Уравнение а и б распада

Нуклиды, находящиеся в сравнительно сильно возбужденном состоянии, могут также распадаться путем испускания так называемых запаздывающих нейтронов или протонов.

Радиоактивный распад относится к ядерным превращениям. Его особенность заключается в том, что он происходит спонтанно, без внешнего воздействия.

Ядерными реакциями называют обычно процессы, в которых атомные ядра претерпевают превращения в результате их взаимодействия с элементарными частицами или другими атомными ядрами. Эти виды ядерных превращений обычно изучаются отдельно, поэтому, в данном курсе они подробно не рассматриваются.

При a -распаде ядро родительского нуклида испускает a -частицы, которые являются дважды ионизированными атомами гелия-4 ( 4 He ) . a —частица — это 4 ₂ He 2+ . Фактически это ядро атома гелия-4 без электронных оюолочек.

На рисунке Рис. 1 в качестве примера показана схема a -распада радия-226 ( 226 ₈₈ Ra ) .

Вот еще два характерных примера a -распада:

Полоний-210 превращается в свинец-206 с периодом полураспада 138,4 суток:

Уран-235 превращается в торий-231 с периодом полураспада 7,13 Ч 10 8 лет:

При a -распаде массовое число нуклида уменьшается на

4 единицы, а заряд ядра — на 2 единицы.

Значение полной энергии распада Q , обозначаемой для a -распада Q _a , равно:

• E _a — энергия излучаемой a -частицы;
• E_отд — энергия дочернего атома отдачи;
• E_возб — энергия возбуждения дочернего ядра.

Процесс превращения радионуклида принято представлять в виде схемы распада.

Схемой распада радионуклида называют энергетическую диаграмму, содержащую сведения о количественных характеристиках излучения, последовательности испускания частиц или квантов и о последовательных состояниях атомного ядра.

За начало отсчета (самый низкий уровень) берется основное энергетическое состояние дочернего ядра. Оно обозначается горизонтальной чертой внизу графика. Остальные состояния этого ядра, обладающие большей энергией, изображаются горизонтальными линиями, расположенными выше, причем расстояние по вертикали между линиями обычно вропорционально разности энергии энергетических состояний.

Наверху изображается энергетическое состояние исходного ядра, причем оно сдвигается влево или вправо, в зависимости от того увеличиваются или уменьшается Z (заряд ядра) при распаде. Расстояние от верхнего уровня до начала отсчета равно в масштабе графика разности между массой исходного радионуклида и массой дочернего атома, выраженные в энергетических единицах (МэВ), и представляет собой энергию распада.

Рассмотрим схему a -распада урана-235, приведенную на Рис.2 слева.

Особенностью этой схемы является тот факт, что a -распад может поисходить тремя путями:

• — 6 из 100 ядер 235 U после а — распада превращаются в ядра 231 Th с энергией возбуждения 0,389МэВ;
• — 84 из 100 ядер — с энергией возбуждения 0,189МэВ;
• — в основном состоянии находятся 10 из 100 образовавшихся ядер дочернего нуклида.

При этом 90% распадов происходят таким образом, что атом дочернего нуклида 231 Th оказывается не в основном, а в возбужденном состоянии.

Поскольку в соответствии з законом сохранения энергии энергия испускаемой a -частицы равна разности энергий исходного атома и атома дочернего нуклида, то очевидно, что в данном случае будут излучаться a -частицы с тремя конкретными значениями энергии (начальная энергия всегда одинакова, а конечная — разная).

Таким образом, при распаде 235 U испускаются a -частицы с тремя различными дискретными значениями энергии. Энергетический спектр такого излучения называется линейчатым.

Теперь рассмотрим схему a -распада полония-210 приведенную на Рис.3.

Эта схема обладает другими особенностями:

• — образующийся дочерний нуклид 206 Pb находится только в основном состоянии;
• — распад происходит всегда одинаковым образом и все 100% a -частиц имеют одинаковую энергию.

Таким образом, при распаде 210 Po испускаются a -частицы с одной единственной энергией. Энергетический спектр такого излучения называется моноэнергетическим.

