Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения

Радиоактивное излучение и его виды. Закон радиоактивного распада. Правило смещения

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения

Беккерельисследовал люминесценцию солей уранаи обнаружил неизвестное излучение,которое действовало на фото пластинку,ионизировало воздух и проходило сквозьтонкие металлические пластинки. М. и П.Кюри, исследуя радий и полоний, обнаружилиизлучение, которое было названорадиоактивным излучением.

Радиоактивность– спонтанное превращение одних ядер вдругие с испусканием различных видоврадиоактивных излучений и элементарныхчастиц.

Радиоактивность бываетестественной (наблюдается у изотопов,существующих в природе) и искусственной(наблюдается у изотопов, полученных вядерных реакциях). Распадающееся ядроназывается материнским, получающеесяядро – дочерним.

Радиоактивный распад– это естественное превращение однихядер в другие, происходящее самопроизвольно.

Отдельныерадиоактивные ядра претерпеваютпревращение независимо друг от друга.

Число ядер ,распавшихся в среднем за интервалвремени отtдо t+dt,пропорционально промежутку времени dtи числу Nнераспавшихся ядер к моменту времениt:,где-постоянная радиоактивного распада,знак минус показывает, что в процессераспада общее число радиоактивных ядерубывает.,N– число нераспавшихся ядер к моментувремени t.-это закон радиоактивного распада: Числонераспавшихся ядер убывает с течениемвремени по экспоненциальному закону.

Периодполураспада – это время, за котороечисло радиоактивных ядер уменьшилосьвдвое.

Суммарнаяпродолжительность жизни ядер равна.Среднее время жизни одного радиоактивногоядра есть.

Радиоактивныйраспад происходит в соответствии с такназываемыми правилами смещения, которыеявляются следствиями закона сохранениязаряда и массового числа. Существуеттри типа излучения -распад,-распад и-излучение.

Экспериментально былообнаружено, что под действием магнитногополя-лучи отклоняются как положительнозаряженные частицы,- лучи отклоняются как отрицательнозаряженные частицы, а-лучи никак не реагируют на магнитноеполе.

Согласно правилам смещения-распад,-распад можно представить:

Особенности-распада.

-частица– это атом гелия .Энергии-частиц.При-распаде данного радиоактивного веществаиспускается несколько групп частиц впределах каждой группы их энергиипрактически постоянны.

Это свидетельствуето том, что атомные ядра обладаютдискретными уровнями энергии, а дочернееядро может возникать не только внормальном состоянии.-частица образуются в момент радиоактивногораспада при встречи движущихся внутриядра двух протонов и двух нейтронов.

Закон Гейгера-Нэттола,,-пробег-частицы – расстояние, проходимоечастицей до ее полной остановки, т.е.чем меньше,тем больше пробег-частицы и тем больше энергия частицы.

Опыты Резерфорда по рассеиванию-частиц на ядрах урана показали, что ядроокружено потенциальным барьером высотой8.8 МэВ.-частицыс энергией 4,2 МэВ, испускаемые ураном,могут пройти сквозь потенциальныйбарьер.

Особенности-распада.

Существуеттри разновидности -распада, в результате которого одноядро превращается в другое

1. С испусканиемэлектрона

2. С испусканиемпозитрона

3 ядро поглощаетодин из электронов К-оболочки – этое-захват (или К-захват).

Возникаеттри вопроса:

1.Из ядра вылетает электрон, а откуда онвзялся, если в ядре его нет

2.Эксперимент показывает, что энергетическийспектр вылетевших электронов непрерывен.Но материнское и дочернее ядра имеютопределенные массы, поэтому и электрондолжен вылетать с определенной энергией.Привсе процессы должны происходить снарушениями законов сохранения.

3.Массовое число при -распаде не изменяется, т.е. спин ядра неизменяется, но вылетает электрон, имеющийспин,т.е. спин не сохраняется.

Этипротиворечия привели Паули к гипотезео том, что при -распаде вместе с электроном испускаетсянейтральная частица антинейтрино,имеющая спин,

.

Вылетнейтрино позволил объяснить непрерывностьэнергетического спектра. Энергияраспределяется между электроном иантинейтрино. Если ,то вся энергия уносится электроном.

Вядре могут произойти следующее превращение

—распад

—распад

-e– захват – доказательство – наличиерентгеновского характеристическогоспектра.

-излучение.

