(3.13)

Αν φανταστούμε ένα σωματίδιο άλφα μέσα σε πηγάδι σφαιρικού δυναμικού με ακτίνα R, κινείται με ταχύτητα v α, τότε η συχνότητα των κρούσεων στα τοιχώματα των λάκκων θα είναι v α/Rκαι, στη συνέχεια, η πιθανότητα ένα σωματίδιο άλφα να εγκαταλείψει τον πυρήνα ανά μονάδα χρόνου, ή τη σταθερά διάσπασης, θα είναι ίση με το γινόμενο του αριθμού των προσπαθειών ανά μονάδα χρόνου επί την πιθανότητα να περάσει το φράγμα σε μία σύγκρουση με τον τοίχο:

, (3.14)

πού είναι κάποιος αόριστος συντελεστής, αφού έγιναν δεκτές διατάξεις που απείχαν από την αλήθεια: το σωματίδιο άλφα δεν κινείται ελεύθερα στον πυρήνα και γενικά δεν υπάρχουν σωματίδια άλφα στη σύνθεση των πυρήνων. Σχηματίζεται από τέσσερα νουκλεόνια κατά τη διάσπαση άλφα. Η τιμή έχει την έννοια της πιθανότητας σχηματισμού ενός σωματιδίου άλφα στον πυρήνα, η συχνότητα των συγκρούσεων του οποίου με τα τοιχώματα του φρέατος δυναμικού είναι ίση με v α/R.

Σύγκριση με εμπειρία.Με βάση την εξάρτηση (3.14), πολλά φαινόμενα που παρατηρούνται κατά τη διάσπαση του άλφα μπορούν να εξηγηθούν. Ο χρόνος ημιζωής των άλφα-ενεργών πυρήνων είναι μεγαλύτερος, τόσο μικρότερη είναι η ενέργεια Ε απου εκπέμπονται κατά τη διάσπαση των σωματιδίων άλφα. Επιπλέον, εάν οι χρόνοι ημιζωής ποικίλλουν από κλάσματα του μικροδευτερόλεπτου έως πολλά δισεκατομμύρια χρόνια, τότε το εύρος της αλλαγής Ε απολύ μικρό και περίπου 4-9 MeV για πυρήνες με μαζικούς αριθμούς Α>200.Τακτική εξάρτηση του χρόνου ημιζωής από Ε αανακαλύφθηκε πριν από πολύ καιρό σε πειράματα με φυσικά α-ενεργά ραδιονουκλίδια και περιγράφεται από τη σχέση:

(3.15)

όπου και είναι σταθερές που διαφέρουν ελαφρώς για διαφορετικές οικογένειες ραδιενεργών.

Αυτή η έκφραση ονομάζεται συνήθως νόμος Geiger-Nattall και αντιπροσωπεύει την εξάρτηση του νόμου ισχύος της σταθεράς αποσύνθεσης λ από Ε αμε πολύ υψηλό ποσοστό. Ένας τόσο δυνατός εθισμός λ από Ε απροκύπτει άμεσα από τον μηχανισμό της διέλευσης των σωματιδίων άλφα μέσω ενός φραγμού δυναμικού. Η διαφάνεια του φραγμού, άρα και η σταθερά αποσύνθεσης λ εξαρτώνται από το ακέραιο εμβαδόν R1 -Rαυξάνεται εκθετικά και γρήγορα με την ανάπτυξη Ε α. Οταν Ε απλησιάζει τα 9 MeV, η διάρκεια ζωής σε σχέση με τη διάσπαση άλφα είναι μικρά κλάσματα του δευτερολέπτου, ᴛ.ᴇ. Με ενέργεια σωματιδίων άλφα 9 MeV, η διάσπαση άλφα συμβαίνει σχεδόν αμέσως. Αναρωτιέμαι ποιο είναι το νόημα Ε αακόμα σημαντικά μικρότερο από το ύψος του φράγματος Coulomb Ηνωμένο Βασίλειο, που για βαρείς πυρήνες για ένα διπλά φορτισμένο σημειακό σωματίδιο είναι περίπου 30 MeV. Το φράγμα για ένα πεπερασμένο μέγεθος σωματιδίου άλφα είναι κάπως χαμηλότερο και θα πρέπει να εκτιμηθεί στα 20-25 MeV. Ωστόσο, η διέλευση του φραγμού δυναμικού Coulomb από ένα σωματίδιο άλφα είναι πολύ αποτελεσματική εάν η ενέργειά του δεν είναι μικρότερη από το ένα τρίτο του ύψους του φραγμού.

Η διαφάνεια του φράγματος Coulomb εξαρτάται και από το φορτίο του πυρήνα, γιατί Το ύψος του φράγματος Coulomb εξαρτάται από αυτό το φορτίο. Η διάσπαση άλφα παρατηρείται μεταξύ πυρήνων με μαζικούς αριθμούς Α>200και στην περιφέρεια A~150. Είναι σαφές ότι το φράγμα Coulomb στο A~150η πιθανότητα αποσύνθεσης άλφα είναι αισθητά μικρότερη για το ίδιο Ε απολύ μεγαλύτερο.

Αν και θεωρητικά, σε οποιαδήποτε ενέργεια ενός σωματιδίου άλφα υπάρχει πιθανότητα διείσδυσης μέσω του φραγμού, υπάρχουν περιορισμοί στην ικανότητα πειραματικού προσδιορισμού αυτής της διαδικασίας. Δεν είναι δυνατός ο προσδιορισμός της διάσπασης άλφα πυρήνων με χρόνο ημιζωής μεγαλύτερο από 10 17 – 10 18 χρόνια. Αντίστοιχη ελάχιστη τιμή Ε αυψηλότερο για βαρύτερους πυρήνες και είναι 4 MeV για πυρήνες με Α>200και περίπου 2 MeV για πυρήνες με A~150. Κατά συνέπεια, η εκπλήρωση της σχέσης (3.12) δεν υποδηλώνει απαραίτητα την αστάθεια του πυρήνα σε σχέση με την άλφα διάσπαση. Αποδεικνύεται ότι η σχέση (3.12) ισχύει για όλους τους πυρήνες με μαζικούς αριθμούς μεγαλύτερους από 140, αλλά στην περιοχή Α>140περιέχει περίπου το ένα τρίτο όλων των φυσικών σταθερών νουκλεϊδίων.

Όρια σταθερότητας. Ραδιενεργές οικογένειες.Τα όρια σταθερότητας των βαρέων πυρήνων σε σχέση με τη διάσπαση άλφα μπορούν να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας το μοντέλο πυρηνικού κελύφους. Οι πυρήνες που έχουν μόνο κλειστά κελύφη πρωτονίων ή νετρονίων είναι ιδιαίτερα στενά συνδεδεμένοι. Για το λόγο αυτό, αν και η ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο για μεσαίους και βαρείς πυρήνες μειώνεται με την αύξηση ΕΝΑ, αυτή η μείωση πάντα επιβραδύνεται όταν πλησιάζετε ΕΝΑστον μαγικό αριθμό και επιταχύνει αφού περάσει ΕΝΑμέσω του μαγικού αριθμού πρωτονίων ή νετρονίων. Ως αποτέλεσμα, ενέργεια Ε ααποδεικνύεται ότι είναι σημαντικά χαμηλότερη από την ελάχιστη τιμή στην οποία παρατηρείται διάσπαση άλφα για τους μαγικούς πυρήνες ή ο μαζικός αριθμός του πυρήνα είναι μικρότερος από τον μαζικό αριθμό του μαγικού πυρήνα. Αντίθετα, ενέργεια Ε ααυξάνεται απότομα για πυρήνες με μαζικούς αριθμούς που υπερβαίνουν τις τιμές ΕΝΑμαγικούς πυρήνες, και υπερβαίνει την ελάχιστη πρακτική σταθερότητα όσον αφορά τη διάσπαση άλφα.

