9 Закон Радіоактивного розпаду. Активність нукліда. Правило зміщення

Із-за незалежності радіоактивних перетворень окремих ядер можна вважати, що кількість ядер dN, які розпадаються за проміжок часу dt, пропорційна до наявного числа ядер N і до величини проміжку часу dt, тобто

, (8.13)

де  – постійна розпаду, яка характеризує ймовірність розпаду кожного ядра за одиницю часу; знак мінус вказує, що число ядер зменшується з часом. Інтегруючи (8.13) при умові , одержуємо закон радіоактивного розпаду

Рис. 8.3

. (8.14)

Він показує, що число радіоактивних ядер N, які не розпалися до моменту часу t, зменшується з часом експоненційно (рис.8.3).

Або Виведемо закон радіоактивного розпаду. Нехай кількість радіоактивних атомів у початковий момент часу (t = 0) дорівнює N₀. Тоді по закінченні періоду піврозпаду їх кількість дорівнюватиме N₀/2. Ще через один такий інтервал часу їх кількість дорівнюватиме:

Через час t = nT, тобто через n періодів піврозпаду Т, радіоактивних атомів залишиться: .

Оскільки n = t/T, то .

Це і є основний закон радіоактивного розпаду. Чим менший період піврозпаду, тим менший час життя атомів, тим швидше відбувається розпад. Період піврозпаду радію дорівнює 1600 років, торію - 25, 64 години, а полонію - - 3·10^-7 с.

Закон радіоактивного розпаду - це статистичний закон

Правило зміщення

α – розпад: перетворення атомних ядер, яке супроводжується випусканням α – частинок (ядер гелію ).

Правило зміщення:

- материнське ядро, - дочірнє ядро.

? – розпад: випускання ядрами електронів. Правило зміщення:

При β – розпаді номер хімічного елемента переміщується на одну клітинку вправо в періодичній системі Менделєєва.

γ – розпад: випромінювання γ – квантів збудженими ядрами, які поглинули деяку енергію. При цьому масове число і порядковий номер не змінюються. 

10 Гама випромінювання та його властивості

Га́мма-випромі́нювання або гамма-промені — електромагнітне випромінювання найвищої енергії з довжиною хвилі меншою за 1 ангстрем. Утворюється в реакціях за участю атомних ядер і елементарних частинок в процесах розпаду, синтезу, анігіляції, при гальмуванні заряджених частинок великої енергії.

Позначаються грецькою літерою γ.

Гамма-промені спричиняють іонізацію атомів речовини, мають велику проникність, не заломлюються, породжують електрон-позитронні пари.

Одним із процесів утворення гамма-квантів є випромінювання радіоактивним ядром, яке було утворене в збудженому стані. Гамма-квант випромінюється при переході ядра із збудженого стану в основний. При цьому не міняються ні атомний номер, ні масове число ядра.

Гамма-кванти можуть з'являтися також у інших, складніших ядерних реакціях.

Іншим джерелом гамма-променів є гальмівне випромінювання високоенергетичних заряджених частинок. Заряджені частинки, рухаючись з прискоренням випромінюють електромагнітні хвилі. Спектр випромінювання залежить від енергії частинки. Для того, щоб частинка випромінювала гамма-кванти, її енергія повинна бути дуже високою, лежати в області принаймні десятків МеВ. Такі частинки можна отримати в прискорювачах, зокрема синхротронах.

Гамма-промені можуть також народжуватися при анігіляції частинок із античастинками. Оскільки в такому випадку сумарний імпульс частинок і античастинок в таких випадках зазвичай невисокий, утворені при анігіляції два гамма-кванти розповсюджуються в протилежних напрямках. Одночасне детектування двох гамма-квантів, що розповсюджуються в протилежних напрямках, є експериментальним свідченням акту анігіляції.

Властивості гамма-випромінювання. Гамма-випромінювання – це короткохвильове електромагнітне випромінювання. На шкалі електромагнітних хвиль воно поряд з жорстким рентгенівським випромінюванням, займаючи область вищих частот. Гамма-випромінювання володіє надзвичайно малою довгою хвилею (λ10 -8 см) і внаслідок цього яскраво вираженими корпускулярними властивостями, тобто поводиться подібно до потоку частинок – гамма квантів, або фотонів, з енергією hv (v – частота випромінювання, h – Планка постійна).

Гамма випромінювання виникає при розпадах радіоактивних ядер, елементарних частинок, при анігіляції пар частини-античастина, а також при проходженні швидких заряджених частинок через речовину.

Гамма-випромінювання, супроводжуюче розпад радіоактивних ядер, випускається при переходах ядра з більш збудженого енергетичного полягання в менш збуджене або в основне. Енергія γ – кванта рівна різниці енергій Δε станів, між якими відбувається перехід.

Збуджений стан.

 <

Випускання ядром γ-кванта не спричиняє за собою зміни атомного номера або масового числа, на відміну від інших видів радіоактивних перетворень. Ширина ліній гамма-випромінювань надзвичайно мала (~10-2 эв). Оскільки відстань між рівнями у багато разів більше ширини ліній, спектр гамма-випромінювання є лінійчатим, тобто складається з ряду дискретних ліній. Вивчення спектрів гамма-випромінювання дозволяє встановити енергії збуджених станів ядер.

Гамма-кванти з великими енергіями випускаються при розпадах деяких елементарних частинок. Так, при розпаді π0- мезона, що покоїться, виникає гамма-випромінювання з енергією ~70Мэв. Гамма-випромінювання від розпаду елементарних частинок також утворює лінійчатий спектр. Елементарні частинки, що проте випробовують розпад, часто рухаються з швидкостями, порівнянними із швидкістю світла. Внаслідок цього виникає доплеровське розширення лінії і спектр гамма-випромінювання виявляється розмитим в широкому інтервалі енергій.

Гамма-випромінювання, що утворюється при проходженні швидких заряджених частинок через речовину, викликається їх гальмуванням до кулонівському полі атомних ядер речовини. Гальмівне гамма – випромінювання, також як і гальмівне рентгенівське випромінювання, характеризується суцільним спектром, верхня межа якого співпадає з енергією зарядженої частинки, наприклад електрона. У прискорювачах заряджених частинок отримують гальмівне гамма випромінювання з максимальною енергією до декількох десятків Гев.

У космічному просторі гамма-випромінювання може виникати в результаті зіткнень квантів м'якшого довгохвильового, електромагнітного випромінювання, наприклад світла, з електронами, прискореними магнітними полями космічних об'єктів. При цьому швидкий електрон передає свою енергію електромагнітному випромінюванню і видиме світло перетворюється на жорсткіше гамма-випромінювання.

Аналогічне явище може мати місце в земних умовах при зіткненні електронів великої енергії, що отримуються на прискорювачах, з фотонами видимого світла в інтенсивних пучках світла, що створюються лазерами. Електрон передає енергію світловому фотону, який перетворюється на γ-квант. Таким чином, можна на практиці перетворювати окремі фотони світла на кванти гамма-випромінювання високої енергії.

Гамма-випромінювання володіє великою проникаючою здатністю, тобто може проникати крізь великі товщі речовини без помітного ослаблення. Основні процеси, що відбуваються при взаємодії гамма-випромінювання з речовиною, - фотоелектричне поглинання (фотоефект), комптонівське розсіяння (комптон-ефект) і створення пара електрон-позитрон.