Альфа и Бета распады

При альфа-распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия ⁴₂Н,т.е. альфа-частица является ядроматома гелия. Таким образом, в результате альфа-распада образуется атом элемента, смещенный на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической системы И.Д. Менделеева. Энергия альфа-частиц может быть в пределах 1 – 10 МэВ.Скорость движения альфа – частиц в воздухе 10⁷ м/с.

Бета – распад – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон. Бета – распад характерен для 80 % радиоактивных изотопов. Бета – распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений:

1. Выбрасывание электрона и антинейтрино - ^-b - распад;

2. Выбрасывание позитрона и нейтрино - ⁺b - распад;

3. Поглощение электрона с ближайших к ядру электронных оболочек. При этом заряд ядра поглотителя, как и при ⁺b - распаде, уменьшается на единицу.

Как правило, ^-b - распад происходит с ядрами тяжелых радиоактивных изотопов, у которых имеется избыток нейтронов.

Процесс ⁺b - распад наблюдается в основном для легких радиоактивных изотопов.

Поглощение электрона ядром (орбитальный захват) это тоже процесс присущий легким изотопам, стремящихся к обмену протона на нейтрон.

Как предполагают физики, процесс бета – распад во многом определяется соотношением нейтронов и протонов в ядре атома.

Для равновесия в ядре должно быть определенное сочетание количества протонов и нейтронов. При этом нейтронов для придания устойчивости ядру должно быть больше по мере роста порядкового номера химического элемента. Однако, если имеет место чрезмерный избыток нейтронов, то ядро становится неустойчивым, что вызывает превращение нейтрона в протон. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу больше, а материнское ядро испускает электрон и антинейтрино. Если в ядре избыток протонов по сравнению с нейтронами, то протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу меньше материнского. Приведем примеры таких распадов.

Электронный распад:

40 40

К -------> Са + е^- (электрон) + n(антинейтрино) (1.6)

19 20 (нейтрон ----> протон)

Позитронный распад:

22 22

Nа ------> Nе + е⁺(позитрон) + n(нейтрино) (1.7)

11 10(протон ----> нейтрон)

Энергия бета-частиц изменяется в больших пределах и может достигать 13,5 МэВ. Бета-частицы распространяются в среде со скоростью 0,29 – 0,99 скорости света.

Примечание. Так как массы выбрасываемых электрона, позитрона, нейтрино и антинейтрино крайне малы по сравнению с массой протонов и нейтронов, то массовое число атома можно считать неизменным.

Иногда радиоактивный распад сопровождается выбросом не только бета- или альфа-частиц, но и гамма-квантов.

Гамма-кванты – это электромагнитное излучение с частотой до10²⁰ с^-1, с энергией до 10 МэВ. Это происходит в том случае, если при распаде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, позитрону или альфа частице. Например:

24 24

Nа ------> Мg + b + 2g (1.8.)

11 12

Примечание. Заметим, что как самостоятельный вид гамма-распад не существует.

Радиоактивные превращения ядер могут происходить и при захвате ядром орбитального электрона (К-захват):

64 64

Сu + е^- --------> Ni (1.9.)

29 28

Позитронный распад и К-захват являются конкурирующими процессами, т.е. если возможен позитронный распад, то и К-захват тоже. К-захват характерен для нейтронно дефицитных ядер. Поглотив орбитальный электрон, протон превращается в нейтрон. При этом на освободившееся место на орбите, электрон переходит с более высокого энергетического уровня, а атом испускает характеристическое рентгеновское излучение, по которому обычно и фиксируется К-захват.

Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад) –это самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (уран-238, калифорний-240, 248, 249, 250; кюрий-244, 248 и др.). Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа-распадом. Процесс самопроизвольного деления ядер происходит из-за того, что ядра сами по себе нестабильны. При этом происходит расщепление ядра на два осколка (ядра), близких по массе (рис.1.1.). При самопроизвольном делении имеет место неравентство m_ЯД > m₁ + m_2.

Здесь m_яд - масса ядра, m₁ и m₂ – массы ядер-осколков, образующиеся в результате распада ядра. Кинетическая энергия ядер-осколков во много раз больше энергии альфа частиц. Кроме того, выбрасывается некоторое количество нейтронов, обычно 2 - 3 на акт деления. Другой отличительной особенностью деления является огромное энерговыделение (в миллионы раз больше, чем при сжигании органического топлива). И наконец, продукты деления являются радиоактивными. Ядра-осколки перегружены нейтронами и поэтому испускают нейтроны, бета-частицы и гамма-кванты. То есть, при делении тяжелых ядер появляются различного рода ионизирующие излучения.

 Рис.1.1. Схема одного из вариантов спонтанного деления ядра урана-238

Протонная радиоактивность. Как известно, космическое излучение представляет собой поток протонов (90%), альфа-частиц (9%), остальные – это ядра легких элементов и другие элементарные частицы. Пояснение протонной радиоактивности рассмотрим на примере протекания термоядерных реакций на Солнце.

Как уже отмечалось ранее, протон стабильная частица и является ядром самого распространенного изотопа водорода-протия. Протон участвует во всех процессах взаимодействия элементарных частиц. Солнце содержит много водорода (примерно 50% массы Солнца, остальную часть составляют углерод, азот, кислород). Температура центральной части Солнца находится в пределах 1,2×10⁷К – 1,5×10⁷К. При такой температуре все легкие элементы полностью ионизированы, так что вещество представляет собой плазму – смесь протонов (ядер водорода), электронов, легких ядер (альфа-частицы) и незначительное количество средних и тяжелых ядер. В этих условиях основной источник энергии связан с превращением водорода в гелий. При “низких” температурах около 10⁷К доминируют реакции, при которых происходит непосредственный захват протонов протонами. При температуре около 2×10⁷К основную роль играет реакция, при которой синтез гелия реализуется с помощью ядер углерода и азота. В отличие от первой реакции вторая реакция протекает очень быстро, так как количество ядер тяжелого водорода (²₁Н) в звездах неизмеримо мало. Далее, из всех возможных наиболее вероятна следующая реакция:

3 3 4 1

Не + Не ----------> Не (альфа-частица) + 2 Н(р)

2 2 2 1

Энергия альфа-частицы = 12,8 МэВ. Известно, что при температурах 2×10⁷К превращение протона в альфа частицу (гелий) идет с помощью ядер-катализаторов – углерода и азота. Термоядерные реакции возможны и в земных условиях и реализованы в термоядерных боеприпасах, которые рассматриваются в отдельной теме.