излучение–этоэлектромагнитное излучение малой длиныволны. Оно не является самостоятельнымвидом радиоактивности, а сопровождаетираспад,ядерные реакции, т.к. дочернее ядровсегда оказывается в возбужденномсостоянии. Дискретностьспектра– доказательство дискретностиэнергетических состояний ядра.

Источник: https://studfile.net/preview/1091456/page:5/

Виды радиоактивных излучений. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения

Радиоактивностью называют самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц. Характерным признаком, отличающим ее от других видов ядерных превращений, является самопроизвольность этого процесса.

Виды радиоактивных излучений:

Альфа излучения – это поток положительно заряженных частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Проникающая способность этого излучения невелика. Оно задерживается несколькими сантиметрами воздуха ,несколькими листами бумаги, обычной одеждой. Альфа излучение может быть опасно для глаз.

Бета излучения – это поток движущихся с огромной скоростью отрицательно заряженных электронов, размеры и масса которых намного меньше, чем альфа частиц. Это излучение обладает большой проникающей способностью. От него можно защититься тонким слоем металла или слоем дерева толщиной в 1.25 см.

Гамма излучения, подобно рентгеновским лучам, представляет собой электромагнитное излучение сверхвысоких энергий. Это излучение очень малых длин волн и очень высоких частот.

Гамма излучения обладают высокой проникающей способностью, защититься от него можно лишь толстым слоем свинца или бетона. Такие излучения не несут заряда и могут повредить любые органы.

Основной закон радиоактивного распада.

N = N0 e –λt , где λ – постоянная распада, N0- начальное число радиоактивных ядер.

Число радиоактивных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону.

52.Ионизирующим излучениемназывается любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию ионов разных знаков.

Взаимодействие с веществом α– излучения

α-частицы сильно взаимодействуют с различными веществами, т. е. легко поглощаются ими. Тонкий лист бумаги или слой воздуха толщиной несколько сантиметров достаточны для того, чтобы полностью поглотить α-частицы.

При прохождении через вещество a-частицы почти полностью отдают свою энергию в результате электростатического взаимодействия с электронами оболочек атомов.

Энергия α-частиц идет на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды (ионизационные потери).

Взаимодействие с веществом β- излучения

β-частицы — это электроны (или позитроны), испускаемые ядрами радонуклидов при β-распаде. Вероятность взаимодействия β-частиц с веществом меньше, чем для α-частиц, так как β-частицы имеют в два раза меньший заряд и меньшую массу.

Взаимодействие электронов и позитронов с веществом качественно одинаково и складывается из трех основных процессов: упругого рассеяния на атомных ядрах; рассеяния на орбитальных электронах; неупругих столкновений с атомным ядром.

В случае применения тяжелых материалов возникает тормозное (вторичное) излучение, которое является рентгеновским и обладает большой проникающей способностью.

Взаимодействие с веществом g- излучения

g-кванты отдают всю или, по крайней мере, большую часть своей энергии при однократном взаимодействии. Однако вероятность этого взаимодействие очень низка, поэтому g-кванты обладают гораздо большей проникающей способностью, чем заряженные частицы.

Проникающая способность излучения характеризуется чаще всего толщиной слоя поглотителя (в г/см2), при которой интенсивность излучения уменьшается наполовину.

Поглощение g-квантов вызывается тремя независимыми друг от друга процессами с различной физической природой: фотоэффектом; эффектом Комптона; образованием электрон-позитронных пар.

53. Взаимодействие рентгеновского и γ-излучений с веществом. Характеристики фотоэффекта.

При прохождении г-излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка г-квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества. Регистрация и использование рентгеновского излуч. и воздействие его на биологич.

Объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с ē-ами атомов и мол.в-ва. Длина волны рассеянного рентген.излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентген. излуч. с изменением длины волны называют некогерентным, а явление- эф. Комптона.

Он возникает если энерг.фотона р.изл. больше энерг.ионизации.

hν= hν/+Аи+Ек. тк во многих случаях hν>>Аи и эф.Комптона происходит на свободных ē, то:

hν= hν/+Ек.

при фотоэффекте рентген.излуч. поглощается атомом, в рез-те чего вылетает ē, а атом ионизируется. Если энерг.фотона не достаточно для ионизации, то фотоэф.может проявляться в возбуждении атомов без вылета ē.

