1.2. ТИПЫ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Радиоактивностью называется способность атомных ядер к самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием одной или нескольких заряженных частиц и фотонов. Ядра, обладающие свойством самопроизвольно распадаться, называются радиоактивными. Ядра, не имеющие таких свойств, называются стабильными.

1.2.1. Бета-распад и электронный захват

Из более чем 1700 известных в настоящее время нуклидов только 200 стабильных. Большинство радиоактивных нуклидов получено искусственно. На диаграмме рис. 1.1 в координатах N, Z нанесены известные в природе нуклиды. Стабильные ядра, обозначенные черными точками, занимают узкую полосу. При малых значениях А (≤ 40) для таких ядер величина отношения N/Z = 1. При дальнейшем увеличении общего числа нуклонов в ядре доля нейтронов становится больше в связи со все возрастающим кулоновским отталкиванием протонов и для
238
92
U достигает 1,6.

Ядра, расположенные на диаграмме рис. 1.1 вправо и влево от полосы стабильности, радиоактивны. Радионуклиды левой части диаграммы обладают избытком нейтронов относительно стабильного

12

Рис. 1.1. Нейтронно-протонная диаграмма: точки - стабильные нуклиды; кружки - радиоактивные нуклиды; цифрами обозначены массовые числа нуклидов А
Рис. 1.1. Нейтронно-протонная диаграмма: точки - стабильные нуклиды; кружки - радиоактивные нуклиды; цифрами обозначены массовые числа нуклидов А

отношения N/Z для соответствующего химического элемента. Они переходят в стабильное состояние путем превращения избыточного нейтрона в протон с испусканием электрона (бетα-частицы) и антинейтрино:

13

A
Z
 X → 
A
Z+1
 X + e- + ṽ (A2 = A1; Z2 = Z1 + l).
(1.1)

Такой тип превращения ядер называется бета-распадом. При этом образуется новое ядро с тем же массовым числом и порядковым номером на единицу больше. Например:

14
6
C
14
7
N + β- + ṽ .

Радионуклиды, расположенные на диаграмме вправо от полосы стабильности, обладают избыточным числом протонов. Для перехода ядра в стабильное состояние один из протонов должен превратиться в нейтрон. Существует два варианта превращений такого типа:

а) ядро испускает позитрон е+ и нейтрино:

A
Z
 X  
A
Z-1
 X + e+ + v (A2 = A1; Z2 = Z1 - 1);
(1.2)

такой тип превращения называют позитронным или β+-распадом;

б) ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из K-оболочки), испуская нейтрино:

A
Z
 X + ē  
A
Z-1
X + v (A2 = A1; Z2 = Z1 - 1);
(1.3)

такой тип превращения называется электронным или К-захватом.

Как при позитронием распаде, так и при K-захвате вновь образованное ядро не отличается от предшествующего по величине А, но имеет порядковый номер на единицу ниже.

Интересно проследить, как меняется устойчивость изотопов для одного и того же элемента. В качестве примера можно привести изотопы кремния с Z= 14:

27Si*, 28Si, 29Si, 30Si, 31Si* (* - радиоактивный изотоп),
избыток р
стабильные
избыток n  

27
14
Si
27
13
Аl+ β+ + v (позитронный распад),

31
14
 Si  
31
15
 P + β- + ṽ (β-распад).

Необходимым, но не всегда достаточным условием радиоактивности ядра является энергетическая выгодность превращения: масса исходного ядра должна превышать сумму масс конечного ядра и всех частиц, образующихся при распаде.

В уравнениях баланса энергий при β-распаде можно не учитывать массу покоя нейтрино и антинейтрино, которая равна нулю. Поэтому бета-распад разрешен энергетически, если

A
Z
 M
A
Z+1
M + me--распад),
(1.4)

где mе - масса электрона; 
A
Z
 М и 
A
Z+1
M - массы исходного и конечного ядер.

14

Позитронный распад и K-захват энергетически возможны, если

A
Z
 M
A
Z-1
 M + me+-распад),
(1.5)
A
Z
 М + mе
A
Z-1
 М (K-захват).
(1.6)

При β+-распаде и электронном захвате происходит один и тот же процесс превращения протона в нейтрон, т.е. эти типы превращений являются конкурирующими. Однако из сравнения условий нестабильности (1.5) и (1.6) очевидно, что электронный захват энергетически более выгоден. Он идет с поглощением электрона, а позитронный распад происходит с испусканием электрона. Таким образом, энергетический выигрыш K-захвата равен 2 mе.

В природе существуют триады изобаров, где масса среднего, радиоактивного атома больше массы двух крайних, стабильных. В том случае, если выполняются условия нестабильности, средний изобар может распадаться двумя путями (β--распад и K-захват), превращаясь в ядра крайних изобаров.

Вероятность того или иного типа превращений пропорциональна разности масс. Наиболее известным примером такой триады может служить распад 40К:

(12%) 
40
18
 Аr   K 
40
19
K   β 
40
120
Са (80%),

40
18
М(Аr) = 39,9623842;
40
19
М(К) = 39,9639998;

40
20
М(Са) = 39,96215889.

Энергия, выделяющаяся при единичном β-распаде, варьирует в широких пределах от 0,02 МэВ для
3
1
Н до 13,4 МэВ для
12
5
В. Так как при β-распаде из ядра вылетает не одна, а две частицы, то энергия распада распределяется между ними. Вследствие статистического характера явления радиоактивности соотношение энергий электрона и антинейтрино при β-распаде может быть любым. Таким образом, кинетическая энергия β-частицы (электрона) может иметь произвольное значение от 0 до Емакс (полная энергия распада). Для большого числа распадающихся ядер одного и того же радионуклида распределение β-частиц по энергиям (энергетический спектр) имеет строго определенную форму (рис. 1.2). Именно на основании непрерывного характера β-спектров, где Eмакс является характеристикой конкретного типа ядер, Паули в 1930 г. предсказал существование нейтрино за 25 лет до его непосредственного экспериментального наблюдения. В природных атомных ядрах наблюдается еще два типа радиоактивных превращений: альфа-распад и спонтанное деление.

15

Рис. 1.2. Типичный энергетический β-спектр: Eвер - наиболее вероятная энергия; Еср - средняя энергия; Емакс - максимальная энергия (Еср ≈ 1/3 Eмакс)
Рис. 1.2. Типичный энергетический β-спектр: Eвер - наиболее вероятная энергия; Еср - средняя энергия; Емакс - максимальная энергия (Еср ≈ 1/3 Eмакс)

16



Купить BlueTooth гарнитуру

Яндекс цитирования Rambler's Top100
Tikva.Ru © 2006. All Rights Reserved