Закон радыеактыўнага распаду Альфа-распад




Дата канвертавання09.03.2017
Памер445 b.


Л.19. Радыеактыўнасць

  • Змест:

  • 1. Радыеактыўнасць

  • 2. Закон радыеактыўнага

  • распаду

  • 3. Альфа-распад

  • 4. Бэта-распад

  • 5. Гама-выпраменьванне

  • 6. Правілы зрушэння


Радыеактыўнасць

  • Любая сістэма ўстойлівая, калі яе энергія мінімальная.

  • Лішак энергіі выклікае ўзбуджэнне, і сістэма імкнецца перайсці ў стан з найменшай энергіяй шляхам распаду ці ператварэння.

  • Ядры для якіх Z < Zуст (маюць лішак нейтронаў) – неўстойлівыя.

  • З’ява распаду атамных ядзер ці іх ператварэнне з вылучэннем адпаведнага выпраменьвання называецца радыеактыўнасцю.



  • Натуральная (прыродная) радыеактыўнасць (самаадвольны распад) адкрыта ў 1896г. фран. фізікам А.Бекерэлем.

  • У выніку эксперыменту ён выявіў, што солі ўрану выпраменьваюць нябачныя прамяні, якія вызываюць пачарненне фотапласцінкі.

  • Пры гэтым высветлілася, што на характар выпраменьвання ўрану не ўплываюць ні тэмпература, ні ціск, ні вільготнасць ні іншыя вонкавыя фактары.

  • Гэта азначае, што атамы ўрану выпраменьваюць самаадвольна (спантанна).



  • Радыеактыўны распад прыводзіць да ўзнікнення новых атамаў, таму што матчынае ядро ператвараецца ў даччынае другога хімічнага элемента.

  • У сувязі з тым, што пры любых ядзерных ператварэннях лік нуклонаў застаецца пастаянным (N = Np + Nn = const), то такі працэс можа адбыцца самаадвольна толькі з адначасовым выпраменьваннем энергіі.



  • Радыеактыўнасць ядзер, што існуе ў прыродзе называецца натуральнай, а атрыманая ў выніку эксперыментальных ядзерных рэакцый – штучнай.

  • Да ліку радыеактыўных працэсаў адносяцца: -распад, -распад, -выпраменьванне, дзяленне цяжкіх ядзер, нейтронная радыеактыўнасць.



  • Неабходнай, але недастковай умовай распаду атамнага ядра з’яўляецца яго энергетычная выгаднасць – маса зыходнага (мацярынскага) ядра павінна перавышаць суму мас спакою прадуктаў распаду



Даследчыкі натуральнай і штучнай радыеактыўнасці

  • М.Складоўская-Кюры

  • (1867-1934)

  • П.Кюры

  • (1859-1906)

  • І.Жоліо-Кюры Ф.Жоліо-Кюры

  • (1897-1956) (1900-1958)



  • Прычынай самаадвольнага распаду атамных ядзер з’яўляецца павелічэнне адноснага ліку нейтронаў Nn у ядры з павелічэннем масавага ліку А.

  • У лёгкіх ядрах лік нейтронаў складае ~ 50%, у цяжкіх – дасягае ~ 62%.

  • Напрыклад, (4/7) ~ 57%, (143/235) ~ 61%.

  • Пры гэтым дадатная электрычная энергія (адштурхванне) паміж пратонамі ўзрастае, кулонаўскія сілы (R=) перабольшваюць ядзерныя (R10-15м) – ядро самаадвольна распадаецца.



  • Натуральная радыеактыўнасць характэрна для ўсіх ядраў, размешчаных пасля ізатопу свінцу-82, які з’ўляецца самым цяжкім з устойлівых ядзер.

  • Назіраецца і для лёгкіх ядзер К(19/40), С(6/14), Rb(37/87) і інш.

  • Натуральныя радыеактыўныя элементы змяшчаюцца ў горных пародах , у глебе, вадзе і паветры.

  • Напрыклад, 1т граніту ўтрымлівае ў сярэднім 10г торыю, 5г урану і 1,3мг радыю.



  • Радыеактыўнасць атмасфернага паветра выклікана тым, што ў атмасферы прысутнічаюць радыеактыўныя газы і аэразолі, якія існуюць у прыродзе і ўзнікаюць ў выніку дзейнасці чалавека.