Фотоэффект не происходит на свободном ē. Фотоэффект –освобождение электронов, находящихся в веществе под действием коротковолнового электромагнитного излучения.

Первичный поток рентген. излуч:

Ф=Ф0е-МХ

М- линейный коэф.ослабления.

М=Мк+Мнк+Мф.

Мк-когерентное рассеяние.

Мнк- некогерентное

Мф.эффект.

Образование пары ē-позитрон.

Процесс образования пар происходит только в кулоновском поле частицы, получающей часть энергии и импульса. Образование пар будет если энергия кванта удовлетворяет соотношению: Еᵞ>2mec2+Eя. 2mec2- энергия покоя пары эл-позитрон.

Eя- энергия отдачи ядра.

Порог рождения пар в поле ē =4mec2.

Источник: https://cyberpedia.su/15xcd0f.html

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения

В $1896$ году Антуан Беккерель обнаружил неизвестное ранее излучение солей урана. Двумя годами позже Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, исследуя урановую руду, открыли новые элементы, которые назвали полонием и радием. Эти элементы давали более интенсивное излучение чем уран. При одинаковой массе интенсивность излучения была больше в ${10}{10}$, а радия в $2\cdot {10}7$ раз.

В это же время Э. Резерфорд, пропуская излучение через однородное магнитное поле, установил, что оно состоит с двух компонентов, частицы которых имеют разноименные заряды (на рис.

Приведена схема опыта Резерфорда: 1 -пластинка, 2 — направление индукции магнитного поля, 3 — свинцовый контейнер, 4 — радиоактивное вещество, 5 — отвод для вакуумного насоса). Компоненту с положительно заряженными частицами назвали $\alpha $ — лучами, компоненту с отрицательными частицами назвали $\beta $ — лучами.

Позже было установлено, что $\beta $ — лучи являют собой поток электронов, а $\alpha $ — лучи — поток ядер атома гелия. В $1900$ году П. Виллард обнаружил третью компоненту, на которую магнитное поле не действовало.

Её назвали $\gamma $ — лучами, которые являют собой поток фотонов с самой короткой длиной волны во всем спектре электро-магнитного излучения. Явление излучения изотопами указанных выше лучей назвали радиоактивностью (от лат. «radius» — луч).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Рисунок 1.

Виды радиоактивности

Под радиоактивностью необходимо понимать спонтанное преобразование изотопов химических элементов, обусловленное распадом ядер. На основании этого определения различают такие виды радиоактивности:

  • $\alpha $ — распад (А. Беккерель, $1896$ год);
  • $\beta $ — распад:
    • ${\beta }-$ — распад (А. Беккерель, $1896$ год);
    • ${\beta }+$ — распад (И. та Ф. Жолио-Кюри, $1934$ год);
    • $K$ — захват (Л. Альварес);
  • Спонтанное деление ядер (Г. М. Фльоров, К. А. Петржак, $1939$ год);

  • $p$ — распад:

    • однопротонный (Г. М. Фльоров, $1963$ год);
    • двухпротонный.

К видам радиоактивного распада по этому определению не входит $\gamma $ — излучение, поскольку оно не меняет состав ядра, а только меняет его энергию. $\gamma $ — излучение возникает тогда, когда ядро не появляется в результате распада другого ядра, а находится в возбужденном состоянии.

Переход его с состояний с вышей энергией в состояние с низшей энергией сопровождается $\gamma $ — излучением. Многочисленные опыты показали, что связаны с ней процессы происходят в ядре. На скорость радиоактивного распада не влияют никакие внешние факторы (давление, температура, магнитные и электрические поля).

Радиоактивный распад не зависит от химического соединения, до которого входит изотоп и его агрегатного состояния.

Радиоактивность, которая характерна нестабильным ядрам, называется природной. Кроме нее, ядра стабильных изотопов могут стать радиоактивными в результате их облучения, такая радиоактивность называется искусственной. Законы природной и искусственной радиоактивности не зависят от способа получения изотопа.

Законы радиоактивного распада

Поскольку радиоактивный распад имеет произвольный характер, то к большей совокупности ядер применяют статистические законы.

Для каждого радиоактивного ядра существует некоторая вероятность $\lambda $ того, что оно претерпевает распад за единицу времени. Если на момент времени $t$ существует $N$ радиоактивных ядер, то среднее количество ядер $dN$, которое распадается за время $dt$, пропорционально некоторому количеству ядер $N$ и величине $\lambda $, т.е.

