Уравнение альфа распада в общем виде (5 видео)

Что такое альфа-распад?

Британский физик Эрнест Резерфорд впервые описал альфа-частицу в 1899 году. Он также различал и называл альфа-и бета-излучение. Однако только в 1928 году Джордж Гамов решил теорию альфа-распада с помощью квантового туннелирования.

В этой обзорной статье мы объяснили, почему происходит альфа-распад, что на самом деле происходит в этом процессе, каковы его первичные источники и имеет ли он какие-либо неблагоприятные последствия. Но давайте начнем с основ.

Содержание

Что такое альфа-распад?
Уравнение
Примеры
Почему происходит альфа-распад?
Основной источник альфа-распада
Это опасно?
Применения
Альфа-распад. Бета-распад. Ядерные реакции
А́ЛЬФА-РАСПА́Д
📺 Видео

Видео:альфа и бета распадСкачать

Что такое альфа-распад?

Определение: альфа-распад (также называемый α-распадом) — это один из трех видов радиоактивного распада (другой — бета- и гамма-распад), при котором нестабильное атомное ядро рассеивает избыточную энергию, спонтанно выбрасывая альфа-частицу.

Поскольку альфа-частица содержит массу в четыре единицы и два положительных заряда, ее выброс из ядра приводит к образованию дочернего ядра с массой на четыре единицы меньше и атомным номером на две единицы меньше (чем у ее родительского ядра).

Испускаемая альфа-частица идентична ядру гелия, которое содержит два нейтрона и два протона. Он также имеет массу 4u и заряд + 2e. Символом ядра гелия является He 2+ , или иногда он записывается как 4 ₂ He 2+ .

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

Уравнение

В ядерной физике формула или уравнение альфа-распада могут быть записаны как:

A _B X — родительское ядро
A-4 _B-2 X ‘ — дочернее ядро
4 ₂ He — испускаемое ядро гелия или альфа-частица

В ядерном уравнении альфа-частица обычно показывается без учета заряда (однако, она содержит заряд +2e).

Альфа-распад происходит только в тяжелых нуклидах. Теоретические расчеты показывают, что этот тип распада может происходить в ядрах, немного более тяжелых, чем никель (атомное число 28). В реальном мире, однако, он был обнаружен только в нуклидах, значительно более тяжелых, чем никель.

Теллур (атомное число 52) является самым легким элементом, чьи изотопы (от 104 Те до 109 Те), как известно, претерпевают альфа-распад. Однако есть некоторые исключительные случаи, такие как изотоп бериллия ( 8 Be), который распадается на две альфа-частицы.

Видео:Альфа-распадСкачать

Примеры

Наиболее популярным примером такого рода ядерной трансмутации является распад урана. Уран-238 (самый распространенный изотоп урана, встречающийся в природе) распадается с образованием тория-234.

238 ₉₂ Ur — нестабильное материнское ядро урана-238
234 _{90 тыс.} Дочернее ядро тория-234
4 ₂ He — выброшенная альфа-частица

Как видите, сумма индексов (масс и атомных номеров) остается одинаковой с каждой стороны уравнения.

Торий также становится радием

Нептуний превращается в протактиний

Платина становится Осмием

Гадолиний становится самарием

Итак, три вещи происходят в альфа-распаде:
1. Тяжелое (родительское) ядро распадается на две части.
2. Альфа-частица выбрасывается в пространство.
3. У оставшегося (дочернего) ядра его массовое число уменьшено на четыре, а его атомное число уменьшено на два.

Видео:ФИЗИКА 9 класс: Альфа, Бета распад | Решение задачСкачать

Почему происходит альфа-распад?

В Альфа-распаде важную роль играют два фундаментальных взаимодействия: ядерная сила (ближняя) и электромагнитная сила (дальняя). Сила притяжения ядерных сил (действующих между нейтронами) намного больше, чем сила отталкивания электромагнитных сил (действующих между протонами). Таким образом, ядерная сила удерживает атомное ядро вместе.

Однако, когда общая разрушительная электромагнитная сила преодолевает ядерную, атомное ядро распадается на две или более частей. Исследования показывают, что ядро, содержащее более 209 нуклонов, настолько велико, что электромагнитное отталкивание между его протонами часто побеждает притягивающую ядерную силу, удерживающую его.