Особенности, связанные с a -распадом:

Энергия a -частиц, покидающих ядра различных a -излучателей меняется в основном в пределах от 4 до 9 МэВ;

Естественные a -излучатели расположены в конце периодической системы элементов. Всего насчитываются 40 естественных и 100 искусственных a -излучателей;

Период полураспада a -активных ядер находится в пределах от 10 -6 с до 10 10 лет;

Период полураспада a -излучателей тем больше, чем меньше энергия a -частиц;

При a -распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает на

4 а.е.м.. В результате элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы элементов. Символически это запишется так:

Энергия a -частиц зависит от энергетического состояния дочернего ядра после a -распада.

Если дочернее ядро образуется только в основном состоянии, что испускаются моноэнергетические a -частицы.

Если же дочернее ядро образуется как в основном, так и в возбужденном состоянии, то испускается несколько энергетических групп a -частиц и g -квантов. Следовательно, спектр a -частиц дискретный.

При b -распаде происходит превращение одних изобаров в другие, т.е. А-const , изменяется Z .

Большинство известных радионуклидов является b -излучателями.

Различают:
— электронный b — — распад;
— позитронный b + — распад;
— электронный захват;
— разветвленный распад (параллельно несколькими из вышеизложенных способов).

Поскольку в ядре нет готовых электронов, считают, что вылету отрицательного электрона из ядра соответствует превращение одного из нейтронов в протон:

При b — — распаде заряд ядра Z увеличивается на единицу, а масса A остается неизменной.

После b — — распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы.

Примером b — — распада является распад Стронция-90 в результате которого образуется Иттрий-90::

Позитронный распад можно рассматривать как превращение одного протона в нейтрон:

При b + — распаде заряд ядра Z уменьшается на единицу, а масса А остается неизменной:

Примером b + -распада является распад натрия-22, в результате которого образуется неон-22:

Электроны в атоме группируются в последовательно расположенные «слои» или оболочки. Ближайшая к ядру оболочка называется К — оболочкой, следующее — L, M и т.д. Чем ближе расположен электрон к ядру, тем больше сила притяжения действующая на электрон. Часто параллельно с позитронным распадом происходит захват ядром одглго электрона из К — оболочки:

К — захват можно рассматривать как превращение протона в нейтрон.

В электронном захвате порядковый номер уменьшается на единицу, а один электрон исчезает.

Примером К-захвата является превращение бериллия-7 в литий -7:

После того, как ядро захватывает один из электронов К — оболочки, свободное место в ней занимает один из электронов с внешних оболочек. В результате такого перехода электронов возникает так назывемое характеристическое рентгеновское излучение.

Особенности, связанные с b — распадом:

• b -частицы, покидающие ядро всегда имеют непрерывный спектр энергиии, подобный изображенному на Рис.4.

Объяснение этого факта состоит в следующем:

кроме электрона (позитрона) при b — -распаде испускается антинейтрино (соответственно при b + -распаде — нейтрино). Энергия распада распределятся между b -частицей и нейтрино (антинейтрино) случайным образом, но всегда так, что сумма энергий обеих частиц постоянна. Энергия b -частицы: Q _е =Q _max -Q _v зависит от энергии Q _v , уносимый нейтрино. Средняя энергия b -частиц равна

Если ядро содержит избыток нейтронов по сравнению со стабильным ядром с тем же порядковым номером Z — происходит b — -распад;

Если ядро содержит избыток протонов, то его состав изменяется путем превращения протона в нейтрино.

Радионуклиды, которые испускают только b — -частицы называют чистыми b — -излучателями. Пример чистых b — -излучателей: Стронций-90, Иттрий-90, Тритий, Углерод-14, Фосфор-31.

Схема b -распада может быть простой, если образующийся нуклид находится в основном состоянии:

Схема b -распада будет сложным, если образующийся нуклид находится в возбужденном состоянии:

Рис. 6 Схема b -распада Кобальта-60

Испускание g -квантов связано с переходом ядра из возбужденного состояния в основное

При a — и b -распадах атомы дочернего нуклида могут образовываться:

1. сразу в основном состоянии. В этом случае единичный акт распада следует считать законченным.
2. в возбужденном состоянии (либо в единственно возможном, либо в одном из нескольких возможных).