Величину $\lambda $ называют постоянной распада. Она является характерной постоянной радиоактивного изотопа. Знак «$-$» показывает то, что количество радиоактивных ядер уменьшается. Проинтегрировав эту формулу получим

Эта формула выражает закон радиоактивного распада. С нее видно, что количество ядер радиоактивного изотопа со временем уменьшается по экспоненциальному закону. Этот закон является статистическим и справедливый для достаточно большого количества ядер радиоактивного изотопа.

Закон полностью согласуется с опытами. Отметим, что величина $N$ показывает не количество ядер которые распались, а количество радиоактивных ядер на момент времени $t$. Время $T$ за которое распадается половина начального количества ядер, называется периодом полураспада.

С соотношения

находим

Часто изотоп, который возникает в результате радиоактивного распада так же радиоактивный, тогда возникает цепочка радиоактивных преобразований. Так, при распаде ядер радиоактивного изотопа (ядра материнского изотопа) возникают ядра другого изотопа, которые так же являются радиоактивными (дочерние ядра изотопа). При этом выполняется условие:

Состояние, соответствующее этому равенству называют состоянием насыщения. Так же равенство называют условием радиоактивного равновесия. Физический смысл которого заключается в том, что распад дочерних атомов в любой момент времени компенсируется увеличением их количества из-за распада материнских ядер.

Оценка радиоактивного излучения

Радиоактивные препараты характеризируются активностью, которая равняется количеству $N$ распадов радиоактивных ядер препарата за единицу времени: $A=N/t$. Мгновенная радиоактивность равна $\left|dN/dt\right|$ .

За единицу активности препарата берут один распад за секунду — беккерель (Бк). Часто используют внесистемную единицу распада — Кюри (Kи): $1\ Ки=3,7\cdot {10}{10}\ Бк$.

Количественной оценкой действия радиоактивного та рентгеновского излучения на вещество является доза облучения. Различают дозу экспозиционную, дозу поглощения и эквивалентную дозу.

Экспозиционная доза $D_{эксп}$ является мерой ионизации действия рентгеновского и $\gamma $ — излучения в воздухе и численно равна отношению суммарного заряда ионов одного знака $\triangle Q$, созданных у воздухе вторичными частицами (электронами и позитронами, которые образуются в элементарном объеме при их полном торможении) до массы $\triangle m$ воздуха в этом объеме ($D_{эксп}=\triangle Q/\triangle m$) и измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). Часто на практике используется внесистемная единица — рентген (Р). $1Р=2,58\cdot {10}{-4}\ Кл/кг$.

Доза поглощения (поглощенная доза) $D_{погл}$ определяется соотношением энергии $\triangle E$, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе $\triangle m$ вещества в этом объеме ($D_{погл}=\triangle E/\triangle m$). Единицей измерения является грей (Гр). $1\ Гр=1\ Дж/кг$). Внесистемной единицей измерения является рад. $1\ рад=0,01\ Гр$.

Эквивалентная доза $D_{экв}$ определяется как произведение поглощенной дозы $D_{погл}$ на коэффициент качества ионизующего излучения $K$, т.е. $D_{экв}={KD}_{погл}$. Эквивалентная доза измеряется в тех же единицах что и доза поглощения.

В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв), которая соответствует поглощенной дозе в 1 грей при $K=1$. Существует специальная единица эквивалентной дозы, которая соответствует биологическому эквиваленту рентгена (бер), т.е.

соответствует поглощенной дозе в 1 рад при $K=1$ ($1\ бер=0,01\ Зв$).

Искусственная радиоактивность

В $1934$ году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что после облучения $\alpha $ — частицами алюминия он становится радиоактивным При искусственной радиоактивности ядерные преобразования происходят в два этапы.

Сначала под действием частиц происходит преобразование ядра в радиоактивное. На втором этапе созданное радиоактивное ядро претерпевает спонтанного радиоактивного распада.

Этот распад, как и в случае природной радиоактивности, происходит по экспоненциальному закону.

Было установлено, что при бомбардировке атомных ядер разных элементов $\alpha $ — частицами, протонами, нейтронами, дейтронами и $\gamma $ — квантами возникают ядра новых радиоактивных изотопов, распад которых происходит за тем же законом.

В последние годы получено большое количество радиоактивных изотопов.

При бомбардировке частицами высоких энергий ядер изотопов с конца периодической таблицы удалось создать искусственные ядра, которые стали родоначальниками радиоактивных семей с малым временем жизни.

