называется термоядерной? Приведите пример реакции.
- Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
- Какая реакция энергетически более выгодна (в расчёте на один нуклон): синтез лёгких ядер или деление тяжёлых?
- В чём заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?
- Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
- Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
- На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчётам учёных?
Это любопытно...
Элементарные частицы. Античастицы
Частицы, из которых состоят атомы различных веществ - электрон, протон и нейтрон, - назвали элементарными. Слово «элементарный» подразумевало, что эти частицы являются первичными, простейшими, далее неделимыми и неизменяемыми. Но вскоре оказалось, что эти частицы вовсе не являются неизменяемыми. Все они обладают способностью превращаться друг в друга при взаимодействии.
Поэтому в современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в своём точном значении, а для наименования большой группы мельчайших частиц материи, не являющихся атомами или ядрами атомов (исключение составляет протон, представляющий собой ядро атома водорода и в то же время относящийся к элементарным частицам).
В настоящее время известно более 350 различных элементарных частиц. Частицы эти очень разнообразны по своим свойствам. Они могут отличаться друг от друга массой, знаком и величиной электрического заряда, временем жизни (т. е. временем с момента образования частицы и до момента её превращения в какую-либо другую частицу), проникающей способностью (т. е. способностью проходить сквозь вещество) и другими характеристиками. Например, большинство частиц являются «коротко-живущими» - они живут не более двух миллионных долей секунды, в то время как среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, 15 мин.
Важнейшее открытие в области исследования элементарных частиц было сделано в 1932 г., когда американский физик Карл Дейвид Андерсон обнаружил в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле, след неизвестной частицы. По характеру этого следа (по радиусу кривизны, направлению изгиба и пр.) учёные определили, что он оставлен частицей, которая представляет собой как бы электрон с положительным по знаку электрическим зарядом. Эту частицу назвали позитроном.
Интересно, что за год до экспериментального открытия позитрона его существование было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком (существование именно такой частицы следовало из выведенного им уравнения). Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электрон-позитронной пары. Аннигиляция заключается в том, что электрон и позитрон при встрече исчезают, превращаясь в γ-кванты (фотоны). А при столкновении γ-кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электрон-позитронной пары.
Оба эти процесса впервые удалось пронаблюдать на опыте в 1933 г. На рисунке 166 показаны треки электрона и позитрона, образовавшихся в результате столкновения γ-кванта с атомом свинца при прохождении γ-лучей сквозь свинцовую пластинку. Опыт проводился в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Одинаковая кривизна треков свидетельствует об одинаковой массе частиц, а искривление в разные стороны - о противоположных знаках электрического заряда.
Рис. 166. Треки электрон-позитронной пары в магнитном поле
В 1955 г. была обнаружена еще одна античастица- антипротон (существование которой тоже вытекало из теории Дирака), а несколько позже - антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон-антинейтрон.
Возможность получения античастиц привела учёных к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома - отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны. В целом атом нейтрален. Эта идея тоже получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 г. на ускорителе протонов в г. Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия.
В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.
Итоги главы. Самое главное
Ниже даны физические понятия и явления. Последовательность изложения определений и формулировок не соответствует последовательности понятий и т. п.
Перенесите в тетрадь названия понятий и в квадратные скобки впишите порядковый номер определения (формулировки), соответствующего данному понятию.
- Радиоактивность ;
- ядерная (планетарная) модель строения атома ;
- атомное ядро ;
- радиоактивные превращения атомных ядер ;
- экспериментальные методы изучения частиц в атомной и ядерной физике ;
- ядерные силы ;
- энергия связи ядра ;
- дефект масс атомного ядра ;
- цепная реакция ;
- ядерный реактор ;
- экологические и социальные проблемы, возникающие при использовании АЭС ;
- поглощённая доза излучения .
- Регистрация частиц с помощью счётчика Гейгера, изучение и фотографирование треков частиц (в том числе участвовавших в ядерных реакциях) в камере Вильсона и пузырьковой камере.
- Силы притяжения, действующие между нуклонами в ядрах атомов и значительно превосходящие силы электростатического отталкивания между протонами.
- Минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны.
- Самопроизвольное излучение атомами некоторых элементов радиоактивных лучей.
- Устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции.
- Состоит из нуклонов (т. е. из протонов и нейтронов).
- Радиоактивные отходы, возможность аварий, содействие распространению ядерного оружия.
- Атом состоит из расположенного в его центре положительно заряженного ядра, вокруг которого на расстоянии, значительно превышающем размер ядра, обращаются электроны.
- Превращение одного химического элемента в другой при α- или β-распаде, в результате которого ядро исходного атома претерпевает изменения.
- Разность между суммой масс нуклонов, образующих ядро, и массой этого ядра.
- Самоподдерживающаяся реакция деления тяжёлых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра.
- Энергия ионизирующего излучения, поглощённая излучаемым веществом (в частности, тканями организма) и рассчитанная на единицу массы.
Проверь себя