Второй случай рассмотрим на примере распада изотопа Хлора-17, схема которого приведена на рисунке Рис.7.

Из схемы видно, что собственно b -распад Хлора-17 может происходить по трем путям (синие линии).

В первом случае атом дочернего нуклида Аргон-18 образуется в основном состояниии. На этом акт единичного распада завершается.

Во втором случае атом дочернего нуклида образуется в возбужденном состоянии (энергия возбуждения составляет 2,170 МэВ). В возбужденном состоянии атом находится ограниченное время, после чего он переходит в основное состояние, испуская при этом g -квант. Энергия этого кванта в точности равна энергии возбуждения.

В третьем случае атом дочернего нуклида также образуется в возбужденном состоянии (энергия возбуждения составляет 3,77 МэВ). Однако, в отличие от второго случая здесь атом дочернего нуклида может перейти в основное состояние двумя путями.

Во-первых, атом может сразу перейти в основное состояние, испустив g -квант с энергией 3,77 МэВ. Вероятность такого перехода невелика и только 0,06% атомов «идут» по этому пути.

Во-вторых, (по этому пути идет подавляющее большинство атомов — 99,94%) атом может сначала испустить g -квант с энергией 1,60 Мэв и перейти в состояние с меньшей энергией возбуждения, а затем, по истечении некоторого времени, перейти в основное состояние, испуская g -квант с энергией 2,17 МэВ. Такое последовательное испускание g -квантов называется g -каскадом.

Очевидно, что энергетический спектр g -квантов в данном случае будет линейчатым. В спектре будет три линии с энергиями 1,60 МэВ, 2,17 МэВ и 3,77МэВ.

Если атомы дочернего нуклида образуются только в основном состоянии то в этом случае материнский нуклид будет чистым a — или b -излучателем, а g -излучения не будет.

Примером может служить распад Полония-210 (чистый a -излучатель), схема которого приведена на Рис.8.

Рис. 8 Схема a -распада Полония-210

При эмиссии g -квантов энергия квантов может находиться в пределах от 5 КэВ до 7МэВ, причем нижний предел находится в области характеристического рентгеновского излучения.

Ввиду того, что g -кванты не имеют ни электрического заряда, ни массы покоя испускание g -квантов не приводит к изменению числа нуклонов A и заряда ядра Z .

Кванту с энергией D E , равной разности энергий ядра дочернего нуклида в начальном (возбужденном) E ₂ и E ₁ конечном (основном или возбужденном с меньшей энергией возбуждения):

далеко не всегда удается покинуть атом.

Он часто взаимодействует с одним из электронов оболочек атома. Если энергия D E больше энергии связи электрона E _св , то электрон имеет шанс покинуть атом. Такие электроны называются электронами конверсии. Очевидно, что энергия таких электронов будет также как и энергия g -квантов дискретной:

где E _отд энергия отдачи дочернего нуклида (см. Рис. 9).

Рис. 9 Пояснение понятия «отдача»

В большиестве случаев электронами конверсии являются электроны ближайшей к ядру К-оболочки. Если же энергия, отданная ядром, меньше E _св для электронов К-оболочки, то электроны конверсии отщепляются от внешних оболочек (L, M), где энергия связи меньше.

После отщепления электрона конверсии образуется вакансия, которая заполняется электронами с внешних оболочек. При этом образуется соответствующее рентгеновское излучение, называемое характеристическим К _a , К b , L a , .

Характеристическое рентгеновское излучение может в свою очередь конвертироваться. Испускаемые при этом электроны называют по имени ученого их открывшего электронами Оже.

На Рис.10 приведена схема, поясняющая все сказанное.

Рис. 10 Схема образования электронов конверсии, характеристического излучения и электронов Оже.

Следует различать два типа ядерных превращений , протекающих с образованием нейтронов:

• Нейтронный распад,
• Образование нейтронов в ядерных реакциях.