При бомбардировке ${}{232}_{90}{Th}$ дейтронами с энергией 680 МэВ, образуются радиоактивные ядра ${}{227}_{91}{Pa}$ в результате реакции:

Распад ядер ${}{227}_{91}{Pa}\ $происходит следующим образом:

Искусственные радиоактивные элементы преимущественно $\beta $ — активные, при том ${\beta }-\ или\ {\beta }+$ — активные можно узнать с помощью диаграммы зависимости количества нейтронов от количества протонов у ядре для стабильных и радиоактивных ядер (см. рис.).

На диаграмме стабильные атомные ядра находятся в узкой зоне, которая ограничена кривыми $1$ и $2$. Изотопы, для которых соотношение $N/Z>N_{ст}/Z_{ст}$. превышает значение, что отвечает кривой $1$, которая принадлежит области протонодефицытных ядер $І$.

Радиоактивный распад может происходить таким образом, чтоб величина $N/Z$ уменьшалась, т.е. в ядре уменьшается количество нейтронов $N$. При этом в ядре происходят преобразования $n\to p+e-+{\widetilde{u }}_e$.

Следовательно, протонодефицитные ядра при радиоактивном распаде излучают ${\beta }-$ — частицы. И наоборот, ядра которые лежат в области $ІІ$ нейтронодефицитных ядер, $N/Z

Искусственные радиоактивные ядра создаются так же в процессе деления тяжелых ядер. При делении ядер ${}{235}_{92}U$ создаются два новых ядра, которые относятся к протонодефицытных, по этой причине все такие ядра излучат ${\beta }-$ — частицы.

Некоторые радиоактивные изотопы, которые получили искусственно после излучения электронов, еще излучают $\gamma $ — кванты. Теперь стало возможным получать радиоактивные изотопы, которые имеют достаточно высокую активность. Это дает возможность создавать компактные источники радиоактивности, которые широко используются в науке и технике.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/yadernaya_fizika/radioaktivnost_vidy_i_zakony_radioaktivnogo_izlucheniya/

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц.

Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций).

Принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы. Радиоактивность обусловлена внутренним строением ядер и не зависит от внешних условий.

Явление радиоактивности было открыто французским физиком А. Беккерелем в 1896 г., который при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной природы.

Продолжая исследования супруги Кюри обнаружили, что данное излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким как торий и актиний.

Причем, радиоактивное вещество является источником трех видов излучения.

a-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей и малой проникающей способностью (поглощается слоем свинца толщиной примерно 0,05 мм). Представляет собой поток положительно заряженных a-частиц (ядер ).

— излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше, а проникающая гораздо больше (поглощается слоем свинца толщиной примерно 2 мм), чем у a-частиц. Представляет собой поток быстрых электронов.

-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей (проходит через слой свинца толщиной примерно 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой l ~ и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком g-квантов (фотонов).

Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращения независимо друг от друга. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро – дочерним. Радиоактивные вещества принято характеризовать количеством распадов в единицу времени.

Количество ядер dN, распадающихся за промежуток времени dt, пропорционально числу N не распавшихся ядер

(13.6)

— характерная для радиоактивного вещества константа, называемая постоянной распада. Знак минус показывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада убывает.

После интегрирования получим закон радиоактивного распада

(13.7)

— количество ядер в начальный момент времени, — число не распавшихся ядер в момент времени t. Таким образом, число не распавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

Продолжительность жизни радиоактивных ядер принято характеризовать периодом полураспада, то есть промежутком времени, за который число радиоактивных ядер уменьшится вдвое. Тогда

, откуда . (13.8)

Периоды полураспада для радиоактивных ядер колеблются от долей секунды до многих миллиардов лет.

Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна . Тогда среднее время жизни радиоактивного ядра

. (13.9)

Активностью A нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N) в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих в 1 сек.

. (13.10)

Измеряется в беккерелях Применяется и внесистемная единица .

Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро появится в результате распада. Возникшее ядро, в свою очередь, может быть радиоактивным. Это приводит к возникновению цепочки или ряда радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом.

a- распад. Характерен для тяжелых элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева. В настоящее время насчитывается около 40 естественных и более 100 искусственных a-активных ядер.

