Двойной электронный захват

Позитронный распад и электронный захват

Двойной электронный захват

Альфа-распад

Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4He).

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов.

Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны.

Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу.

С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Бета-распад

Основная статья: Бета-распад

Бета-минус-распад

Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. Бета-распад — это проявление слабого взаимодействия.

Бета-распад (точнее, бета-минус-распад, β−-распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и электронногоантинейтрино.

Фейнмановская диаграмма бета-минус-распада: d-кварк в одном из нейтронов ядра превращается в u-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в электрон и электронное антинейтрино.

Бета-распад является внутринуклонным процессом. Бета-минус-распад происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Свободные нейтроны также испытывают β−-распад, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино (см.Бета-распад нейтрона).

Правило смещения Содди для β−-распада:

Пример (бета-распад трития в гелий-3):

После β−-распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Позитронный распад и электронный захват

Фейнмановская диаграмма позитронного распада: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в позитрон и электронное нейтрино.

Фейнмановская диаграмма электронного захвата: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который взаимодействует с электроном оболочки, превращая его в электронное нейтрино.

Основная статья: Позитронный распад

Основная статья: Электронный захват

Существуют также другие типы бета-распада. В позитронном распаде (бета-плюс-распаде) ядро испускаетпозитрон и электронное нейтрино.

При β+-распаде заряд ядра уменьшается на единицу (ядро смещается на одну клетку к началу таблицы Менделеева), то есть один из протонов ядра превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино (на кварковом уровне этот процесс можно описать как превращение одного изu-кварков в одном из протонов ядра в d-кварк; следует отметить, что свободный протон не может распасться в нейтрон, это запрещено законом сохранения энергии, т.к. нейтрон тяжелее протона; однако в ядре такой процесс возможен, если разность масс материнского и дочернего атома положительна). Позитронный распад всегда сопровождается конкурирующим процессом — электронным захватом; в этом процессе ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу. Однако обратное неверно: для многих нуклидов, испытывающих электронный захват (ε-захват), позитронный распад запрещён законом сохранения энергии. В зависимости от того, с какой из электронных оболочек атома (K, L, M,…) захватывается электрон при ε-захвате, процесс обозначается как К-захват, L-захват, M-захват, …; все они, при наличии соответствующих оболочек и достаточности энергии распада, обычно конкурируют, однако наиболее вероятен К-захват, поскольку концентрация электронов K-оболочки вблизи ядра выше, чем более удалённых оболочек. После захвата электрона образовавшаяся вакансия в электронной оболочке заполняется путём перехода электрона из более высокой оболочки, этот процесс может быть каскадным (после перехода вакансия не исчезает, а смещается на более высокую оболочку), а энергия уносится посредством рентгеновских фотонов и/или оже-электронов с дискретным энергетическим спектром.

Правило смещения Содди для β+-распада и электронного захвата:

Пример (ε-захват бериллия-7 в литий-7):

После позитронного распада и ε-захвата элемент смещается на 1 клетку к началу таблицы Менделеева(заряд ядра уменьшается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Двойной бета-распад

Основная статья: Двойной бета-распад

Наиболее редким из всех известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для одиннадцати нуклидов, и период полураспада для любого из них превышает 1019 лет. Двойной бета-распад, в зависимости от нуклида, может происходить:

· с повышением заряда ядра на 2 (при этом испускаются два электрона и два антинейтрино, 2β−-распад)

· с понижением заряда ядра на 2, при этом испускаются два нейтрино и

· два позитрона (двухпозитронный распад, 2β+-распад)

· испускание одного позитрона сопровождается захватом электрона из оболочки (электрон-позитронная конверсия, или εβ+-распад)

· захватываются два электрона (двойной электронный захват, 2ε-захват).

Предсказан, но ещё не открыт безнейтринный двойной бета-распад.

Общие свойства бета-распада[править | править вики-текст]

Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра, поскольку при любом бета-распаде общее количество нуклонов в ядре не изменяется, лишь один или два нейтрона превращаются в протоны (или наоборот).

Гамма-распад(изомерный переход)

Основная статья: Изомерия атомных ядер

Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра1H, 2H, 3H и 3He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер.

Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьё время жизни измеряется микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна.

Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки.

Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.

Закон радиоактивного распада(график, формула, период полураспада)

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце.

Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией.

Они обнаружили его экспериментальным путём и опубликовали в 1903 году в работах «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория»[1] и «Радиоактивное превращение»[2], сформулировав следующим образом[3]:

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод[источник не указан 1763 дня]:

Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.

Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:

которое означает, что число распадов −dN, произошедшее за короткий интервал времени dt, пропорционально числуатомов N в образце.

· 1Экспоненциальный закон

· 2Характеристики распада

o 2.1Среднее время жизни

o 2.2Период полураспада

· 3Примеры характеристик распада

· 4Интересные факты

· 5Примечания

Экспоненциальный закон[править | править вики-текст]

Экспоненциальная кривая радиоактивного распада: по оси абсцисс («оси x») — время, пооси ординат («оси y») — количество нераспавшихся ядер или скорость распада в единицу времени.

