Радиоактивный распад ядер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

по дисциплине: Квантовая физика

Радиоактивный распад ядер

Радиоактивность. Самопроизвольное (спонтанное) превращение одноатомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием одной или нескольких частиц, называется радиоактивностью. Условились считать, что время радиоактивного распада ядер составляет не менее 10-12 с.

За это время происходит большое число разнообразных внутриядерных процессов, полностью формирующих вновь образовавшееся ядро. Ядра, испытывающие радиоактивный распад, называются радиоактивными.

Ядра, не участвующие в радиоактивных превращениях, называются стабильными. Такое деление достаточно условно, поскольку практически все ядра могут претерпевать радиоактивный распад, однако скорость распада у разных ядер неодинакова.

Радиоактивность ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных с помощью ядерных реакций в лабораторных условиях (например, на ускорителях), называется искусственной. Между ними нет принципиальных отличий. И в том и в другом случае радиоактивные превращения подчиняются одним и тем же закономерностям. Распадающиеся ядра называются материнскими, а ядра, образующиеся в результате распада - дочерними.

К радиоактивному распаду относятся б-, в-распад, спонтанное деление тяжелых ядер, протонный распад и др. в-распад обусловлен слабым взаимодействием, все остальные виды радиоактивных процессов - сильным взаимодействием. Закон сохранения энергии при радиоактивном распаде имеет следующий вид:

Где:

Мм и Мд - массы покоя материнского и дочернего ядер соответственно;

mi - массы образовавшихся частиц;

ЕК - кинетическая энергия продуктов распада.

Выражение (1) получено в предположении, что материнское ядро покоится. Для того чтобы распад шел самопроизвольно, необходимо, чтобы ЕК > 0. Это означает, что массы распадающегося ядра и продуктов распада должны удовлетворять соотношению:

Это ограничение, следующее из закона сохранения энергии, не является единственным. При радиоактивном распаде должны также выполняться законы сохранения импульса, момента импульса и др.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем, обнаружившим испускание солями урана неизвестного проникающего излучения, которое он назвал радиоактивным. Вскоре была обнаружена радиоактивность тория, а в 1898 г. французские физики П. Кюри и М. Склодовская-Кюри открыли два новых радиоактивных элемента - полоний и радий.

В работах Э. Резерфорда, П. Кюри и М. Склодовской-Кюри было установлено, что при радиоактивном распаде испускаются три вида радиоактивного излучения: б-излучение, в-излучение и г-излучение.

Рис. 1. - Отклонение радиоактивных излучений магнитным полем противоположную сторону:

В дальнейшем было показано, что б-частицы представляют собой ядра гелия Не, в-частицы являются электронами е (хотя возможен в-распад с испусканием позитронов е+), а г-излучение представляет собой жесткое коротковолновое (л<10) электромагнитное излучение, испускаемое ядрами. Закон протекания радиоактивных процессов во времени одинаков для всех видов распадов.

Поэтому, прежде чем подробно описывать каждый из них, сформулируем общие для всех радиоактивных превращений закономерности.

Радиоактивный распад является принципиально статистическим явлением. Нельзя предсказать, в какой момент времени распадется то или иное возбужденное ядро. Но можно с высокой степенью точности указать, какая часть нестабильных ядер распадется за определенный промежуток времени. Выявляемые в радиоактивном распаде закономерности носят вероятностный характер и выполняются тем точнее, чем более велико число радиоактивных ядер.

Пусть в момент времени t имеется N одинаковых радиоактивных ядер. Будем считать, что ядра распадаются независимо друг от друга. Обозначим через л вероятность распада ядра в единицу времени, эта величина называется постоянной распада.

Смысл л заключается в том, что из N нестабильных ядер в единицу времени распадается в среднем лN ядер. Тогда к моменту времени dt число радиоактивных ядер изменится (уменьшиться):

Интегрируя (3) по времени и считая, что постоянная распада л не зависит от времени, получаем:

Где:

N(t) - число не распавшихся ядер в момент времени t;

N - число нераспавшихся ядер в начальный момент времени t = 0.