Примеры: ; .

a-частицы, испускаемые конкретным ядром, обладают определенной энергией. Причем, энергетический спектр обнаруживает тонкую структуру, т.е. испускается несколько групп a-частиц и в пределах каждой группы их энергии практически постоянны. Дискретный спектр a-частиц свидетельствует о том, что атомные ядра обладают дискретными энергетическими уровнями.

Период полураспада и энергия вылетевшей a-частицы взаимосвязаны. Эта взаимосвязь определяется законом Гейгера Неттола, который обычно выражают в виде зависимости между пробегом (расстоянием, проходимым частицей в веществе до ее полной остановки) a-частицы в воздухе и l:

, (13.11)

В1 и В2 – эмпирические постоянные. Согласно (13.11), чем меньше период полураспада, тем больше пробег, а следовательно, и энергия a-частицы.

Энергия испускаемых a-частиц заключена в узких пределах от , что значительно меньше энергии, которую a-частица должна была бы получить при ускорении в электрическом поле ядра.

Кроме того, энергия a-частицы оказалась мала и по сравнению с потенциальным барьером ядра, что не укладывалось в рамки классической механики. Вылет a-частиц из ядра возможен благодаря туннельному эффекту, обусловленному их волновой природой.

Так как вероятность просачивания -частиц через барьер зависит от размеров ядер, то зная энергию -частицы Еa, можно оценить размеры ядра.

b-распад. Существуют три разновидности b-распада.

.

Пример:

Для объяснения — распада пришлось преодолеть ряд трудностей. Поскольку электрон не вылетает из ядра и не вырывается из оболочки атома, было сделано предположение, что он рождается в результате процессов происходящих внутри ядра.

Так как при — распаде число нуклонов в ядре не изменяется, а Z увеличивается на единицу, то единственной возможностью одновременного осуществления этих условий является превращение одного из нейтронов в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино .

В этом процессе выполняются законы сохранения электрических зарядов, импульса и массовых чисел. Нейтрино (антинейтрино) имеет нулевой заряд, спин и нулевую массу покоя. Именно поэтому выброс электрона, имеющего спин не изменяет спин ядра. Гипотеза о существовании нейтрино позволила Э. Ферми создать теорию — распада.

Нейтрино может принимать участие только в слабом взаимодействии, поэтому прямое наблюдение нейтрино весьма затруднительно. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится на 500 км пути.

Проникающая же способность столь огромна (пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет примерно ), что затрудняет удержание этих частиц в приборах. Для экспериментального выявления нейтрино (антинейтрино) поэтому применялся косвенный метод, основанный на том, что в реакциях выполняется закон сохранения импульса.

Введение нейтрино (антинейтрино) позволило не только объяснить кажущееся не сохранение спина, но и разобраться с вопросом непрерывности энергетического спектра выбрасываемых электронов. Сплошной спектр — частиц обусловлен распределением энергии между электронами и антинейтрино, причем сумма энергий обеих частиц равна .

Если превращение нейтрона в протон энергетически выгодно, то должен наблюдаться радиоактивный распад свободных нейтронов, который и был обнаружен в 1950 г.

(позитронный распад) .

Пример: .

Процесс протекает так, как если бы один из протонов ядра превратился в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино . Одновременный выброс нейтрино вытекает из тех же соображений, что и для — распада.

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию у других нуклонов.

Электронный захват

Пример:

Материнское ядро с избытком р (по сравнению с n) может захватить электрон с одной из внутренних оболочек своего атома, в результате один из протонов превращается в нейтрон . Необходимость появления нейтрино вытекает из закона сохранения спина.

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкое энергетическое состояние, оно испускает g-фотоны. Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами вышележащих слоев, в результате чего возникает характеристическое рентгеновское излучение.

Несмотря на разнообразие -распадов, все они обладают одной важной особенностью: энергетический спектр -частиц является сплошным, т.е. энергия изменяется от нуля до некоторого максимального значения, которое считается энергией распада. Тогда и выясняется, что энергия вылетевшей -частицы зависит от энергии нейтрино.

Источник: https://studopedia.su/10_83235_radioaktivnost-zakon-radioaktivnogo-raspada.html

Виды и законы радиоактивного излучения

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения

В 986 году Антуаном Беккерелем было обнаружено ранее неизвестное излучение солей урана. Спустя два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри после исследования урановой руды смогли открыть новые элементы, названные полонием и радием. Они выдавали более интенсивное излучение по сравнению с ураном. Имея аналогичную массу, интенсивность излучения была больше в 1010, а радия в 2·107 раз.