Στο πεδίο των μαζικών αριθμών A~150άλφα-ενεργά είναι νουκλεΐδια των οποίων οι πυρήνες περιέχουν δύο ή περισσότερα νετρόνια περισσότερα από τον μαγικό αριθμό 82. Μερικά από αυτά τα νουκλεΐδια έχουν χρόνο ημιζωής πολύ μεγαλύτερο από τη γεωλογική ηλικία της Γης και, ως εκ τούτου, παρουσιάζονται στη φυσική τους μορφή - νουκλίδια 144 Nd , 147 Sm, 149 Sm, 152 Gd. Άλλα παρήχθησαν από πυρηνικές αντιδράσεις. Τα τελευταία έχουν έλλειψη νετρονίων σε σύγκριση με σταθερά νουκλεΐδια με τους αντίστοιχους μαζικούς αριθμούς και για αυτά τα νουκλεΐδια η διάσπαση β + συνήθως ανταγωνίζεται τη διάσπαση άλφα. Το βαρύτερο σταθερό νουκλίδιο είναι 209 Bi, ο πυρήνας του οποίου περιέχει έναν μαγικό αριθμό νετρονίων 126. Το στοιχείο που οδηγεί στο βισμούθιο, ο μόλυβδος, έχει μαγικό αριθμό πρωτονίων 82, και 208 Pbείναι ένα διπλά μαγικό νουκλεΐδιο. Όλοι οι βαρύτεροι πυρήνες είναι ραδιενεργοί.

Δεδομένου ότι ως αποτέλεσμα της διάσπασης άλφα ο πυρήνας του προϊόντος εμπλουτίζεται σε νετρόνια, η βήτα διάσπαση ακολουθεί μετά από αρκετές διασπάσεις άλφα. Το τελευταίο δεν αλλάζει τον αριθμό των νουκλεονίων στον πυρήνα, επομένως, κανένας πυρήνας με μαζικό αριθμό Α>209μπορεί να γίνει σταθερό μόνο μετά από έναν ορισμένο αριθμό διασπάσεων άλφα. Δεδομένου ότι ο αριθμός των νουκλεονίων κατά τη διάσπαση άλφα μειώνεται κατά 4 μονάδες ταυτόχρονα, είναι δυνατή η ύπαρξη τεσσάρων ανεξάρτητων αλυσίδων διάσπασης, η καθεμία με το δικό της τελικό προϊόν. Τρία από αυτά υπάρχουν στη φύση και ονομάζονται φυσικές ραδιενεργές οικογένειες. Οι φυσικές οικογένειες τελειώνουν τη φθορά τους με το σχηματισμό ενός από τα ισότοπα του μολύβδου, το τελικό προϊόν της τέταρτης οικογένειας είναι το νουκλίδιο 209 Bi(βλ. πίνακα 3.1).

Η ύπαρξη φυσικών ραδιενεργών οικογενειών οφείλεται σε τρία μακρόβια άλφα-ενεργά νουκλεΐδια - 232 Th, 235 U, 238 U, έχοντας χρόνο ημιζωής συγκρίσιμο με τη γεωλογική ηλικία της Γης (5,10 9 έτη). Ο μακροβιότερος εκπρόσωπος της εξαφανισμένης τέταρτης οικογένειας είναι το νουκλίδιο 237 Np– ισότοπο του υπερουρανίου στοιχείου νεπτούνιο.

Πίνακας 3.1. Ραδιενεργές οικογένειες

Σήμερα, βομβαρδίζοντας βαρείς πυρήνες με νετρόνια και ελαφρούς πυρήνες, έχουν ληφθεί πολλά νουκλεΐδια, τα οποία είναι ισότοπα στοιχείων υπερουρανίου (Ζ>92). Όλοι τους είναι ασταθείς και ανήκουν σε μία από τις τέσσερις οικογένειες.

Η αλληλουχία των διασπάσεων σε φυσικές οικογένειες φαίνεται στο Σχήμα. 3.6. Σε περιπτώσεις όπου οι πιθανότητες διάσπασης άλφα και βήτα είναι συγκρίσιμες, σχηματίζονται διχάλες που αντιστοιχούν στη διάσπαση των πυρήνων με την εκπομπή είτε σωματιδίων άλφα είτε βήτα. Σε αυτή την περίπτωση, το τελικό προϊόν αποσύνθεσης παραμένει αμετάβλητο.

Ρύζι. 3.6. Μοτίβα αποσύνθεσης σε φυσικές οικογένειες.

Τα ονόματα που δίνονται αποδίδονται σε ραδιονουκλεΐδια κατά την αρχική μελέτη των φυσικών αλυσίδων διάσπασης.

ALPHA DECAY - έννοια και τύποι. Ταξινόμηση και χαρακτηριστικά της κατηγορίας "ALPHA DECAY" 2017, 2018.

Διάλεξη: Ραδιοενέργεια. Άλφα αποσύνθεση. Βήτα διάσπαση. Ηλεκτρονική β-διάσπαση. Β-διάσπαση ποζιτρονίων. Ακτινοβολία γάμμα

Ραδιοενέργεια

Η ραδιενέργεια ανακαλύφθηκε εντελώς τυχαία ως αποτέλεσμα πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν από τον A. Becquerel το 1896. Η πρόσφατη ανακάλυψη των ακτίνων Χ οδήγησε τους επιστήμονες να θέλουν να μάθουν εάν παρήχθησαν ως αποτέλεσμα ορισμένων στοιχείων που φωτίζονται από το φως του ήλιου. Για το πείραμά του, ο Μπεκερέλ επέλεξε ένα άλας ουρανίου.

Το αλάτι τοποθετήθηκε σε φωτογραφικό πιάτο και τυλίχτηκε σε μαύρο χαρτί για να διασφαλιστεί η ποιότητα του πειράματος. Ως αποτέλεσμα του γεγονότος ότι το αλάτι βρισκόταν για αρκετές ώρες στο άμεσο ηλιακό φως, η ανεπτυγμένη φωτογραφική πλάκα περιείχε μια φωτογραφία που αντιστοιχούσε πλήρως στα περιγράμματα των κρυστάλλων αλατιού. Αυτή η εμπειρία επέτρεψε στον Μπεκερέλ να μιλήσει σε ένα συνέδριο όπου μίλησε για νέες εκδηλώσεις ακτίνων Χ. Σε λίγες εβδομάδες αναμενόταν να ανακοινώσει νέα αποτελέσματα από παρόμοιες μελέτες.

Ωστόσο, ο καιρός εμπόδισε τον επιστήμονα. Καθώς είχε συννεφιά όλη την ώρα, το αλάτι βρισκόταν τυλιγμένο μαζί με το φωτογραφικό πιάτο σε μαύρο χαρτί στο συρτάρι του γραφείου. Σε απόγνωση, ο επιστήμονας ανέπτυξε μια φωτογραφική πλάκα, με αποτέλεσμα να παρατηρήσει ότι το αλάτι άφησε το σημάδι του ακόμη και χωρίς ηλιακό φως.

Αποδείχθηκε ότι το ουράνιο εκπέμπει κάποιου είδους ακτίνες, οι οποίες είναι επίσης ικανές να διαπεράσουν το χαρτί και να αφήσουν σημάδι στο πιάτο.

Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ραδιενέργεια.

Αργότερα αποδείχθηκε ότι όχι μόνο το ουράνιο είναι ραδιενεργό. Η οικογένεια Κιουρί ανακάλυψε παρόμοιες ιδιότητες στο θόριο, το πολώνιο και το ράδιο.

Τύποι ραδιενεργών ακτινοβολιών

Κατά τη διάρκεια πολλών πειραμάτων στα οποία το ουράνιο τοποθετήθηκε σε μαγνητικό πεδίο, διαπιστώθηκε ότι οποιοδήποτε ραδιενεργό στοιχείο έχει τρεις κύριους τύπους ακτινοβολίας - άλφα, βήτα και γάμμα.

Ως αποτέλεσμα της τοποθέτησης ενός ραδιενεργού στοιχείου σε μια πλάκα μολύβδου εκτεθειμένη σε μαγνητικό πεδίο, παρατηρήθηκαν τρία σημεία στην οθόνη, που βρίσκονται σε κάποια απόσταση το ένα από το άλλο.

1. Ακτίνες άλφα (σωματίδια άλφα) είναι ένα θετικό σωματίδιο που έχει 4 νουκλεόνια και δύο θετικά φορτία. Αυτή η ακτινοβολία είναι η πιο αδύναμη. Μπορείτε να αλλάξετε την κατεύθυνση κίνησης ενός σωματιδίου άλφα ακόμα και με ένα κομμάτι χαρτί.

Εξίσωση και παραδείγματα τέτοιας αποσύνθεσης:

2 . Ακτινοβολία βήτα ή σωματίδιο βήτα . Αυτή η ακτινοβολία εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της εξάλειψης ενός αρνητικού ή θετικού ηλεκτρονίου (ποζιτρόνιο).

3. Ακτινοβολία γάμμα είναι η ακτινοβολία που παράγει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα παρόμοιο με τις ακτίνες Χ.

1.3. Διασπάσεις άλφα, διασπάσεις βήτα και εκπομπές γάμμα ραδιενεργών πυρήνων

Η διάσπαση άλφα είναι η αυθόρμητη εκπομπή σωματιδίων άλφα, που αντιπροσωπεύουν τους πυρήνες ενός ατόμου ηλίου, από έναν ραδιενεργό πυρήνα. Η αποσύνθεση προχωρά σύμφωνα με το σχέδιο

ΣΕ Στην έκφραση (1.13), το γράμμα Χ υποδηλώνει το χημικό σύμβολο του αποσυντιθέμενου (μητρικού) πυρήνα και το γράμμα Υ υποδηλώνει το χημικό σύμβολο του προκύπτοντος (θυγατρικού) πυρήνα. Όπως φαίνεται από το διάγραμμα (1.13), ο ατομικός αριθμός του θυγατρικού πυρήνα είναι δύο και ο μαζικός αριθμός είναι τέσσερις μονάδες μικρότερος από αυτόν του αρχικού πυρήνα.

Το σωματίδιο άλφα έχει θετικό φορτίο. Τα σωματίδια άλφα χαρακτηρίζουν δύο

με βασικές παραμέτρους: μήκος διαδρομής (σε αέρα έως 9 cm, σε βιολογικό ιστό έως 10-3 cm) και κινητική ενέργεια στην περιοχή των 2...9 MeV.

Αλφα διάσπαση παρατηρείται μόνο σε βαρείς πυρήνες με Am>200 και αριθμό φορτίου Ζ>82. Μέσα σε τέτοιους πυρήνες, συμβαίνει ο σχηματισμός μεμονωμένων σωματιδίων δύο πρωτονίων και δύο νετρονίων. Ο διαχωρισμός αυτής της ομάδας νουκλεονίων διευκολύνεται από τον κορεσμό των πυρηνικών δυνάμεων, έτσι ώστε το σχηματιζόμενο σωματίδιο άλφα να υπόκειται σε λιγότερες πυρηνικές ελκτικές δυνάμεις από τα μεμονωμένα νουκλεόνια. Ταυτόχρονα, το σωματίδιο άλφα υφίσταται μεγαλύτερες δυνάμεις απώθησης Coulomb από τα πρωτόνια του πυρήνα από τα μεμονωμένα πρωτόνια. Αυτό εξηγεί την εκπομπή σωματιδίων άλφα από τον πυρήνα και όχι μεμονωμένων νουκλεονίων.

ΣΕ Στις περισσότερες περιπτώσεις, μια ραδιενεργή ουσία εκπέμπει πολλές ομάδεςσωματίδια άλφα παρόμοιας αλλά διαφορετικής ενέργειας, δηλ. οι ομάδες έχουν ένα φάσμα ενέργειας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ένας θυγατρικός πυρήνας μπορεί να προκύψει όχι μόνο στη βασική κατάσταση, αλλά και σε διεγερμένες καταστάσεις με διαφορετικά επίπεδα ενέργειας.

Η διάρκεια ζωής των διεγερμένων καταστάσεων για τους περισσότερους πυρήνες βρίσκεται μέσα

υποθέσεις από 10 - 8 έως 10 - 15 s. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ο θυγατρικός πυρήνας περνά στην εδαφική ή χαμηλότερη διεγερμένη κατάσταση, εκπέμποντας ένα κβαντικό γάμμα της αντίστοιχης ενέργειας ίσο με τη διαφορά μεταξύ των ενεργειών της προηγούμενης και των επόμενων καταστάσεων. Ένας διεγερμένος πυρήνας μπορεί επίσης να εκπέμπει οποιοδήποτε σωματίδιο: ένα πρωτόνιο, ένα νετρόνιο, ένα ηλεκτρόνιο ή ένα σωματίδιο άλφα. Μπορεί επίσης να εκπέμψει περίσσεια ενέργειας σε ένα από τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό στρώμα που περιβάλλει τον πυρήνα. Η μεταφορά ενέργειας από τον πυρήνα στο πλησιέστερο ηλεκτρόνιο της στιβάδας Κ γίνεται χωρίς την εκπομπή ενός κβαντικού γάμμα. Το ηλεκτρόνιο που λαμβάνει ενέργεια πετάει έξω από το άτομο. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται εσωτερική μετατροπή. Η προκύπτουσα κενή θέση γεμίζει με ηλεκτρόνια από υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Οι ηλεκτρονικές μεταβάσεις στα εσωτερικά στρώματα του ατόμου οδηγούν στην εκπομπή ακτίνων Χ που έχουν διακριτό ενεργειακό φάσμα (χαρακτηριστικές ακτίνες Χ). Συνολικά, είναι γνωστά περίπου 25 φυσικά και περίπου 100 τεχνητά άλφα ραδιενεργά ισότοπα.

Η διάσπαση βήτα συνδυάζει τρεις τύπους πυρηνικών μετασχηματισμών: ηλεκτρονικούς (β−)

και ποζιτρονίων (β+) διασπάται, καθώς και σύλληψη ηλεκτρονίων ή Κ-σύλληψη. Οι δύο πρώτοι τύποι μετασχηματισμών συνίστανται στο γεγονός ότι ο πυρήνας εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο (κατά τη διάσπαση β−) ή ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο (κατά τη διάσπαση β+). Ελεκ-

tron (ποζιτρόνιο) και αντινετρίνο (νετρίνο) δεν υπάρχουν στους ατομικούς πυρήνες. Αυτές οι διεργασίες συμβαίνουν με τη μετατροπή ενός τύπου νουκλεονίου στον πυρήνα σε άλλο - ένα νετρόνιο σε πρωτόνιο ή ένα πρωτόνιο σε νετρόνιο. Το αποτέλεσμα αυτών των μετασχηματισμών είναι οι β-διασπάσεις, τα σχήματα των οποίων έχουν τη μορφή:

όπου − 1 e0 και + 1 e0 είναι ο προσδιορισμός του ηλεκτρονίου και του ποζιτρονίου,

0 ν0 και 0 ~ ν0 – προσδιορισμός των νετρίνων και των αντινετρίνων.