  • Натуральныя радыеактыўныя газы з’яўляюцца ізатопамі радону: Rn-222 – радон, Rn-220 – тарон, Rn-219 – акцінон, якія ўтвараюцца з прычыны распаду U-238, Th-232 i U-235.



  • У атмасферу радыеактыўныя газы паступаюць з паветрам, што вылучаецца з глебы.

  • Колькасць радону ў атмасферным паветры вызначаецца колькасцю радыю ў глебе і умовамі выхаду радону з глебы.

  • У 1г глебы ўтрымоўваецца ад 3.10-13 да 6.10-12г радыю Ra-226.



  • Выпраменьванне прыродных радыенуклідаў разам з касмічным складае прыродны радыеактыўны фон.

  • Сярэдняя гадавая эфектыўная доза натуральнага фону складаеца са знешняга апраменьвання – 0,8 мЗв і унутранага – 1,6 мЗв, што ў суме – 2,4 мЗв.

  • Фон у драўляных дамах – 0,5 мЗв/год, у цагляных і жалезабетонных – ад 1 да 1,7 мЗв/год.



  • Радыеактыўны распад не залежыць ад тэмпературы, ціску, вільготнасці і іншых фізічных фактараў, а таксама хімічных рэакцый.

  • Прычына гэтага ў тым, што з’ява радыеактыўнасці вызначаецца ўнутрыядзернымі працэсамі, а не атамнымі - змяненнем электроннай абалонкі.

  • Тэмпература радыеактыўных рэчываў заўсёды вышэйшая за тэмпературу навакольнага асяроддзя – ідзе выпраменьванне энергіі.

  • Радыеактыўнае выпраменьванне валодае вялікай пранікальнай здольнасцю.



Закон радыеактыўнага распаду

  • Радыеактыўны распад – з’ява статыстычная, носіць імаверны характар.

  • Для асобнага ядра можна ўказаць толькі імавернасць распаду, а не калі яно распадзецца.

  • Закон радыеактыўнага распаду ў дыферэнцыяльнай форме:

  • лік ядзер dN, што распадаюцца за час dt, прапарцыйны часу і агульнаму ліку ядзер N.



  •  - каэфіцыент прапарцыйнасці – пастаянная радыеактыўнага распаду:

  • Пастаянная распаду  вызначае імавернасць распаду ядра dN/N за адзінку часу.

  • Знак “-” указвае на памяншэнне ліку ядзер N, што не распаліся з часам.

  • Распад ядра – выпадковая падзея, усе моманты часу для распаду з’яўляюцца эквівалентнымі.

  • Таму ўласцівасці радыеактыўных ядзер з часам не змяняюцца, “ядры не старэюць”, г.зн. не маюць прыроднага ўзросту.



  • І так,

  • Калі ў гэтай роўнасці раздзяліць пераменныя і правесці інтэграванне, то атрымаем:

  • - гэта выраз закону радыеактыўнага распаду ў інтэгральнай форме.

  • N0 – лік ядзер у пачатковы момант часу t = 0;

  • N – лік ядзер, што не распаліся на працягу часу t.





  • Час на працягу якога лік радыеактыўных ядзер памяншаецца ўдвая (N=N0/2) называецца перыядам паўраспаду Т.

  • Пры t = T велічыня e-T =1/2, таму

  • Велічыня адваротная пастаяннай радыеактыўнага распаду называецца часам жыцця радыенукліда  = 1/ .

  • Час жыцця – гэта час, за які лік радыенуклідаў памяншаецца ў е  2,72 раза (каля 62%).



  • Перыяды паўраспаду розных радыенуклідаў змяняюцца ў вельмі шырокіх межах – ад 10-7с да 1015 год.



  • Характарыстыкай інтэнсіўнасці радыеактыўнага выпраменьвання з’яўляецца актыўнасць:

  • Актыўнасць памяншаецца з часам па экспаненцыйнаму закону

  • Актыўнасць залежыць не толькі ад уласцівасцей радыенуклідаў (), але і ад іх колькасці N.



  • За адзінку актыўнасці прыняты бекерэль (Бк), які роўны аднаму распаду ў секунду (1 Бк = 1 распад/с).