Это происходит потому, что сила ядерной силы быстро падает за пределы одного фемтометра, в то время как электромагнитная сила сохраняет такую же силу на больших расстояниях.

Классическая физика не позволяет альфа-частицам избегать сильных ядерных сил внутри ядра. Квантовая механика, однако, позволяет альфа-частицам убегать через квантовое туннелирование, даже если они не обладают достаточной энергией для преодоления ядерной силы.

Видео:Дельта альфа альфа штрих | МФТИСкачать

Основной источник альфа-распада

Альфа-частицы в основном испускаются более тяжелыми атомами (атомный номер> 106), такими как торий, уран, радий и актиний. Фактически, почти 99 процентов гелия, генерируемого на Земле, происходит от альфа-распада подземных минералов, состоящих из тория или урана.

Космические лучи, исходящие из атмосферы Земли, также содержат альфа-частицы. Около 90 процентов ядер космических лучей составляют водород (протоны), 9 процентов — гелий (альфа-частицы) и 1 процент — ионы HZE. Доля изменяется в зависимости от энергетического диапазона космических лучей.

Некоторые искусственные изотопы испускают альфа-частицы: например, радиоизотопы кюрия, америция и плутония. Они создаются в ядерном реакторе путем поглощения нейтронов различными изотопами урана.

Высокоэнергетические ядра гелия также могут быть искусственно созданы ускорителями частиц, такими как синхротрон и циклотроны. Однако их обычно не называют альфа-частицами.

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

Это опасно?

Как правило, выброшенные альфа-частицы имеют кинетическую энергию 5 Мегаэлектронвольт, и они движутся со скоростью почти 5 процентов скорости света. Поскольку они несут + 2e электрический заряд и имеют большую массу, они могут легко взаимодействовать с другими атомами и терять свою энергию.

Хотя альфа-распад является сильно ионизирующим излучением частиц, он имеет низкую глубину проникновения. Движение вперед альфа-частиц может быть остановлено куском бумаги, толстым слоем воздуха или внешними слоями кожи человека.

Уровень проникновения альфа, бета и гамма частиц

Они не опасны для жизни, если источник не вдыхается, не проглатывается и не вводится. Если радиоактивное вещество, разлагающее альфа-частицу, попадает в организм, оно может быть в 20 раз опаснее гамма-излучения. Большие дозы могут привести к радиационному отравлению. Полоний-210, сильный альфа-излучатель, играет ключевую роль при раке мочевого пузыря и легких.

Хотя альфа-частицы не могут проникнуть сквозь кожу человека, они могут повредить роговицу. Некоторые альфа-источники также сопровождаются бета-излучающими ядрами, которые, в свою очередь, сопровождаются испусканием гамма-фотонов.

Радон является одним из крупнейших источников дозы облучения населения. При вдыхании некоторые его частицы прикрепляются к внутренней оболочке легкого и в конечном итоге повреждают клетки в ткани легкого.

Видео:Урок 223 (осн). Альфа- и бета-распад. Правила Содди.Скачать

Применения

Принцип работы детектора дыма

Радиоактивные источники альфа-частиц используются в детекторах дыма. Америций-241, например, выделяет альфа-частицы, которые ионизируют воздух внутри детектора. Когда дым попадает в оборудование, он поглощает излучение, вызывая тревогу.

Альфа-частицы из полония-210 используются для устранения статического электричества из оборудования. Альфа-частицы притягивают свободные электроны, уменьшая потенциал местного статического электричества. Этот метод широко применяется на бумажных фабриках.

Рентгеновская спектроскопия альфа-частиц используется для определения состава пород и грунтов. НАСА использовало этот процесс на Марсовом разведывательном ровере для сбора криволинейных данных, данных о погоде и активности воды на Марсе.

Гранула из 238 PuO 2, используемая в РТГ для космических миссий. Пеллета светится красным цветом из-за тепла, генерируемого альфа-распадом | Изображение предоставлено: Викимедиа

Космические агентства используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) для питания различных космических аппаратов и спутников, включая «Вояджер 1/2» и «Пионер 10/11». Эти генераторы используют плутоний-238 для работы в качестве долговременной батареи. Плутоний-238 испускает альфа-излучение, в результате чего образуется тепло, которое преобразуется в электричество.