Με αρνητική βήτα διάσπαση, ο αριθμός φορτίου του ραδιονουκλιδίου αυξάνεται κατά ένα και με θετική βήτα διάσπαση, μειώνεται κατά ένα.

Η ηλεκτρονική διάσπαση (β − διάσπαση) μπορεί να βιωθεί τόσο από φυσικά όσο και από τεχνητά ραδιονουκλίδια. Αυτός ο τύπος διάσπασης είναι χαρακτηριστικός του συντριπτικού αριθμού των περιβαλλοντικά πιο επικίνδυνων ραδιονουκλεϊδίων που απελευθερώνονται στο περιβάλλον ως αποτέλεσμα του ατυχήματος του Τσερνομπίλ. Ανάμεσα τους

134 55 Cs, 137 55 Cs, 90 38 Sr, 131 53 I, κ.λπ.

Η διάσπαση ποζιτρονίων (β + – διάσπαση) είναι χαρακτηριστική κυρίως των τεχνητών ραδιονουκλεϊδίων.

Δεδομένου ότι κατά τη διάρκεια της διάσπασης βήτα δύο σωματίδια εκπέμπονται από τον πυρήνα και την κατανομή

μεταξύ τους η συνολική ενέργεια εμφανίζεται στατιστικά, τότε το ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονίων (ποζιτρόνια) είναι συνεχές από το μηδέν στη μέγιστη τιμή Emax που ονομάζεται ανώτατο όριο του φάσματος βήτα. Για τους βήτα ραδιενεργούς πυρήνες, η τιμή Emax βρίσκεται στην ενεργειακή περιοχή από 15 keV έως 15 MeV. Το μήκος διαδρομής ενός σωματιδίου βήτα στον αέρα είναι έως 20 m και σε βιολογικό ιστό έως 1,5 cm.

Η αποσύνθεση βήτα συνήθως συνοδεύεται από την εκπομπή ακτίνων γάμμα. Ο λόγος για την εμφάνισή τους είναι ο ίδιος όπως στην περίπτωση της διάσπασης άλφα: ο θυγατρικός πυρήνας εμφανίζεται όχι μόνο σε κατάσταση εδάφους (σταθερή), αλλά και σε διεγερμένη κατάσταση. Στη συνέχεια, περνώντας σε μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, ο πυρήνας εκπέμπει ένα φωτόνιο γάμμα.

Κατά τη σύλληψη ηλεκτρονίων, ένα από τα πρωτόνια του πυρήνα μετατρέπεται σε νετρόνιο:

1 p 1+ − 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .

Με αυτόν τον μετασχηματισμό, ένα από τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα (το ηλεκτρόνιο της στιβάδας Κ του ατόμου) εξαφανίζεται. Ένα πρωτόνιο, που μετατρέπεται σε νετρόνιο, «συλλαμβάνει» ένα ηλεκτρόνιο. Από εδώ προέρχεται ο όρος «ηλεκτρονική σύλληψη». χαρακτηριστικό

Αυτός ο τύπος β-διάσπασης είναι η εκπομπή ενός σωματιδίου από τον πυρήνα - ενός νετρίνου. Το ηλεκτρονικό κύκλωμα σύλληψης μοιάζει

Am Z X+ − 1 e0 → Am Z − 1 Y+ 0 ν 0 . (1.16)

Η ηλεκτρονική σύλληψη, σε αντίθεση με τις διασπάσεις β±, συνοδεύεται πάντα από

βακτηριακή ακτινοβολία ακτίνων Χ. Το τελευταίο συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρόνιο πιο απομακρυσμένο από τον πυρήνα μετακινείται σε μια αναδυόμενη κενή θέση στο

Κ-στρώμα. Το μήκος κύματος των ακτίνων Χ κυμαίνεται από 10 − 7 έως 10 − 11 m. Έτσι, κατά τη διάσπαση βήτα, ο μαζικός αριθμός του πυρήνα διατηρείται και του

η χρέωση αλλάζει κατά ένα. Χρόνοι ημιζωής βήτα ραδιενεργών πυρήνων

βρίσκονται σε ένα ευρύ χρονικό διάστημα από 10 − 2 s έως 2 1015 έτη.

Μέχρι σήμερα, είναι γνωστά περίπου 900 βήτα ραδιενεργά ισότοπα. Από αυτά, μόνο περίπου 20 είναι φυσικά, τα υπόλοιπα λαμβάνονται τεχνητά. Η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των ισοτόπων έχει εμπειρία

β− -σήψη, δηλ. με την εκπομπή ηλεκτρονίων.

Όλοι οι τύποι ραδιενεργής διάσπασης συνοδεύονται από ακτινοβολία γάμμα. Οι ακτίνες γάμμα είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία βραχέων κυμάτων, η οποία δεν είναι ανεξάρτητος τύπος ραδιενέργειας. Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι οι ακτίνες γάμμα εκπέμπονται από έναν θυγατρικό πυρήνα κατά τη διάρκεια των πυρηνικών μεταβάσεων από τις διεγερμένες ενεργειακές καταστάσεις στη γη ή λιγότερο διεγερμένη κατάσταση. Η ενέργεια των ακτίνων γάμμα είναι ίση με τη διαφορά μεταξύ των ενεργειών του αρχικού και του τελικού ενεργειακού επιπέδου του πυρήνα. Το μήκος κύματος των ακτίνων γάμμα δεν υπερβαίνει τα 0,2 νανόμετρα.

Η διαδικασία της ακτινοβολίας γάμμα δεν είναι ένας ανεξάρτητος τύπος ραδιενέργειας, καθώς συμβαίνει χωρίς να αλλάζει το Z και το Am του πυρήνα.

Ερωτήσεις ελέγχου:

1. Τι εννοούμε με τους αριθμούς μάζας και φορτίου στον περιοδικό πίνακα του Mendeleev;

2. Η έννοια των «ισότοπων» και των «ισοβαρών». Ποια είναι η διαφορά μεταξύ αυτών των όρων;

3. Οι πυρηνικές δυνάμεις του πυρήνα και τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά τους.

4. Γιατί η μάζα ενός πυρήνα είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των νουκλεϊδίων που τον αποτελούν;

5. Ποιες ουσίες ονομάζονται ραδιενεργές;

6. Τι χαρακτηρίζει και δείχνει τη σταθερά της ραδιενεργής διάσπασης;

7. Ορίστε τον χρόνο ημιζωής μιας ουσίας.

8. Καταγράψτε τις μονάδες μέτρησης για ογκομετρική, επιφανειακή και ειδική δραστηριότητα.

9. Οι κύριοι τύποι ακτινοβολίας από ραδιενεργούς πυρήνες και οι παράμετροί τους.

Διαφάνεια 11

Η διάσπαση άλφα είναι η εκπομπή σωματιδίων άλφα (πυρήνες ηλίου) από έναν ατομικό πυρήνα στη θεμελιώδη (μη διεγερμένη) κατάσταση.

