На головну

Альфа-розпад

  1. Альфа-розпад

При даному виді розпаду ядро ??з атомним номером Z і масовим числом А розпадається шляхом випускання альфа-частинки, що призводить до утворення ядра з атомним номером Z-2 і масовим числом А-4:

 (4.1)

В даний час відомо більше 200 альфа-випромінюючих нуклідів, серед яких майже не зустрічаються легкі і середні ядра. З легких ядер виняток становить 8Be, крім того, відомо близько 20 альфа-випромінюючих нуклідів рідкоземельних елементів. Переважна ж більшість a-випромінюючих ізотопів відноситься до радіоактивних елементів, тобто до елементів з Z> 83, серед яких значну частину складають штучні радіонукліди. Серед природних нуклідів існує близько 30 альфа-активних ядер, що відносяться до трьох радіоактивних сімейств (урановий, актініевий, і торієвий ряди), які розглянуті вище. Періоди напіврозпаду відомих альфа-радіоактивних нуклідів варіюються від 0,298 мкс для 212Po до> 1015 років для 144Nd, 174Hf. Енергія альфа-часток, що випускаються важкими ядрами з основних станів, становить 4-9 МеВ, а ядрами рідкоземельних елементів 2-4,5 МеВ.

Те, що ймовірність альфа-розпаду зростає з ростом Z, обумовлено тим, що цей вид перетворення ядер пов'язаний з кулоновским відштовхуванням, що у міру збільшення розмірів ядер зростає пропорційно Z2, Тоді як ядерні сили тяжіння ростуть лінійно з ростом масового числа A.

Як було показано раніше, ядро ??буде нестійка по відношенню до a- розпаду, якщо виконується нерівність:

 , (4.2)

де и  - Маси спокою вихідного і кінцевого ядер відповідно;

 - Маса a-частинки.

Енергія ?-розпаду ядер (Е?) Складається з кінетичної енергії альфа-частинки, випущеної материнським ядром Т? , І кінетичної енергії, яку набуває дочірнє ядро ??в результаті випускання альфа-частинки (енергія віддачі) Тотд:

 . (4.3)

Використовуючи закони збереження енергії і імпульсу, можна отримати співвідношення:

 , (4.4)

де Мотд =  - Маса ядра віддачі;

М? - Маса альфа-частинки.

Спільно вирішуючи рівняння (4.3) і (4.4), отримаємо:

 . (4.5)

І відповідно,

 . (4.6)

З рівнянь (4.5 і 4.6) видно, що основну частину енергії альфа-розпаду (близько 98%) відносять альфа-частинки. Кінетична енергія ядра віддачі становить величину ?100 кеВ (при енергії альфа-розпаду ?5 МеВ). Слід зазначити, що навіть такі, здавалося б, невеликі значення кінетичної енергії атомів віддачі є досить значними і призводять до високої реакційної здатності атомів, що мають подібні ядра. Для порівняння зазначимо, що енергія теплового руху молекул при кімнатній температурі становить приблизно 0,04 еВ, а енергія хімічного зв'язку зазвичай менше 2 еВ. Тому ядро ??віддачі не тільки рве хімічний зв'язок в молекулі, а й частково втрачає електронну оболонку (електрони просто не встигають за ядром віддачі) з утворенням іонів.

 При розгляді різних видів радіоактивного розпаду, в тому числі і альфа-розпаду, використовують енергетичні діаграми. Найпростіша енергетична діаграма представлена ??на рис. 4.1.

Мал. 4.1. Найпростіша схема альфа-розпаду.

Енергетичне стан системи до і після розпаду зображується горизонтальними лініями. Альфа-частинка зображується стрілкою (жирної або подвійний) йде справа наліво вниз. На стрілці вказується енергія випускаються альфа-частинок.

Слід мати на увазі, що представлена ??на рис. 4.1 схема є найпростішим випадком, коли випускаються ядром альфа-частинки мають одну певну енергію. Зазвичай альфа- спектр має тонку структуру, тобто ядрами одного і того ж нуклида випускаються альфа-частинки з досить близькими, але все ж відрізняються за величиною енергіями. Було встановлено, що якщо альфа-перехід здійснюється в збуджений стан дочірнього ядра, то енергія альфа-частинок буде, відповідно, менше енергії властивою переходу між основними станами вихідного і дочірнього ядер радіонуклідів. І якщо таких збуджених станів кілька, то і можливих альфа-переходів буде кілька. При цьому утворюються дочірні ядра з різною енергією, які при переході в основний або більш стійкий стан випускають гамма-кванти.

Знаючи енергію всіх альфа-частинок і гамма-квантів, можна побудувати енергетичну діаграму розпаду.

Приклад. Побудувати схему розпаду  за наступними даними:

· Енергія ?-частинок становить: 4,46; 4,48; 4,61; і 4,68 МеВ,

· Енергія ?-квантів - 0,07; 0,13; 0,20; і 0,22 МеВ.

Повна енергія розпаду 4,68 МеВ.

Рішення. Від енергетичного рівня вихідного ядра  проводимо чотири стрілки, кожна з яких позначає випускання ?-частинок певної енергії. Обчислюючи різниці між значеннями енергій окремих груп ?-частинок і порівнювання ці різниці з енергіями ?-квантів, знаходимо, яким переходах відповідає випускання ?-квантів кожної енергії

 4,48 - 4,46 = 0,02 МеВ відповідних ?-квантів немає

4,61 - 4,46 = 0,15 МеВ

 
 


4,61 - 4,48 = 0,13 МеВ енергії відповідають енергій

4,68 - 4,46 = 0,22 МеВ ?-квантів, що випускаються при розпаді

4,68 - 4,48 = 0,20 МеВ 230Th

4,68 - 4,61 = 0,07 МеВ

Мал. 4.2 - Схема розпаду 230Th.