  • Пазасістэмная адзінка актыўнасці кюры - 1 Кы = 3,7.1010Бк , што адпавядае актыўнасці 1 г чыстага радыю .

  • Работа з прэпаратам, актыўнасць якога

  • А < 400 Бк, не патрабуе мер засцярогі;

  • пры А > 103 Бк ужо неабходна адпаведная ахова;

  • пры А > 107 Бк – асобыя меры засцярогі.



-распад

  • Альфа-распад – самаадвольнае ператварэнне цяжкага ядра з адначасовым выпраменьваннем альфа-часціцы.

  • Альфа-часціца – ядро атама гелію, складаецца з двух пратонаў і двух нейтронаў, валодае зарадам +2е.

  • Схема альфа-распаду :

  • Х і Y – хімічныя сімвалы матчынага і даччынага ядзер.

  • Зарадавы лік Z даччынага ядра памяншаецца на 2 адзінкі, масавы лік A – на 4 адзінкі.



  • Прыклад альфа-распаду:

  • Пачатковая скорасць альфа-часціцы прыблізна 107 м/с, кінетычная энергія ляжыць ў межах ад 4 да 9 МэВ.



  • -часціца сваім электрычным полем іанізуе атамы асяроддзя, губляе пры гэтым энергію і пры Е = kТ захоплівае два электрона і ператвараецца ў атам гелію.

  • Шлях, які праходзіць альфа-часціца да моманту ператварэння яе ў атам гелію, называецца прабегам.

  • Даўжыня прабегу альфа-часціц сярэдніх хуткасцей R ~ 3.

  • Для хуткіх часціц прабег прапарцыйны R ~ 4.



  • У выніку моцнага ўзаемадзеяння з асяроддзем прабег альфа-часціц невялікі:

  • у паветры пры нармальным ціску ён складае (39) см,

  • у вадкасцях – 10-2см,

  • у цвёрдых целах – 10-4см.

  • Альфа часціцы валодаюць невялікай пранікальнай здольнасцю – поўнасцю паглынаюцца звычайным аркушам паперы, слоем алюмінію ~ 0,06мм, слоем біялагічнай тканкі ~ 0,12мм.



  • -часціца не існуе ўнутры ядра – узнікае ў момант яго распаду, як фатон пры выпраменьванні атама.

  • Доследы паказалі, што чым меншы перыяд паўраспаду ядра Т, тым больш хуткія -часціцы выпускае радыенуклід.



  • Згодна тэорыі Дж.Гамава (амер.фіз.,1928г) -распад – прасочванне альфа-часціцы праз патэнцыяльны бар’ер з далейшым яе кулонаўскім адштурхваннем ад даччынага ядра.

  • Крывая залежнасць U=f(r).

  • Вышыня барьера

  • роўная 9 МэВ.



  • Вонкавы бок барьера, які асімптатычна спадае да нуля, абумоўлены кулонаўскім адштурхваннем альфа-часціцы і даччынага ядра.

  • Унутраны бок барьера вызначаецца ядзернымі сіламі прыцяжэння.

  • Патэнцыяльная энергія

  • ўзаемадзеяння

  • альфа-часціцы

  • і даччынага ядра

  • адмоўная.



  • Пры вылеце з ядра альфа-часціца валодае энергіяй ~ 6 МэВ, якой не хапае, каб пераадолець патэнцыяльны бар’ер вышынёй 9 МэВ.

  • Аднак згодна квантавай механіцы альфа-часціца валодае адметнай ад нуля імавернасцю прасочвання праз бар’ер – узнікае тунэльны пераход (тунэльны эфект).



  • Імавернасць праходу залежыць ад шырыні бар’ера.

  • На узроўні 1 яна будзе меншай, чым на ўзроўні 2.

  • Скорасць часціцы пасля прасочвання праз бар’ер у пункце а будзе меншая, чым у пункце b.



Бэта-распад

  • Бэта-распад - самаадвольны распад радыенуклідаў пры якім агульная колькасць нуклонаў у ядры не змяняецца.

  • Бэта-распад нельга растлумачыць вылетам электронаў з ядра – іх там няма.

  • -электроны валодаюць

  • энергіяй ад Еmin да Еmax.,

  • а энергія распаду ядра

  • Е заўсёды пастаянная.