Κύρια χαρακτηριστικά του χρόνου ημιζωής Τ 1/2, κινητική ενέργεια Τ ακαι τα χιλιόμετρα στην ύλη R αα-σωματίδια στην ύλη.

Βασικές ιδιότητες της διάσπασης άλφα

1. Η διάσπαση άλφα παρατηρείται μόνο σε βαρείς πυρήνες. Είναι γνωστοί περίπου 300 α-ραδιενεργοί πυρήνες

2. Ο χρόνος ημιζωής των α-ενεργών πυρήνων βρίσκεται σε ένα τεράστιο εύρος από

10 17 χρονών ()

και καθορίζεται Νόμος Geiger-Nettall

. (1.32)

για παράδειγμα, για Z=84 σταθερές ΕΝΑ= 128,8 και σι = - 50,15, Τ α– κινητική ενέργεια σωματιδίου α σε Μεβ

3. Οι ενέργειες των α-σωματιδίων των ραδιενεργών πυρήνων περιέχονται μέσα

(Μεβ)

T α min = 1,83 Μεβ (), Ταmax = 11,65 Μεβ(ισομέρεια

4. Παρατηρείται η λεπτή δομή των α-φασμάτων των ραδιενεργών πυρήνων. Αυτά τα φάσματα διακεκριμένος. Στο Σχ. 1.5. Εμφανίζεται ένα διάγραμμα της διάσπασης ενός πυρήνα πλουτωνίου. Το φάσμα των σωματιδίων α αποτελείται από έναν αριθμό μονοενεργειακών γραμμών που αντιστοιχούν σε μεταβάσεις σε διάφορα επίπεδα του θυγατρικού πυρήνα.

6.Χιλιόμετρα σωματιδίων α στον αέρα υπό κανονικές συνθήκες

R α (cm) = 0,31 T α 3/2 Μεβστο (4< Τ α <7 Μεβ) (1.33)

7. Γενικό σχήμα της αντίδρασης α-διάσπασης

όπου είναι ο μητρικός πυρήνας, είναι ο πυρήνας της κόρης

Η ενέργεια δέσμευσης ενός σωματιδίου α στον πυρήνα πρέπει να είναι μικρότερη από το μηδέν για να συμβεί διάσπαση α.

E St α =<0 (1.34)

Ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την α-διάσπαση μιΤο α αποτελείται από την κινητική ενέργεια του σωματιδίου α Τα και κινητική ενέργεια του θυγατρικού πυρήνα T i

Ε α =| E St α | = T α +T i (1,35)

Η κινητική ενέργεια ενός σωματιδίου α είναι περισσότερο από το 98% της συνολικής ενέργειας της διάσπασης α

Τύποι και ιδιότητες της βήτα αποσύνθεσης

Διαφάνεια beta decay 12

Η διάσπαση βήτα ενός πυρήνα είναι η διαδικασία της αυθόρμητης μετατροπής ενός ασταθούς πυρήνα σε ισόβαρο πυρήνα ως αποτέλεσμα της εκπομπής ενός ηλεκτρονίου (ποζιτρονίου) ή της σύλληψης ενός ηλεκτρονίου. Είναι γνωστοί περίπου 900 βήτα ραδιενεργοί πυρήνες.

Στην ηλεκτρονική β - διάσπαση, ένα από τα νετρόνια του πυρήνα μετατρέπεται σε πρωτόνιο με την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου και ενός ηλεκτρονίου αντινετρίνο.

ελεύθερη διάσπαση νετρονίων , Τ 1/2 =10,7 ελάχ;

διάσπαση τριτίου , T 1/2 = 12 χρόνια .

Στο διάσπαση ποζιτρονίων β+ένα από τα πρωτόνια του πυρήνα μετατρέπεται σε νετρόνιο με την εκπομπή ενός θετικά φορτισμένου ηλεκτρονίου (ποζιτρόνιο) και ενός νετρίνου ηλεκτρονίου

Οταν ηλεκτρονική σύλληψηο πυρήνας συλλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρονιακό κέλυφος (συνήθως το κέλυφος Κ) του δικού του ατόμου.

Η ενέργεια της β - διάσπασης βρίσκεται στην περιοχή

()0,02 Μεβ < Е β < 13,4 Μεβ ().

Φάσμα εκπεμπόμενων σωματιδίων β συνεχήςαπό το μηδέν στη μέγιστη τιμή. Τύποι υπολογισμού μέγιστη ενέργεια βήτα διασπάσεων:

, (1.42)

, (1.43)

. (1.44)

όπου είναι η μάζα του μητρικού πυρήνα, είναι η μάζα του θυγατρικού πυρήνα. m e-μάζα ηλεκτρονίων.

Ημιζωή Τ 1/2σχετίζεται με την πιθανότητα σχέση αποσύνθεσης βήτα

Η πιθανότητα αποσύνθεσης βήτα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ενέργεια διάσπασης βήτα ( ~ Ε β 5 στο Ε β >> μ ε γ 2) επομένως ο χρόνος ημιζωής Τ 1/2ποικίλλει ευρέως

10 -2 δευτ< Τ 1/2< 2 10 15 лет

Η αποσύνθεση βήτα εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της ασθενούς αλληλεπίδρασης, μιας από τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις.

Ραδιενεργές οικογένειες (σειρά) Διαφάνεια 13

Νόμοι της πυρηνικής μετατόπισης κατά τη διάσπαση α ( Α→Α – 4 ; Ζ→Ζ- 2) κατά τη διάρκεια της β-αποσύνθεσης ( Α→Α; Ζ→Ζ+1).Εφόσον ο μαζικός αριθμός ΕΝΑκατά την α-διάσπαση αλλάζει σε 4, και κατά τη διάρκεια της β-διάσπασης ΕΝΑδεν αλλάζει, τότε τα μέλη διαφορετικών ραδιενεργών οικογενειών δεν «μπερδεύονται» μεταξύ τους. Σχηματίζουν ξεχωριστές ραδιενεργές σειρές (αλυσίδες πυρήνων), οι οποίες τελειώνουν με τα σταθερά ισότοπά τους.

Οι μαζικοί αριθμοί των μελών κάθε οικογένειας ραδιενεργών χαρακτηρίζονται από τον τύπο

a=0 για την οικογένεια θορίου, ένα=1 για την οικογένεια της νεπτουνίας, ένα=2 για την οικογένεια ουρανίου, ένα=3 για την οικογένεια ακτινοουρανίου. n- ένας ακέραιος αριθμός. βλέπε πίνακα 1.2

Πίνακας 1.2

Από μια σύγκριση του χρόνου ημιζωής των προγόνων των οικογενειών με τη γεωλογική διάρκεια ζωής της Γης (4,5 δισεκατομμύρια χρόνια), είναι σαφές ότι σχεδόν όλο το θόριο-232 διατηρήθηκε στην ουσία της Γης, το ουράνιο-238 που διασπάστηκε από περίπου το μισό, ουράνιο-235 ως επί το πλείστον, και σχεδόν όλο το ποσειδώνιο-237.

Οι χρόνοι ημιζωής των γνωστών α-ραδιενεργών πυρήνων ποικίλλουν ευρέως. Έτσι, το ισότοπο βολφραμίου 182 W έχει χρόνο ημιζωής T 1/2 > 8,3·10 18 χρόνια, και το ισότοπο πρωτακτινίου 219 Pa έχει T 1/2 = 5,3·10 -8 s.

