Радиоактивные превращения ядер
Радиоактивное излучение возникает при радиоактивном распаде ядер. По своей физической природе оно представляет поток элементарных частиц, которые двигаются от ядра, претерпевшего распад, а также квантов жесткого электромагнитного излучения. При этом существуют три основные вида радиоактивных превращений: a, g, b.
a -распад представляет собой испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов – ядра гелия. Она называется альфа-частица и обозначается символом a. При этом заряд исходного ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число – на 4:
A 4 A-4 226 4 222
ZX 2 He + Z-2 X. Например: 88Ra 2 He + 86 Rn.
a -распаду подвержены, в основном, тяжелые радионуклиды, находящиеся в периодической системе элементов Менделеева после свинца.
Избыток энергии при a -распаде высвобождается в виде кинетической энергии a-частицы. Ее скорость составляет от 14 000 до 20 000 км/с, а кинетическая энергия – от 4 до 9 МэВ.
Ядра одних элементов имеют строго определенную энергию a-частиц. Это моноэнергетические излучения – 220Th (4,5 МэВ), 222Rn (5,49 МэВ), 216Po (6,78 МэВ). Ядра других – испускают частицы различных энергий: так, 235U – 4,366 МэВ (18 %), 4,396 МэВ (57 %), 4,415 МэВ (4 %), 4,556 МэВ (4 %), 4,597 МэВ (5 %).
Важным показателем a- и g-радиоактивных распадов является выход на распад. Это доля a-частиц и g-квантов с данной энергией, покидающих ядро в результате радиоактивного распада.
b-распадами называются радиоактивные превращения атомных ядер, сопровождающиеся вылетом из него электрона или позитрона, а также нейтрино либо антинейтрино.
Существуют следующие виды b-распадов.
При одном из них в ядре происходит самопроизвольное превращение одного из нейтронов в протон. Процесс сопровождается тем, что ядро покидают электрон и антинейтрино. Заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число остается неизменным. Обычно такое преобразование характерно для атомных ядер, в которых преобладают нейтроны:
90 90
0n p + е- + v - Например: 38 Sr 39Y + e- + v – .
Если в атомном ядре преобладают протоны, то b-распад может идти несколько иначе – происходит самопроизвольное превращение протона в нейтрон, а ядро покидают позитрон и нейтрино. При этом заряд ядра уменьшается на единицу. Такое превращение свойственно, в основном, при преобладании в ядре протонов:
22 22
p n + е + + v Например: 12 Mg 11 Na + e + + v .
При преобладании в атомном ядре нейтронов над протонами в радиоизотопах некоторых химических элементов возможен так называемый К-захват. При этом ядро захватывает один из электронов с ближайшей к ядру К-оболочки, а один из протонов в нейтрон и испускает нейтрино. Как правило, возникшее ядро оказывается в возбужденном состоянии. Место захваченного электрона заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате чего возникает рентгеновское излучение.
Примером электронного захвата может служить следующая реакция:
40 40
19 K + e- 18 Ar + v.
Особенностью b-распада является то, что энергия между b-частицей и антинейтрино (или нейтрино) распределяется неравномерно, поэтому b-частицы имеют различную кинетическую энергию – от 0 до некоторого максимального значения. Среднее значение энергии излучения обычно составляет 1/3 от максимальной. В справочниках приводятся значения этих энергий.
g- излучение. a- или b-распад обычно сопровождается переходом дочернего ядра в возбужденное состояние. Возврат к основному состоянию с наименьшей энергией сопровождается испусканием квантов электромагнитного излучения, с которым уносится избыток энергии.
Например, дочернее ядро 137 m Ba (образующегося в результате b-распада 137Cs) испускает один g-квант с энергией 661,6 кэВ, а ядро 134 m Ba (продукт b-распада 134Cs) проходит ряд промежуточных возбужденных состояний и поэтому испускает несколько g-квантов с различными энергиями (576, 602, 794 кэВ и т.д.).
Некоторые выводы из строения атома и атомного ядра
Явление радиоактивности связано с особенностями строения ядер некоторых химических элементов. Как известно, наименьшей частью химического элемента является атом, состоящий из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него по орбитам отрицательных электронов. Диаметр атома составляет ~ n * 10 – 10 м.
Электрон – это элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 а. е. м. (1 а. е. м. = 1,66 * 10 – 27 кг). Она имеет элементарный отрицательный заряд 1,601 * 10 – 19 Кл. Количество орбит, по которым вращаются электроны, может быть произвольно, но они группируются в электронные слои. Слоев может быть семь: K, L, M, N, O, P, Q. Для каждого слоя может быть определено максимальное количество электронов в нем. Чем ближе электрон к ядру, тем выше энергия связи с ним, и наоборот. Поэтому сорвать электроны с орбит внешних электронных слоев значительно легче, чем с орбит внутренних электронных слоев. Этим и определяются свойства элементов – валентность, электропроводность и т.д. Число электронов в ядре равно количеству протонов – в нормальном состоянии атом нейтрален.
Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Диаметр ядра составляет 10 – 15 – 10 – 14 м. В нем сосредоточена почти вся масса атома. Плотность вещества в ядре 2 * 10 14 г/см 3, или 200 млн. т в 1 см 3.
Протон – элементарная, положительно заряженная частица атомного ядра, его масса составляет 1,67243 * 10 – 27 кг, или 1,007593 а. е. м. Заряд протона положителен и равен 1,601 * 10 – 19 Кл.
Символ протона – буква p (от греч. protos – первый).
Число протонов в ядре постоянно (Z) и соответствует порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Поэтому порядковый номер, или атомный номер, элемента является синонимом числа протонов (Z).
Нейтрон – другой вид элементарных частиц. Его нет только в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. Масса нейтрона немножко больше массы протона и составляет 1,6747 * 10 – 27 кг, или, 1 008982 а. е. м.
Символ нейтрона – латинская буква n. В ядре он относительно стабилен, в свободном состоянии ней устойчив.
Общее название протонов и нейтронов – нуклоны.
Массу ядра можно выразить через массу протонов и массу нейтронов:
A = Np + Nn, или A = Z + Nn
Химические элементы записывают ZX, а чаще X.
Существуют ядра одних и тех же химических элементов с различным массовым числом, но с одним и тем же зарядом. Это определено различным числом нейтронов. Они называются изотопы.
Большинство химических элементов является смесью изотопов.
Скачать реферат