В это же период времени Э. Резерфорд после пропускания излучения через однородное магнитное поле пришел к выводу о том, что оно включает в себя два компонента с разноименными частицами.

На рисунке 1 приведена схема опыта Резерфорда, где имеются:
1 – фотопластинка, 2 – направление индукции магнитного поля, 3 – свинцовый контейнер, 4 – радиоактивное вещество, 5 – отвод для вакуумного насоса.

Компонента с положительно заряженными частицами получила название α-лучей, компонента с отрицательными – β-лучей. Позже было выявлено, что β-лучи включают в себя поток электронов, а α-лучи – поток ядер атома гелия.

В 1900 году П. Виллард обнаружил третью компоненту, которая не поддавалась влиянию магнитного поля.

Она получила название γ-лучей, являющихся потоком фотонов с самой короткой длиной волны во всем спектре электромагнитного излучения.

Определение 1

Радиоактивностью называют явление, которое происходит при излучении выше указанными изотопами («radius» — луч).

Рисунок 1

Виды излучения

Определение 2

Радиоактивностью считают спонтанное образование изотопов химических элементов, которое обусловленное распадом ядер.

Основываясь на это, выделяют:

  • α-распад (А. Беккерель, 1896 год);
  • δ-распад:
    • β—распад (А. Беккерель, 1896 год);
    • β+распад (И. та Ф.Жолио-Кюри, 1934 год);
    • K-захват (Л. Альварес);
  • спонтанное деление ядер (Г. М. Фльоров, К.А. Петржак, 1939 год);
  • p-распад:
    • однопротонный (Г. М. Фльоров, 1963 год);
    • двухпротонный.

γ-излучение не относят к видам радиоактивного распада, так как оно не меняет состав ядра, а только свою энергию. Оно может возникать когда ядро не появляется в результате распада другого ядра, а находится в возбужденном состоянии. Переход из состояния с высшей энергией в состояние с низшей сопровождается γ-излучением.

Основываясь на опытах, было доказано, что связанные с ней процессы протекают в самом ядре. Никакие внешние факторы не могут повлиять на скорость радиоактивного распада. Он не находится в зависимости от характера химического соединения, к которому проникает изотоп, и его агрегатного состояния.

Нестабильные ядра характеризуются природной радиоактивностью. Ядра стабильных изотопов могут становиться радиоактивными в результате облучения, что говорит об искусственной радиоактивности. Законы природной и искусственной радиоактивности не зависят от способа получения изотопа.

Зоны радиоактивного распада

Радиоактивный распад характеризуется своей произвольностью, к большей совокупности ядер применимы статистические законы.

Каждое радиоактивное ядро имеет определенную вероятность λ того, что оно распадется за единицу времени. При существующем моменте времени t имеется N количество радиоактивных ядер, тогда их среднее количество dN, распадающееся за время dt, пропорционально определенному количеству ядер N и величине λ, отсюда следует,

λ получила название постоянной распада. Она считается характерной постоянной радиоактивного изотопа. Знак «-» говорит об уменьшении количества радиоактивных ядер. Проинтегрировав формулу, получим:

Формула явно выражает закон радиоактивного распада. Заметно, что уменьшение количества ядер происходит по экспоненциальному закону. Его относят к статистическому и справедливому для достаточно большого количества ядер радиоактивного изотопа.

Закон и опыты подтверждают друг друга. Величина N показывает не количество ядер, которые ужа распались, а количество радиоактивных ядер в момент времени t. Периодом полураспада называют распад половины начального количества ядер за время T.

Зачастую, возникающий в результате радиоактивного распада изотоп радиоактивный, что влечет за собой появление цепочки радиоактивных преобразований. При распаде ядер радиоактивного изотопа появляются другие ядра иного изотопа, являющиеся радиоактивными.

Определение 3

Состояние, которое соответствует вышеприведенному неравенству, получило название состояния насыщения. Еще одно название равенства – условие радиоактивного равновесия. Его физический смысл заключается в возможности компенсирования увеличением распада дочерних ядер по причине распада материнских.

Оценка радиоактивного излучения

Радиоактивные препараты характеризуются активностью, равняется количеству распадов радиоактивных ядер препарата за единицу времени: A=Nt. Значение мгновенной радиоактивности – dNdt.