Ρύζι. 2.1. Εξάρτηση του χρόνου ημιζωής ενός ραδιενεργού στοιχείου από την κινητική ενέργεια ενός σωματιδίου α ενός φυσικά ραδιενεργού στοιχείου. Η διακεκομμένη γραμμή είναι ο νόμος Geiger-Nattal.

Για άρτια ισότοπα, η εξάρτηση του χρόνου ημιζωής από την ενέργεια α-διάσπασης Q α περιγράφεται εμπειρικά Νόμος Geiger-Nettall

όπου Z είναι το φορτίο του τελικού πυρήνα, ο χρόνος ημιζωής T 1/2 εκφράζεται σε δευτερόλεπτα και η ενέργεια του α-σωματιδίου Ε α είναι σε MeV. Στο Σχ. Το Σχήμα 2.1 δείχνει τις πειραματικές τιμές των χρόνων ημιζωής για α-ραδιενεργά άρτια ισότοπα (Ζ ποικίλλει από 74 έως 106) και την περιγραφή τους χρησιμοποιώντας τη σχέση (2.3).
Για περιττούς-ζυγούς, άρτιους-περιττούς και περιττούς πυρήνες η γενική τάση της εξάρτησης
Το log T 1/2 του Q α διατηρείται, αλλά οι χρόνοι ημιζωής είναι 2–100 φορές μεγαλύτεροι από ό,τι για άρτιους πυρήνες με τα ίδια Z και Q α.
Για να συμβεί διάσπαση α, είναι απαραίτητο η μάζα του αρχικού πυρήνα M(A,Z) να είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα των μαζών του τελικού πυρήνα M(A-4, Z-2) και του σωματιδίου α. Μ α:

όπου Q α = c 2 είναι η ενέργεια α-διάσπασης.
Αφού ο Μ α<< M(A-4, Z-2), το κύριο μέρος της ενέργειας α-διάσπασης παρασύρεται από το α ‑ σωματίδιο και μόνο ≈ 2% - ο τελικός πυρήνας (Α-4, Ζ-2).
Τα ενεργειακά φάσματα των α-σωματιδίων πολλών ραδιενεργών στοιχείων αποτελούνται από πολλές γραμμές (λεπτή δομή των φασμάτων α). Ο λόγος για την εμφάνιση της λεπτής δομής του φάσματος α είναι η διάσπαση του αρχικού πυρήνα (Α, Ζ) στη διεγερμένη κατάσταση του πυρήνα (Α-4, Ζ-2). Με τη μέτρηση των φασμάτων των σωματιδίων άλφα μπορεί κανείς να λάβει πληροφορίες για τη φύση των διεγερμένων καταστάσεων
πυρήνες (Α-4, Ζ-2).
Για τον προσδιορισμό του εύρους τιμών των πυρήνων Α και Ζ για τους οποίους η α-διάσπαση είναι ενεργειακά δυνατή, χρησιμοποιούνται πειραματικά δεδομένα σχετικά με τις ενέργειες δέσμευσης των πυρήνων. Η εξάρτηση της ενέργειας α-διάσπασης Q α από τον αριθμό μάζας Α φαίνεται στο Σχ. 2.2.
Από το Σχ. 2.2 είναι σαφές ότι η διάσπαση α γίνεται ενεργειακά δυνατή ξεκινώντας από το A ≈ 140. Στις περιοχές A = 140–150 και A ≈ 210, η τιμή του Q α έχει διακριτά μέγιστα, τα οποία οφείλονται στη δομή του κελύφους του πυρήνα. Το μέγιστο στο A = 140–150 σχετίζεται με το γέμισμα του κελύφους των νετρονίων με τον μαγικό αριθμό N = A – Z = 82, και το μέγιστο στο A ≈ 210 σχετίζεται με το γέμισμα του κελύφους του πρωτονίου στο Z = 82. Λόγω της δομής του κελύφους του ατομικού πυρήνα, η πρώτη περιοχή (σπανίων γαιών) των α-ενεργών πυρήνων αρχίζει με N = 82, και οι βαρείς α-ραδιενεργοί πυρήνες γίνονται ιδιαίτερα πολυάριθμοι ξεκινώντας από το Z = 82.

Ρύζι. 2.2. Εξάρτηση της ενέργειας α-διάσπασης από τον αριθμό μάζας Α.

Το ευρύ φάσμα των χρόνων ημιζωής, καθώς και οι μεγάλες τιμές αυτών των περιόδων για πολλούς α-ραδιενεργούς πυρήνες, εξηγούνται από το γεγονός ότι ένα σωματίδιο α δεν μπορεί να φύγει "στιγμιαία" από τον πυρήνα, παρά το γεγονός ότι αυτό είναι ενεργειακά ευνοϊκός. Για να φύγει από τον πυρήνα, το σωματίδιο α πρέπει να ξεπεράσει το φράγμα δυναμικού - την περιοχή στο όριο του πυρήνα, που σχηματίζεται λόγω της δυναμικής ενέργειας της ηλεκτροστατικής απώθησης του σωματιδίου α και του τελικού πυρήνα και των ελκτικών δυνάμεων μεταξύ νουκλεόνια. Από την άποψη της κλασικής φυσικής, ένα σωματίδιο άλφα δεν μπορεί να ξεπεράσει ένα δυναμικό εμπόδιο, αφού δεν έχει την κινητική ενέργεια που απαιτείται για αυτό. Ωστόσο, η κβαντομηχανική επιτρέπει μια τέτοια δυνατότητα − α ‑ το σωματίδιο έχει μια ορισμένη πιθανότητα να περάσει από το φράγμα του δυναμικού και να φύγει από τον πυρήνα. Αυτό το κβαντομηχανικό φαινόμενο ονομάζεται «φαινόμενο τούνελ» ή «σήραγγα». Όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος και το πλάτος του φράγματος, τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα διάνοιξης σήραγγας και ο χρόνος ημιζωής είναι αντίστοιχα μεγαλύτερος. Ευρύ φάσμα ημιζωών
Οι εκπομποί α εξηγούνται από διαφορετικούς συνδυασμούς κινητικών ενεργειών των σωματιδίων α και υψών δυνητικών φραγμών. Αν το φράγμα δεν υπήρχε, τότε το σωματίδιο άλφα θα άφηνε τον πυρήνα πίσω από το χαρακτηριστικό πυρηνικό
χρόνος ≈ 10 -21 – 10 -23 s.
Το απλούστερο μοντέλο α-διάσπασης προτάθηκε το 1928 από τον G. Gamow και, ανεξάρτητα, από τους G. Gurney και E. Condon. Σε αυτό το μοντέλο, υποτέθηκε ότι το σωματίδιο α υπάρχει συνεχώς στον πυρήνα. Ενώ το σωματίδιο άλφα βρίσκεται στον πυρήνα, οι πυρηνικές δυνάμεις έλξης ενεργούν πάνω του. Η ακτίνα της δράσης τους είναι συγκρίσιμη με την ακτίνα του πυρήνα R. Το βάθος του πυρηνικού δυναμικού είναι V 0 . Έξω από την πυρηνική επιφάνεια στο r > R το δυναμικό είναι το απωστικό δυναμικό Coulomb

V(r) = 2Ze 2 /r.

Ρύζι. 2.3. Ενέργειες των α-σωματιδίων Ε α ανάλογα με τον αριθμό των νετρονίων N
στον αρχικό πυρήνα. Οι γραμμές συνδέουν ισότοπα του ίδιου χημικού στοιχείου.