В указанном выше математическом выражении — постоянная распада, которая характеризует вероятностьрадиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с−1. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

где — начальное число атомов, то есть число атомов для

Таким образом, число радиоактивных атомов уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Скорость распада, то есть число распадов в единицу времени , также падает экспоненциально. Дифференцируя выражение для зависимости числа атомов от времени, получаем:

где — скорость распада в начальный момент времени

Таким образом, зависимость от времени числа нераспавшихся радиоактивных атомов и скорости распада описывается одной и той же постоянной [4][5][6][7].

Характеристики распада[править | править вики-текст]

Наглядная демонстрация закона.

Кроме константы распада радиоактивный распад характеризуют ещё двумя производными от неё константами, рассмотренными ниже.

Среднее время жизни

Основная статья: Время жизни

Из закона радиоактивного распада можно получить выражение для среднего времени жизни радиоактивного атома. Число атомов, в момент времени претерпевших распад в пределах интервала равно их время жизни равно Среднее время жизни получаем интегрированием по всему периоду распада:

Подставляя эту величину в экспоненциальные временные зависимости для и легко видеть, что за время число радиоактивных атомов и активность образца (количество распадов в секунду) уменьшаются в e раз[4].

Период полураспада

Основная статья: Период полураспада

На практике получила большее распространение другая временная характеристика — период полураспада равная времени, в течение которого число радиоактивных атомов или активность образца уменьшаются в 2 раза[4].

Связь этой величины с постоянной распада можно вывести из соотношения откуда:

Примеры характеристик распада

Существующие в природе радионуклиды в основном возникают в сложных цепочках распадов урана и тория и имеют периоды полураспада в очень широкой области значений: от 3·10−7 секунды для 212Po до 1,4·1010 лет для 232Th. Наибольший зарегистрированный период полураспада имеет изотоп теллура128Te — 2,2·1024 лет.

Само существование в настоящее время многих естественных радиоактивных элементов несмотря на то, что с момента образования этих элементов при звёздном нуклеосинтезе прошло более 4,5 млрд лет, является следствием очень больших периодов полураспада 235U, 238U, 232Th и других природных радионуклидов.

К примеру, изотоп 238U стоит в начале длинной цепочки (так называемый ряд радия), состоящей из 20 изотопов, каждый из которых возникает при α-распаде или β-распаде предыдущего элемента.

Период полураспада 238U (4,5·109 лет) много больше, чем период полураспада любого из последующих элементов радиоактивного ряда, поэтому распад в целом всей цепочки происходит за то же время, что и распад 238U, её родоначальника, в таких случаях говорят, что цепочка находится в состоянии секулярного (или векового) равновесия[7]. Примеры характеристик распада некоторых веществ[8]:

Вещество 238U 235U 234U 210Bi 210Tl
Период полураспада 4,5·109 лет 7,13·108 лет 2,48·105 лет 4,97 дня 1,32 минуты
Постоянная распада 4,84·10−18с−1 8,17·10−14с−1 1,61·10−6с−1 8,75·10−3с−1
Частица α α α β β
Полная энергия распада 4,2 МэВ 4,6783[9] 4,75 МэВ 1,17 МэВ 1,80 МэВ
|следующая лекция ==>
Наука і освіта у період козаччини|

Дата добавления: 2017-02-11; просмотров: 1357 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Источник: https://lektsii.org/14-30961.html

Двойной электронный захват

Двойной электронный захват

Определение 1

Электронным захватом ($e$ — захватом) называют превращение ядра атома, в котором ядро поглощает один (или два) электрона из электронной оболочки, при этом зарядовое число уменьшается на единицу (на два).

Электронные захваты относят к $\beta$ — распадам.

Протон превращается в нейтрон, как бы «захватывая электрон». В случае электронного захвата (одинарного) трансформация протона в нейтрон происходит в соответствии со схемой:

$ {}_11 p+ {}_{-1}0 e \rightarrow {}_01 n {}+_00 u (1). $

Двойной электронный захват — это один из вариантов двойного $\beta$ — распада. В двойном электронном захвате заряд ядра уменьшается на два.

Двойной электронный захват отличается тем, что:

  • происходит захват двух орбитальных электронов ядром
  • при этом происходит излучение двух нейтрино.

Такой захват называют двухнейтринным распадом. При прохождении распада в основное состояние получающегося ядра, выделяющаяся энергия практически полностью будет унесена нейтрино, за вычетом энергии, которая идет на организацию вакантного места в электронной оболочке.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Чаще всего электроны поглощаются из $K$ — слоя атома, так как данный слой расположен ближе всего к ядру. Электроны могут поглощаться и из других слоев $L-$ или $M$-, но с меньшей вероятностью.

Электронный захват особенно значим для тяжелых ядер, поскольку в этих атомах $K$ — слой имеет близкое расположение к ядру. Говорят, что в этом случае электрон $K$ — слоя обладает конечной вероятностью находиться внутри ядра.

Замечание 1

Электронные захваты всегда сопровождает рентгеновское излучение.

Предположим, что электрон захвачен из $K$ — слоя, тогда на его место в этом слое перейдет электрон из $L$ — слоя. На вакантное место электрона в $L$ — слое придет электрон из $M$ — слоя и так далее.

Результатом данного захвата становится возбуждение всего спектра характеристического рентгеновского излучения атома.

Именно наблюдение данного спонтанного характеристического излучения позволили открыть электронный захват.

Существует предположение, что существуют безнейтринные двойные электронные захваты. Они нарушают так называемую Стандартную модель. Эти захваты должны изменять лептонное число на две единицы. В таком захвате основную часть энергии должен уносить гамма квант при внутреннем тормозном излучении или электрон внутренней конверсии.

Если ядро переходит на уровень возбуждения, должна возникать система гамма — квантов (или конверсионных электронов), сопровождающая возвращение ядра в невозбужденное (основное) состояние.

Условие энергетической возможности электронного захвата

В случае $e$ — захвата в начальном состоянии мы имеем ядро $(Z,A)$ и электрон, после захвата получим ядро $(Z-1,A) без электрона. Запишем энергетическое условие электронного захвата:(Z-1,A) без электрона. Запишем энергетическое условие электронного захвата:

$M(Z,A)+m_e$ > $M(Z-1,A) (2).$

Добавим к обеим частям неравенства (2) $Zm_e$, имеем:

$M_{at}(Z,A) $ > $M_{at}(Z-1),A (3).$

В результате $e$ — захвата появляется только атом $(Z-1, A),$ который можно наблюдать.

Для двойного электронного захвата исходное ядро остается прежним, дочернее ядро $(Z-2,A)$ без двух электронов. Условие выполнения захвата можно записать как:

$M_{at}(Z,A) $ > $M_{at}(Z-2),A (4).$

В данном способе захвата пара электронов орбиты захватываются двумя протонами в ядре, при этом возникает два нейтрона. При захвате нейтроны испускаются.

  • Число нейтронов увеличивается на два;
  • количество протонов уменьшается на два;
  • атомная масса не изменяется.

Чаще всего двойной захват маскируется более вероятными распадами, например, одинарными захватами. Но возможны ситуации, при которых двойной электронный захват является единственным способом распада, например, другие способы распада:

  • запрещены;
  • сильно подавлены.

Предположительно имеется 35 естественных изотопов, которые могут быть подвергнуты двойному электронному захвату.

Эмпирические исследования двойного электронного захвата

Ученые в теории обосновывали наличие двойного электронного захвата с 1955 года. Данный интерес объяснялся тем, что, например, захват электронов без испускания нейтрино, помогло бы открыть природу самого нейтрино, который является второй по распространенности частицей во Вселенной.

Двойной электронный захват эмпирически мало исследован. Считается, что двойной электронный захват в нейтронном варианте наблюдался, но эксперимент нуждается в подтверждении. Проведение анализа образцов барита, имеющих историю в 170 млн. лет, показало, что распад изотопов бария при двойном электронном захвате имеет период полураспада порядка $10{21}$ лет.

${}_{106} Cd$ считают одним из самых перспективных элементом, который может получить двойной $e$ — захват.

Сложность в наблюдении двойного $e$ — захвате обусловлена тем, что:

  • Вероятность двойного электронного захвата крайне мала.
  • В данном процессе наблюдаемыми частицами являются электроны Оже или рентгеновское излучение.

В СМИ появилась информация о том, что проводились эксперименты с ксеноном, которые выявили наличие в нем двойных захватов.

Период полураспада ксенона равен $1,8\bullet 10{22}$. Вероятность наблюдения ядерного распада увеличивается при росте числа наблюдаемых атомов. Эксперимент, названный $XENON1T$, проводился с 3500 кг жидкого ксенона, размещенного глубоко под землей, что давало возможность избегать радиоактивных помех, способных испортить измерения.

Ксенон охлаждали до $t=-950$С.

Эксперименты проводили с ксеноном 124. В его ядре количество протонов равно 124, число нейтронов – 124.

При общем числе атомов равном $10{25}$ для того, чтобы распалась половина атомов, требуется порядка 18 секстиллионов лет. Спустя один год произошел распад около ста элементов.

В течении двух лет ученые выявили 126 состоявшихся событий двойного электронного захвата с выходом пары нейтрино в жидком ксеноне.

Так, был получен редчайший распад, измеренный прямым методом. Подчеркнем, что в научном сообществе уже имелись данные о других ядерных распадах с еще более длинным периодом.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskie_gipotezy/dvoynoy_elektronnyy_zahvat/

Booksm
Добавить комментарий