Единицей активности препарата считается один распад за секунду – беккерель (Бк). Зачастую применима внесистемная единица распада – Кюри (Ки): 1 Ки=3,7·1010 Бк.

Определение 4

Количественная оценка действий радиоактивного и рентгеновского излучения на вещество – доза облучения. Их делят на экспозиционную дозу поглощения, эквивалентную дозу.

Определение 5

Экспозиционная доза Dэксп– это мера ионизации рентгеновского и γ-излучения в воздухе, численно равная отношению суммарного заряда ионов одного знака ∆Q, созданных в воздухе при помощи вторичных частиц (электронами и позитронами, образующимися в элементарном объеме при их полном торможении) до массы ∆m воздуха в этом объеме Dэксп=∆Q∆m и измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). Широкое распространение на практике получила единица, называемая рентген (Р), 1P=2,58·10-4 Кл/кг.

Определение 6

Определение дозы поглощения Dпогл выполняется при помощи соотношения энергии ∆E, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе ∆m вещества в этом объеме Dпогл=∆E∆m. Измеряется в греях (Гр), 1 Гр=1 Дж/кг. Широкое распространение также получила единица, называемая радиан, 1 рад=0,01 Гр.

Определение 7

Определение эквивалентной дозы Dэкв выполняется как произведение поглощенной дозы Dпогл на коэффициент ионизирующего излучения K, то есть Dэкв=KDпогл. Ее единица измерения аналогичная единице измерения дозы поглощения.

В системе СИ единица эквивалентной дозы – зиверт (Зв), соответствующей поглощенной дозе в 1 грей при K=1.

Широкое распространение получила специальная единица измерения эквивалентной дозы, соответствующая биологическому эквиваленту рентгена (бер), то есть совпадает с поглощенной дозой в 1 рад при K=1 (1 бер=0,01 Зв).

Искусственная радиоактивность

В 1934 году Иреной и Фредериком Жолио-Кюри было выявлено становления алюминия радиоактивным после облучения α-частицами.

Искусственная радиоактивность ядерных преобразований действует в два этапа. Первый характеризуется преобразованием ядра в радиоактивное под действием частиц.

Второй – спонтанный радиоактивный распад созданного ранее ядра, происходящий согласно экспоненциальному закону.

Выявили, что при бомбардировке атомных ядер разных элементов α-частицами, протонами, нейтронами, дейстронами и γ-квантами появляются ядра новых радиоактивных изотопов, распад которых подчиняется по тому же закону.

За последнее время было получено достаточное количество радиоактивных изотопов. Во время бомбардировки частицами высоких энергий ядер изотопов, находящихся в конце периодической таблицы, создавали искусственные ядра, которые стали основателями радиоактивных семей с малым временем жизни.

Бомбардируя T90232h дейтронами с энергией 690 МэВ, образовывались радиоактивные ядра P91227a. Реакция выглядит следующим образом:

Для изображения распада ядер P91227a используется:

Такие искусственные радиоактивные элементы преимущественно β-активные, притом β- или β+-активные, узнаются по специальной диаграмме зависимости количества нейтронов от количества протонов в ядре для стабильных и радиоактивных ядер, как показано на рисунке.

Расположение стабильных ядер присуще узкой зоне, ограниченной кривыми 1 и 2. Изотопы, для которых соотношение N/Z>Nст/Zст превышает значение, что отвечает 1, принадлежащей области протонодефицитных ядер I.

Прохождение такого распада может протекать с уменьшением N/Z, то есть при сокращении количества нейтронов N в ядре. В ядре происходят преобразования вида n→p+e-+v~e.

Отсюда следует, что протонодефицитные ядра во время радиоактивного распада характеризуются распадом
β-частиц. И наоборот, ядра, располагаемые в области II, нейтронодефицитных ядер

Процесс создания искусственных радиоактивных ядер также относят к делению тяжелых ядер. При делении ядер U92235могут быть созданы два новых, относящихся к протонодефицитным, именно поэтому аналогичные ядра способны излучать β-частицы.

Некоторые радиоактивные изотопы, полученные искусственным путем после излучения электронов, еще могут излучать γ-кванты. Теперь возможно получать радиоактивные изотопы с высокой активностью. Это открывает возможности для создания компактных источников радиоактивности, широко используемые в науке и технике.

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/atomy-jadra/vidy-radioaktivnogo-izluchenija/

Booksm
Добавить комментарий