Ένα απλοποιημένο διάγραμμα της συνδυασμένης δράσης του πυρηνικού ελκυστικού δυναμικού και του απωστικού δυναμικού Coulomb φαίνεται στο Σχήμα 2.4. Για να φύγει από τον πυρήνα, ένα σωματίδιο α με ενέργεια E α πρέπει να περάσει μέσα από ένα φράγμα δυναμικού που περιέχεται στην περιοχή από το R έως το Rc. Η πιθανότητα διάσπασης α καθορίζεται κυρίως από την πιθανότητα D ενός σωματιδίου α να περάσει από ένα φράγμα δυναμικού

Στο πλαίσιο αυτού του μοντέλου, ήταν δυνατό να εξηγηθεί η ισχυρή εξάρτηση της πιθανότητας α ‑ διάσπαση από την ενέργεια του σωματιδίου α.

Ρύζι. 2.4. Δυνητική ενέργεια ενός σωματιδίου α. Δυνητικό εμπόδιο.

Για να υπολογιστεί η σταθερά διάσπασης λ, είναι απαραίτητο να πολλαπλασιαστεί ο συντελεστής διέλευσης ενός σωματιδίου α μέσω του φραγμού δυναμικού, πρώτον, με την πιθανότητα w α ότι το σωματίδιο α σχηματίστηκε στον πυρήνα και, δεύτερον, με την πιθανότητα ότι θα βρίσκεται στο όριο του πυρήνα. Εάν ένα σωματίδιο άλφα σε έναν πυρήνα ακτίνας R έχει ταχύτητα v, τότε θα πλησιάσει το όριο κατά μέσο όρο ≈ v/2R φορές ανά δευτερόλεπτο. Ως αποτέλεσμα, για τη σταθερά διάσπασης λ λαμβάνουμε τη σχέση

(2.6)

Η ταχύτητα ενός σωματιδίου α στον πυρήνα μπορεί να υπολογιστεί με βάση την κινητική του ενέργεια E α + V 0 μέσα στο φρεάτιο πυρηνικού δυναμικού, που δίνει v ≈ (0,1-0,2) s. Ήδη από αυτό προκύπτει ότι εάν υπάρχει ένα σωματίδιο άλφα στον πυρήνα, η πιθανότητα να περάσει από το φράγμα D<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
Η τραχύτητα της εκτίμησης του προεκθετικού παράγοντα δεν είναι πολύ σημαντική, επειδή η σταθερά διάσπασης εξαρτάται από αυτόν ασύγκριτα λιγότερο από τον εκθέτη.
Από τον τύπο (2.6) προκύπτει ότι ο χρόνος ημιζωής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ακτίνα του πυρήνα R, αφού η ακτίνα R περιλαμβάνεται όχι μόνο στον προεκθετικό παράγοντα, αλλά και στον εκθέτη, ως όριο ολοκλήρωσης. Επομένως, από τα δεδομένα α-διάσπασης είναι δυνατό να προσδιοριστούν οι ακτίνες των ατομικών πυρήνων. Οι ακτίνες που λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο αποδεικνύονται 20-30% μεγαλύτερες από αυτές που βρέθηκαν σε πειράματα σκέδασης ηλεκτρονίων. Αυτή η διαφορά οφείλεται στο γεγονός ότι σε πειράματα με γρήγορα ηλεκτρόνια μετράται η ακτίνα της κατανομής ηλεκτρικού φορτίου στον πυρήνα και στην α-διάσπαση μετράται η απόσταση μεταξύ του πυρήνα και του α-σωματιδίου, στην οποία οι πυρηνικές δυνάμεις παύουν να υποκρίνομαι.
Η παρουσία της σταθεράς του Planck στον εκθέτη (2.6) εξηγεί την ισχυρή εξάρτηση του χρόνου ημιζωής από την ενέργεια. Ακόμη και μια μικρή αλλαγή στην ενέργεια οδηγεί σε σημαντική αλλαγή του εκθέτη και επομένως σε πολύ απότομη αλλαγή στον χρόνο ημιζωής. Επομένως, οι ενέργειες των εκπεμπόμενων σωματιδίων α είναι πολύ περιορισμένες. Για τους βαρείς πυρήνες, τα σωματίδια α με ενέργειες πάνω από 9 MeV πετούν έξω σχεδόν αμέσως, και με ενέργειες κάτω από 4 MeV ζουν στον πυρήνα για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα που η α-διάσπαση δεν μπορεί καν να ανιχνευθεί. Για τους α-ραδιενεργούς πυρήνες σπανίων γαιών, και οι δύο ενέργειες μειώνονται με τη μείωση της ακτίνας του πυρήνα και του ύψους του φραγμού δυναμικού.
Στο Σχ. Το σχήμα 2.5 δείχνει την εξάρτηση της ενέργειας α-διάσπασης των ισοτόπων Hf (Z = 72) από τον αριθμό μάζας A στο εύρος των μαζικών αριθμών A = 156–185. Ο Πίνακας 2.1 δείχνει τις ενέργειες διάσπασης α, τους χρόνους ημιζωής και τα κύρια κανάλια διάσπασης των ισοτόπων 156–185 Hf. Μπορεί να φανεί πώς, καθώς αυξάνεται ο αριθμός μάζας Α, η ενέργεια διάσπασης α μειώνεται, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της πιθανότητας α-διάσπασης και αύξηση της πιθανότητας β-διάσπασης (Πίνακας 2.1). Το ισότοπο 174 Hf, όντας σταθερό ισότοπο (στο φυσικό μείγμα ισοτόπων είναι 0,16%), παρόλα αυτά διασπάται με χρόνο ημιζωής Τ 1/2 = 2·10 15 χρόνια με την εκπομπή ενός σωματιδίου α.

Ρύζι. 2.5. Εξάρτηση της ενέργειας α-διάσπασης Q α των ισοτόπων Hf (Z = 72)
από τον αριθμό μάζας Α.

Πίνακας 2.1

Εξάρτηση της ενέργειας α-διάσπασης Q α, χρόνος ημιζωής T 1/2,
διαφορετικούς τρόπους διάσπασης των ισοτόπων H f (Z = 72) ανάλογα με τον αριθμό μάζας ΕΝΑ

Τα ισότοπα Hf με A = 176–180 είναι σταθερά ισότοπα. Αυτά τα ισότοπα έχουν επίσης θετική ενέργεια διάσπασης α. Ωστόσο, η ενέργεια α-διάσπασης ~1,3–2,2 MeV είναι πολύ χαμηλή και η α-διάσπαση αυτών των ισοτόπων δεν ανιχνεύθηκε, παρά τη μη μηδενική πιθανότητα α-διάσπασης. Με περαιτέρω αύξηση του αριθμού μάζας Α > 180, η β - διάσπαση γίνεται το κυρίαρχο κανάλι διάσπασης.
Κατά τη διάρκεια ραδιενεργών διασπάσεων, ο τελικός πυρήνας μπορεί να καταλήξει όχι μόνο στη βασική κατάσταση, αλλά και σε μία από τις διεγερμένες καταστάσεις. Ωστόσο, η ισχυρή εξάρτηση της πιθανότητας διάσπασης α από την ενέργεια του σωματιδίου α οδηγεί στο γεγονός ότι οι διασπάσεις σε διεγερμένα επίπεδα του τελικού πυρήνα συμβαίνουν συνήθως με πολύ χαμηλή ένταση, επειδή όταν ο τελικός πυρήνας διεγείρεται, η ενέργεια του σωματιδίου α μειώνεται. Επομένως, μόνο διασπάσεις σε περιστροφικά επίπεδα με σχετικά χαμηλές ενέργειες διέγερσης μπορούν να παρατηρηθούν πειραματικά. Οι διασπάσεις σε διεγερμένα επίπεδα του τελικού πυρήνα οδηγούν στην εμφάνιση μιας λεπτής δομής στο ενεργειακό φάσμα των εκπεμπόμενων σωματιδίων α.
Ο κύριος παράγοντας που καθορίζει τις ιδιότητες της διάσπασης α είναι η διέλευση των σωματιδίων α μέσα από ένα φράγμα δυναμικού. Άλλοι παράγοντες εκδηλώνονται σχετικά αδύναμα, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις καθιστούν δυνατή τη λήψη πρόσθετων πληροφοριών σχετικά με τη δομή του πυρήνα και τον μηχανισμό α-διάσπασης του πυρήνα. Ένας από αυτούς τους παράγοντες είναι η εμφάνιση ενός κβαντομηχανικού φυγοκεντρικού φραγμού. Εάν ένα σωματίδιο α εκπέμπεται από έναν πυρήνα (A,Z) με spin Ji, και σχηματίζεται ένας πεπερασμένος πυρήνας
(A-4, Z-2) σε κατάσταση με σπιν J f, τότε το σωματίδιο α πρέπει να απομακρύνει τη συνολική ορμή J, που καθορίζεται από τη σχέση