Различие этих типов состоит в следующем:

Нейтронный распад происходит спонтанно, вез всякого внешнего воздействия (далее будет также использоваться термин спонтанное деление).

При спонтанном делении происходит такой радиоактивный распад при котором атомное ядро делится на два приблизительно равных по массе осколка. При этом перед распадом ядро находится в основном (невозбужденном) состоянии. Процесс спонтанного деления тяжелых ядер ( А >240) по сравнению с остальными видами распада явление довольно редкое. Известно небольшое число изотопов у которых спонтанное деление является преобладающим видом распада. Примерами могут служить Кюрий-250, Калифорний-254, Фермий-256.

Для Урана-238 спонтанное деление происходит в два миллиона раз реже, чем a -распад.

Распределение масс образовавшихся при спонтанном делении осколков подобно распределению масс, которое наблюдается при делении ядра тепловыми нейтронами. Напомним это распределение:

Как видно из рисунка восновном массы осколков лежать в диапазоне от 72 — до 161 а.е.м.

Осколки деления отдают свою энергию возбуждения, излучая нейтроны и g -кванты. Однако при спонтанном делении число вторичных нейтронов ( n ) несколько меньше, чем при индуцированном делении того же ядра.

• — для спонтанного деления изотопа 240 Pu n =2,19 нейтрона на один акт спонтанного деления,
• — для деления под действием тепловых нейтронов для того же изотопа n =2,882 нейтрона на один акт деления .

Увеличение числа испускаемых вторичных нейтронов связано с тем, что распадающееся составное ядро [ 240 Pu ] * имеет дополнительную энергию — энергию связи нейтрона.

Образование нейтронов в ядерных реакциях происходит в результате взаимодействия ядер с элементарными частицами или другими ядрами (индуцированное деление). Индуцированное деление в настоящем курсе не рассматривается.

1. Основными видами радиоактивного распада в природе являются a -распад, b -распад, нейтронный распад. Эмиссия g -квантов не является самостоятельным видом распада, однако она очень часто сопровождает другие виды распадов.
2. Существуют «чистые» a — и b -излучатели, распад которых происходит без излучения g -квантов.
3. Энергетический спектр излучаемых g -квантов, а также электронов конверсии либо линейчатый, либо моноэнергетический.

1. В каком случае возможен радиоаактивный распад?
2. Из каких элементарных частиц «построены» атомы?
3. Какие нуклиды называются изобарами?
4. Что такое a -частица?
5. В каком случае при a -распаде получаются моноэнергетические a -частицы?
6. От чего зависит энергия b -частиц?
7. В каком случае при b -распаде испускаются g -кванты?
8. Какой энергетический спектр имеют электроны конверсии?

🎬 Видео

ФИЗИКА 9 класс: Альфа, Бета распад | Решение задачСкачать

Радиоактивность. 10 класс.Скачать

Уравнения ядерных реакций для разных видов распада (видео 19)| Квантовая физика | ФизикаСкачать

РЕАКЦИИ ИОННОГО ОБМЕНА, ИОННОЕ УРАВНЕНИЕ - Урок Химия 9 класс / Подготовка к ЕГЭ по ХимииСкачать

Распад ядра, альфа, бета-распады - все о ядерной физике простыми словами!Скачать

Решение простых уравнений. Что значит решить уравнение? Как проверить решение уравнения?Скачать

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ ХИМИЯ 8 класс // Подготовка к ЕГЭ по Химии - INTENSIVСкачать

Виды ядерного распада(видео 18) | Квантовая физика | ФизикаСкачать

Уравнение радиоактивного распада.Скачать

α, β и γ излучение | ФизикаСкачать

КАК ПОХОРОШЕЛА РОССИЯ ИЗ-ЗА ВОЙНЫСкачать

Химические уравнения // Как Составлять Уравнения Реакций // Химия 9 классСкачать

Закон радиоактивного распада. Период полураспадаСкачать

Урок 468. Закон радиоактивного распадаСкачать

Альфа, бета, гамма распад, период полураспада. ЕГЭ по физике | Николай Ньютон. ТехноскулСкачать