Соотношение (4) выражает закон радиоактивного распада: число не распавшихся ядер убывает с течением времени по экспоненциальному закону. Число ядер, испытавших радиоактивный распад за время t:

Интенсивность распада, происходящего в радиоактивном препарате, характеризуется величиной, называемой активностью А.

Активность определяется как число распадов, происходящих в радиоактивном препарате в единицу времени.

Единицей активности в системе СИ является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду. Используется также внесистемная единица кюри (Ки), равная активности одного грамма изотопа радия:

Активность единицы массы радиоактивного препарата:

а = A / m

- называется удельной активностью.

Рассмотрим теперь временные характеристики радиоактивного распада - период полураспада Т? и среднее время жизни ядра ф. Эти величины определяют скорость процессов рампада и выражаются через постоянную распада л. Спонтанное деление тяжелых ядер.

Самопроизвольное деление тяжелых ядер было впервые обнаружено советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком в 1940 г. у ядер урана. Спонтанное деление, так же как и б-распад, происходит за счет туннельного эффекта. Пользуясь капельной моделью ядра, т. е. считая, что ядро подобно капле жидкости, можно выделить стадии, которые проходит ядро в процессе деления (рис. 2, а). Соответствующий вид потенциальной энергии ядра U для различных деформаций ядра представлен на рис. 2, б.

Рис. 2. - Спонтанное деление тяжелого ядра:

Где:

а - схема деления;

б - потенциальный барьер деления.

Как и при всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильно (по экспоненциальному закону) зависит от высоты барьера деления ?U. Для изотопов урана и соседних с ним элементов высота барьера деления составляет ?U ? 6 МэВ.

Как и при всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильно (по экспоненциальному закону) зависит от высоты барьера деления ?U. Для изотопов урана и соседних с ним элементов высота барьера деления составляет ?U ? 6 МэВ.

Спонтанное деление является основным каналом распада сверхтяжелых ядер.

Осколки деления ядер урана U и плутония Рu асимметричны по массе. С ростом массового числа распадающегося ядра осколки деления становятся более симметричными.

Радиоактивные ряды.

Как уже отмечалось, ядра, возникающие в результате радиоактивных превращений, могут сами оказаться радиоактивными.

Они распадаются со скоростью, которая характеризуется их постоянной распада. Новые продукты распада, в свою очередь, могут быть радиоактивными и т. д.

В итоге возникает целый ряд радиоактивных превращений.

Все б- и в-радиоактивные элементы можно объединить в четыре радиоактивных ряда, или радиоактивных семейства.

Каждый из членов такого ряда получается из предыдущего элемента за счет б- или в-распадов. Каждый ряд имеет своего родоначальника - ядро с наибольшим периодом полураспада.

Внутри ряда массовые числа ядер А могут либо быть одинаковыми (при в-распаде), либо отличаться на число, кратное четырем (при б-распаде). Если для всех членов ряда 4n, где n - целое число, то этот ряд называется рядом 4n.

Соответственно для:

А = 4n +1

А = 4n + 2

А = 4n + 3

- радиоактивные ряды называются рядом 4n.

Родоначальниками этих рядов являются следующие ядра:

Ряд 4n-ряд нептуния - состоит из изотопов, не встречающихся в природе, а получающихся искусственным путем (искусственная радиоактивность). Остальные три ряда обусловлены естественной радиоактивностью. Все они заканчиваются различными стабильными изотопами свинца 82208Pb, 82206Pb, 82207Pb.

Приведем в качестве примера ряд 4n (рис. 3). Этот ряд называется рядом тория, хотя родоначальником его является уран.

Рис. 3. - Радиоактивный ряд 4n (ряд тория):

Литература

1. Иродов И.Е. Атомная и ядерная физика. Сборник задач. Спб.: Издательство «Лань», 2002.

2. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы. Лаборатория Базовых Знаний. 2006. одноатомный радиоактивность импульс

3. Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. YPCC. M., 2002.

4. Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Юдин Н.П. Частицы и атомные ядра: URSS. Издательство ЛКИ, 2007.

Размещено на Allbest.ru