Εφόσον το σωματίδιο α έχει μηδενικό σπιν, η συνολική του γωνιακή ορμή J συμπίπτει με την τροχιακή γωνιακή ορμή l που μεταφέρεται από το α-σωματίδιο

Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται ένα κβαντομηχανικό φυγόκεντρο φράγμα.

Η αλλαγή στο σχήμα του φραγμού δυναμικού λόγω της φυγόκεντρης ενέργειας είναι ασήμαντη, κυρίως λόγω του γεγονότος ότι η φυγόκεντρος ενέργεια μειώνεται με την απόσταση πολύ πιο γρήγορα από την ενέργεια Coulomb (ως 1/r 2, και όχι ως 1/r). Ωστόσο, δεδομένου ότι αυτή η αλλαγή διαιρείται με τη σταθερά του Planck και εμπίπτει στον εκθέτη, τότε σε μεγάλο βαθμό l, οδηγεί σε αλλαγή στη διάρκεια ζωής του πυρήνα.
Ο πίνακας 2.2 δείχνει την υπολογιζόμενη διαπερατότητα του φυγόκεντρου φραγμού B l για α-σωματίδια που εκπέμπονται με τροχιακή ορμή l σε σχέση με τη διαπερατότητα του φυγόκεντρου φραγμού B 0 για α-σωματίδια που εκπέμπονται με τροχιακή ορμή l = 0 για πυρήνα με Z = 90, ενέργεια α-σωματιδίου Ε α = 4,5 MeV. Μπορεί να φανεί ότι με την αύξηση της τροχιακής ορμής l που παρασύρεται από το σωματίδιο α, η διαπερατότητα του κβαντομηχανικού φυγοκεντρικού φραγμού πέφτει απότομα.

Πίνακας 2.2

Σχετική διαπερατότητα του φυγοκεντρικού φραγμού γιαα - σωματίδια,
που αναχωρεί με τροχιακή ορμή l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)

Ένας πιο σημαντικός παράγοντας που μπορεί να ανακατανείμει δραματικά τις πιθανότητες διάφορων κλάδων α-διάσπασης μπορεί να είναι η ανάγκη για σημαντική αναδιάρθρωση της εσωτερικής δομής του πυρήνα κατά την εκπομπή ενός σωματιδίου α. Εάν ο αρχικός πυρήνας είναι σφαιρικός και η θεμελιώδης κατάσταση του τελικού πυρήνα είναι έντονα παραμορφωμένη, τότε για να εξελιχθεί στη θεμελιώδη κατάσταση του τελικού πυρήνα, ο αρχικός πυρήνας πρέπει να αναδιαταχθεί κατά τη διαδικασία εκπομπής ενός σωματιδίου άλφα, μεταβάλλοντας σημαντικά το σχήμα του. Μια τέτοια αλλαγή στο σχήμα του πυρήνα συνήθως περιλαμβάνει μεγάλο αριθμό νουκλεονίων και ένα σύστημα με λίγα νουκλεόνια όπως α ‑ ένα σωματίδιο που φεύγει από τον πυρήνα μπορεί να μην είναι σε θέση να το παρέχει. Αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα σχηματισμού του τελικού πυρήνα στη βασική κατάσταση θα είναι αμελητέα. Εάν μεταξύ των διεγερμένων καταστάσεων του τελικού πυρήνα υπάρχει μια κατάσταση κοντά στη σφαιρική, τότε ο αρχικός πυρήνας μπορεί, χωρίς σημαντική αναδιάταξη, να μεταβεί σε αυτόν ως αποτέλεσμα του α ‑ αποσύνθεση Η πιθανότητα πληθυσμού ενός τέτοιου επιπέδου μπορεί να αποδειχθεί μεγάλη, υπερβαίνοντας σημαντικά την πιθανότητα πληθυσμού χαμηλότερων πολιτειών, συμπεριλαμβανομένης της βασικής κατάστασης.
Από τα διαγράμματα α-διάσπασης των ισοτόπων 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra, ισχυρές εξαρτήσεις της πιθανότητας διάσπασης α σε διεγερμένες καταστάσεις από την ενέργεια του σωματιδίου α και από την τροχιακή ορμή l μεταφέρονται από το α-σωματίδιο είναι ορατό.
Η διάσπαση α μπορεί επίσης να συμβεί από διεγερμένες καταστάσεις των ατομικών πυρήνων. Για παράδειγμα, οι Πίνακες 2.3 και 2.4 δείχνουν τους τρόπους διάσπασης του εδάφους και τις ισομερείς καταστάσεις των ισοτόπων 151 Ho και 149 Tb.

Πίνακας 2.3

α-διασπάσεις του εδάφους και ισομερείς καταστάσεις 151 Ho

Πίνακας 2.4

α-διασπάσεις του εδάφους και ισομερείς καταστάσεις 149 Tb

Στο Σχ. Το σχήμα 2.6 δείχνει τα ενεργειακά διαγράμματα της διάσπασης του εδάφους και τις ισομερείς καταστάσεις των ισοτόπων 149 Tb και 151 Ho.

Ρύζι. 2.6 Ενεργειακά διαγράμματα διάσπασης του εδάφους και ισομερείς καταστάσεις των ισοτόπων 149 Tb και 151 Ho.

Η α-διάσπαση από την ισομερή κατάσταση του ισοτόπου 151 Ho (J P = (1/2) +, E ισομερές = 40 keV) είναι πιο πιθανή (80%) από την e-σύλληψη σε αυτήν την ισομερή κατάσταση. Ταυτόχρονα, η θεμελιώδης κατάσταση του 151 Ho διασπάται κυρίως ως αποτέλεσμα της ηλεκτρονικής σύλληψης (78%).
Στο ισότοπο των 149 Tb, η διάσπαση της ισομερούς κατάστασης (J P = (11/2) - , E ισομερές = 35,8 keV) συμβαίνει στη συντριπτική περίπτωση ως αποτέλεσμα της ηλεκτρονικής σύλληψης. Τα παρατηρούμενα χαρακτηριστικά της διάσπασης του εδάφους και των ισομερών καταστάσεων εξηγούνται από το μέγεθος της ενέργειας της α-διάσπασης και της e-σύλληψης και την τροχιακή γωνιακή ορμή που μεταφέρεται από το α-σωματίδιο ή το νετρίνο.