В настоящее время ученые работают над тем, чтобы использовать разрушительные источники альфа-излучения для лечения рака. Они пытаются направить небольшое количество альфа-частиц в опухолевые клетки. Поскольку эти частицы имеют небольшую глубину проникновения, они могут остановить рост опухоли или, возможно, уничтожить ее, не затрагивая окружающие здоровые ткани. Этот вид лечения известен как негерметичная лучевая терапия.

Видео:Альфа-распадСкачать

Альфа-распад. Бета-распад. Ядерные реакции

Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования. Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился в радон. А в сосуде дополнительно появился гелий: (88^Rarightarrow86^Rn+2^4) He. Чтобы понимать смысл написанного выражения, он изучил тему о массовом и зарядовом числе ядра атома.

Удалось установить, что основные виды радиоактивного распада – альфа и бета-распад – происходят согласно следующему правилу смещения.

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро атома гелия). Из вещества с количеством протонов (Z) и нейтронов (N) в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов (Z-2) и количеством нейтронов (N-2) и, соответственно, атомной массой (A-4) . То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.

Пример α-распада: (92^Urightarrow90^Th+2^4) He.

Альфа-распад – это внутриядерный процесс. В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон ( (beta) -частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример (beta) -распада: (19^Krightarrow20^Ca+_ ^0e+_0 ^0v) .

Бета-распад – это внутринуклонный процесс. Превращение претерпевает нейтрон. Существует также бета-плюс-распад или позитронный бета-распад. При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино, а элемент смещается при этом на одну клетку назад по периодической таблице. Позитронный бета-распад обычно сопровождается электронным захватом.

Гамма-распад

Кроме альфа и бета-распада существует также гамма-распад. Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях, либо при радиоактивных распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Также существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма-распад.

Можно описать и так, что альфа-распад – это вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия (^4) He – альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер – на (2) . Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер (атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше (200) ). Альфа-частица испытывает туннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растет с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше (2) МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима (^) Nd) до (23700) км/с (у изотопа полония (^) Po). В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом:

Пример альфа-распада для изотопа (^U) :

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Одновременно в Париже французский физик Пол Виллард проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский и американский физик Георгий Гамов.

Какой вид ионизирующих излучений из перечисленных ниже наиболее опасен при внешнем облучении человека?

Детектор радиоактивных излучений помещен в закрытую картонную коробку с толщиной стенок (approx1) мм. Какие излучения он может зарегистрировать?

Какой заряд (Z) и массовое число А будет иметь ядро элемента, получившегося из ядра изотопа (_^) Po после одного (alpha) -распада и одного электронного (beta) -распада?

(alpha) -излучение – это

В результате одного (alpha) -распада и одного (beta) -распада из радиоактивного изотопа лития (_3^8Li) образуется изотоп

Естественная радиоактивность – это

(alpha) -излучение представляет собой поток

Ядерная реакция имеет вид (x+_1^1H rightarrow _^Na+_2^4He) . Определите недостающий элемент.

Ядерная реакция имеет вид (_2^4He + _4^9Be rightarrow _6^C+x) . Определите недостающий продукт реакции.

Ядро бериллия (9^4) Ве сталкивается с частицей, при этом продуктом реакции оказались один нейтрон и ядро изотопа некоторого элемента. Определите этот элемент.

Каково массовое число ядра (X) в реакции (^_!Cm + ^_!He → X + 2^1_0n?)

Определите число (α) и (β) распадов при превращении ядра урана (_^!U) в ядро свинца (_^Pb) .

Определите массовое число и порядковый номер элемента, образовавшегося из урана (_^) U , если с ним произошло (3 alpha) -распада и (2 beta) -распада.

Определите массовое число ядра (X) в реакции деления урана.

Из приведенных реакций выберите те, которые соответствуют термоядерным.

Видео:Альфа-распад и бета-распад, урок физики для 9 класса за 27.04.20 г.Скачать

А́ЛЬФА-РАСПА́Д

В книжной версии

Том 1. Москва, 2005, стр. 572

Скопировать библиографическую ссылку:

А́ЛЬФА-РАСПА́Д ( α -распад), испускание атомным ядром альфа-частицы (ядра 4 He). А.-р. из основного (невозбуждённого) состояния ядра называют также альфа-радиоактивностью.