Разом з тим, можливий і другий випадок, коли альфа-перехід здійснюється з порушеної стану батьківського ядра в основний стан дочірнього. Ці випадки прийнято кваліфікувати як поява дліннопробежних альфа-частинок, можливості для випускання яких виникають у порушених ядер, що утворюються в результаті складного ?-розпаду. Так, як приклад, на малюнку 4.3 представлена ??схема випускання дліннопробежних ?-частинок ядром полонію-212, що утворюється в результаті ?-розпаду ядра вісмуту-212. Видно, що в залежності від характеру ?-переходу ядро ??полонію-212 може утворитися в основному і збудженому станах. Альфа-частинки, що випускаються з збуджених станів ядра полонію-212, і є дліннопробежних. Однак, слід мати на увазі, що для виникли таким способом альфа-активних ядер більш вірогідним є перехід із збудженого стану шляхом випускання ?-кванта, а не дліннопробежних альфа-частинки. Тому дліннопробежних альфа-частинки зустрічаються досить рідко.

Далі, вченими було встановлено досить важлива закономірність: при невеликому збільшенні енергії a-частинок періоди напіврозпаду змінюються на кілька порядків. так у 232Th Тa = 4,08 МеВ, T1/2 = 1,41 ? 1010 років, а у 230Th - Тa = 4,76 МеВ, T1/2 = 1,7 • 104 років.

Мал. 4.3. Схема послідовного розпаду: 212Bi - 212Po - 208Pb

Видно, що зменшення енергії альфа-частинок приблизно на 0,7 МеВ супроводжується збільшенням періоду напіврозпаду на 6 порядків. при Т? <2 МеВ період напіврозпаду стає настільки великим, що експериментально виявити альфа-активність практично неможливо. Розкид в значеннях періодів напіврозпаду, характерних для альфа-розпаду, дуже великий:

1016 років ? Т1/2 ? 10-7 сек,

і в той же час має місце дуже вузьке інтервал значень енергій альфа-часток, що випускаються радіоактивними ядрами:

2 МеВ ? Т? ? 9 МеВ.

Залежність між періодом напіврозпаду і енергією альфа-частинки була експериментально встановлена ??Гейгером і Неттолом в 1911-1912 роках. Ними було показано, що залежність lgT1/2 від lgТ? добре апроксимується прямою лінією:

 . (4.7)

Даний закон добре виконується для парної-парних ядер. Тоді як для непарній-непарних ядер спостерігається досить значне відхилення від закону.

Сильна залежність ймовірності альфа-розпаду, а отже і періоду напіврозпаду, від енергії була пояснена Г. Гамовим і Е. Кондоном в 1928 році за допомогою теорії одночасткової моделі ядра. У цій моделі передбачається, що альфа-частинки постійно існує в ядрі, тобто материнське ядро ??складається з дочірнього ядра і альфа-частинки. Передбачається, що альфа-частинка рухається в сферичної області радіусу R (R - Радіус ядра) і утримується в ядрі короткодіючими кулоновскими ядерними силами. На відстанях r, великих радіусу дочірнього ядра R, Діють сили кулонівського відштовхування.

Hа рис. 4.4 показана залежність потенційної енергії між альфа-частинкою і ядром віддачі від відстані між їх центрами.

По осі абсцис відкладено відстань між дочірнім ядром і альфа-частинкою, по осі ординат - енергія системи. Кулонівський потенціал обрізається на відстані R, Яке приблизно дорівнює радіусу дочірнього ядра. Висота кулонівського бар'єру B, який має подолати альфа-частинки, щоб покинути ядро, визначається співвідношенням:

 , (4.8)

де Z и z - Заряди дочірнього ядра і альфа-частинки відповідно.

Мал. 4.4. Зміна потенційної енергії системи з відстанню між дочірнім ядром і альфа-частинкою.

Величина потенційного бар'єра значно перевищує енергію альфа-часток, що випускаються радіоактивними ядрами, і відповідно до законів класичної механіки альфа-частинки не може покинути ядро. Але для елементарних частинок, поведінка яких описується законами квантової механіки, можливо проходження цих частинок через потенційний бар'єр, яке отримало назву тунельного переходу.

Відповідно до теорії альфа-розпаду, початки якої закладені Г. Гамовим і Е. Кондоном, стан частинки описується хвильової функцією ?, яка згідно з умовами нормування в будь-якій точці простору відмінна від нуля, і, таким чином, існує кінцева ймовірність виявити альфа-частинку як всередині бар'єру, так і за його межами. Тобто, можливий процес так званого тунельного переходу альфа-частинки через потенційний бар'єр.

Було показано, що проникність бар'єра є функцією атомного номера, атомної маси, радіуса ядра і характеристики потенційного бар'єру.

Встановлено, що альфа-переходи парному-парних ядер з основного рівня материнських нуклідів на основний рівень дочірніх характеризуються найменшими значеннями періодів напіврозпаду. Для непарній-парних, парному-непарних і непарній-непарних ядер загальна тенденція зберігається, але їх періоди напіврозпаду в 2-1000 разів більше, ніж для парної-парних ядер з даними Z і Т?. Корисно запам'ятати: енергія альфа-часток, що випускаються радіонуклідами, з однаковим масовим числом, зростає з ростом заряду ядра.

 




Глава 1. Історія розвитку вчення про радіоактивність | елементарні частинки | Властивості атомних ядер | Маса ядра і енергія зв'язку | ГЛАВА 3. Радіоактивний розпад | Основний закон радіоактивного розпаду | Статистичний характер радіоактивного розпаду | Радіоактивний розпад в природі | Послідовний розпад радіоактивних ядер. радіоактивне рівновагу | Визначення періоду напіврозпаду |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати