- •1. Моделі атома Томпсона та Резерфорда. Позитивна сторона моделей і їх недоліки.
- •2.Спектр атома водню. Узагальнена формула Больцмана
- •3. Постулати Бота. Спектр атома водню по Бору
- •4. Гіпотеза Луї де Бройля. Корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії;
- •5. Розмір, склад та заряд атомного ядра. Масове та зарядове число
- •6. Дефект маси та енергія зв’язку ядра. Питома енергія зв’язку
- •7 Ядерні сили. Властивості ядерних сил
- •8 Радіоактивне випромінювання та його типи
- •9 Закон Радіоактивного розпаду. Активність нукліда. Правило зміщення
- •10 Гама випромінювання та його властивості
- •11 Ядерні реакції та їх класифікація
- •12 Реакції поділу ядер. Ланцюгові реакції. Поняття про ядерну енергетику
8 Радіоактивне випромінювання та його типи
Радіоактивність – процес самовільного перетворення деяких (нестабільних) ядер в інші з випромінюванням часток. До радіоактивних перетворень відносяться: -розпад, -розпад (з випромінюванням електрона, позитрона чи захопленням орбітального електрона), спонтанний поділ важких ядер, протонна та нейтронна радіоактивність. Радіоактивність нестабільних ядер, які існують в природі (їх відомо ~ 300), називається природною (А.Беккерель, 1896 р.), а тих, що одержані шляхом ядерних реакцій (їх відомо ~ 1700), – штучною (І. та Ф. Жоліо-Кюрі,1934 р). Обидва види радіоактивності підкоряються одному законові радіоактивного розпаду.
Найпоширенішими серед радіоактивних перетворень є альфа-розпад, бета-розпад (випромінювання електрона або позитрона) і спонтанний поділ ядер атомів.
Вже перші дослідники природної радіоактивності (П. та М. Кюрі, Е. Резерфорд) виявили, що радіоактивна речовина є джерелом трьох видів випромінювань: -, - і -променів.
8.3.2. -промені являють собою потік ядер гелію ; -розпад відбувається за схемою
. (8.19)
Індекси дочірнього ядра встановлюються на основі законів збереження зарядового і масового чисел: зарядове чи масове число до реакції рівне сумі відповідних чисел після реакції. Звідси випливають так звані правила зміщення; зокрема, при -розпаді Z дочірнього ядра на 2, а А на 4 менші, ніж у материнського ядра; наприклад,
.
Енергія реакції -розпаду визначається на основі формули (8.7), де дефект маси реакції
. (8.20)
Ц
Рис.
8.4
Певний радіоактивний елемент випромінює -частинки декількох чітко визначених груп. Це зумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати не тільки в основному стані 1, але і в збуджених станах 2,3,… (рис.8.4). За час існування збуджених станів (10-8 – 10-15) с дочірнє ядро переходить у більш низький чи нормальний стан, випромінюючи -квант. Так виникають -промені, які, звичайно, супроводжують -розпад, хоча дочірнє ядро може звільнитись від надлишку енергії також іншими способами: випромінюючи яку-небудь частинку або іонізуючи атом (процес внутрішньої конверсії).
П
Рис.
8.5
Теорія -розпаду, що спирається на явище тунельного ефекту, підтверджує емпіричний закон Гейгера-Неттола
, (8.21)
де А і В – константи, – стала розпаду, R – пробіг -часинки, який, очевидно, пропорційний до її енергії E. Цей закон показує, що менш стабільні ядра дійсно випромінюють -частинки з більшою енергією.
8.3.3. Існує три типи -розпаду: –-розпад (ядро випромінює електрон ), +-розпад (ядро випромінює позитрон) і так зване електронне захоплення (ядро поглинає один з електронів К–, рідше L–, чи М– шару свого атома). – розпад відбувається за схемою
, (8.22)
з якої випливає, що при –-розпаді масове число дочірнього ядра не змінюється, а зарядове число змінюється на одиницю; наприклад, . Як і при -розпаді, енергія реакції -розпаду визначається за дефектом мас реакції і лежить в межах від десятків кеВ до десятків МеВ.
Пояснення –-розпаду зустрілось з труднощами:
-
н
Рис. 8.6
езрозумілим було походження електрона (електронів у ядрах немає); -
незрозумілим був неперервний характер –-спектрів ядер (мал.8.6);
-
було незрозуміло, чому при -розпаді не змінюється спін ядра.
Ці труднощі усунули В. Паулі та Е. Фермі (1930–1934 рр.). Вони висунули гіпотезу, що електрон при –-розпаді виникає в ядрі разом з антинейтрино за рахунок процесу перетворення нейтрона в протон:
. (8.23)
Антинейтрино, практично, не має маси і електричного заряду, його спін . Процес (8.23) можливий енергетично, бо ; він пояснює походження електрона при –-розпаді, а також – незмінність масового числа і зростання зарядового числа дочірнього ядра на одиницю (протон залишається в ядрі). Виліт з ядра двох партнерів (електрона і антинейтрино), спіни яких компенсуються, усуває трудність зі спіном при -розпаді, а також пояснює неперервний характер –-спектру, бо максимальна енергія –-розпаду Emax розподіляється між двома партнерами випадково. Походження -променів, що супроводжують –-розпад – таке ж, як і при -розпаді: дочірнє ядро може виникати у збуджених станах, випромінюючи -кванти при переходах у більш низькі стани.
+-розпад відбувається за схемою
, (8.24)
наприклад, . Він супроводжується випромінюванням позитрона і нейтрино , які є античастинками, відповідно, для електрона і антинейтрино . Цей вид -розпаду має місце для штучно-радіоактивних ядер, які мають надлишок протонів над нейтронами. Його можна пояснити за рахунок процесу перетворення протона в нейтрон:
. (8.25)
Для вільного протона цей процес неможливий, бо ; в ядрі ж протон може запозичити потрібну енергію від інших нуклонів ядра.
Реакція електронного захоплення має вигляд
, (8.26)
що можна пояснити перетворенням протона в нейтрон:
. (8.27)
Захоплення електрона ядром супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, яке зумовлене перебудовою електронної оболонки атома внаслідок виникнення електронної вакансії у ній. По цьому випромінюванню Л. Альверс і відкрив К-захоплення, у 1937 р. Прикладом цього процесу може бути перетворення калію в аргон:
Суттєва для пояснення -розпаду гіпотеза нейтрино Паулі-Фермі стала початком вивчення так званої слабкої взаємодії, відповідальної за ряд перетворень елементарних часток. Ця гіпотеза була підтверджена експериментально у 1956 році Ф. Райнісом і К. Коуеном. При роботі на реакторі, що давав потужний потік нейтронів (і антинейтрино), їм вдалося підтвердити реакцію
, (8.28)
яка, фактично, є оберненням реакції (8.23).
У цьому ж році Р. Девіс підтвердив також існування електронного нейтрино . Пізніше було виявлено й інші типи нейтрино і антинейтрино: м’юонне () і таонне (); вони з’являються в процесах взаємодії з м’юонами і – лептонами. Доведено, що – різні частинки, як і їх античастинки .