  • Калі ж Е=Еmaх, то павінна

  • назірацца парушэнне

  • закону захавання энергіі.



  • У 1931г. В.Паўлі даказаў, што акрамя электронаў пры бэта-распадзе выкідваецца нейтрына ці антынейтрына.

  • Бэта-распад мае не ўнутрыядзернае, а ўнутрынуклоннае паходжанне.

  • Пры -распадзе адбываецца ператварэнне нуклонаў у ядры з адначасовым узнікненнем электрона (пазітрона) і нейтрына (антынейтрына).

  • Гэтыя працэсы адбываюцца толькі пры слабых узаемадзеяннях часціц.



  • Схема электроннага --распаду:

  • Схема пазітроннага +-распаду:

  • Схема электронага захвату:



  • Бэта распад, як і альфа-распад можа суправаджацца гама-выпраменьваннем.

  • Гэта назіраецца ў тым выпадку, калі даччынае ядро аказваецца ва ўзбуджаным стане і пры пераходзе ў стан з меншай энергіяй выпраменьвае -квант.

  • Энергія -часціц ляжыць у межах: ад 0,02МэВ пры распадзе трытыю да 13,4 МэВ пры распадзе ядра бору.



  • У электрычных і магнітных палях -часціцы адхіляюцца мацней, чым -часціцы, але здольнасць іх да іанізацыі ў сотні разоў меншая.

  • Прабег -часціц у газе складае дзесяткі метраў, у вадкасцях – да 15 мм, у цвёрдых целах – некалькі міліметраў.

  • Для аховы ад -прамянёў выкарыстоўваюцца металічныя і пластмасавыя экраны.



Гама-выпраменьванне

  • Гама-выпраменьванне не з’яўляецца самастойным тыпам выпраменьвання.

  •  - выпраменьванне ўзнікае пры - ці -распадах, калі даччынае ядро знаходзіцца ва ўзбуджаным стане (~10-13-10-14с):

  • Пры гама-выпраменьванні структура ядра не змяняецца – зарадавы і масавы лікі застаюцца пастаяннымі.





  • Гама-прамяні – жорсткае электрамагнітнае выпраменьванне, якое не адхіляецца электрычным і магнітным палямі.

  • Гама-выпраменьванне

  • распаўсюджваецца з хуткасцю

  • святла, валодае энергіяй

  • каля 1 МэВ, што адпавядае

  • высокай частаце ~1020Гц і

  • кароткай даўжыні хвалі

  • ~10-12м.



  • У гама-прамянёў вялікая пранікальная здольнасць.

  • Гама-прамяні праходзяць слой свінцу таўшчынёй 5 см, слой паветра ў некалькі сотняў метраў; цела чалавека пранізываюць наскрозь.

  • Інтэнсіўнасць -прамянёў змяняецца па экспаненцыйнаму закону

  • -лінейны каэфіцыент аслаблення.



  • Калі I=(1/2)I0, то x=d1/2 – таўшчыня слоя палавіннага аслаблення.

  • Напрыклад, для гама-выпраменьвання радыенукліда кобальта-60 з энергіяй ~ 1,25 МэВ, т.с.п.а. са свінцу d1/2  8 мм, а з жалеза – ў два разы большая.



Правіла зрушэння

  • Радыеактыўны распад адбываецца ў адпаведнасці з законамі захавання: электрычнага зараду (зарадавых лікаў Z) і масы (масавых лікаў A).

  • Правілы зрушэння дазваляюць вызначыць новы элемент, што ўзнікае ў выніку распаду.

  • 1. Пры -распадзе ўзнікае новы элемент, які ў П.с.х.э. Мендзяляева знаходзіцца на два месцы бліжэй да пачатку табліцы, чым зыходны элемент



  • 2. У выніку электроннага --распаду ўзнікае новы элемент, які ў П.с.х.э. Мендзялеева знаходзіцца на адно месца далей ад пачатку табліцы, чым зыходны элемент.

  • 3. У выніку пазітроннага +-распаду або электроннага захвату ўзнікае новы элемент, які ў П.с.х.э. Мендзялеева размешчаны на адно месца бліжэй да пачатку табліцы, чым зыходны элемент.



  • Як правіла, у выніку альфа ці бэта распаду даччыны элемент сам з’яўляецца радыеактыўным і дае новыя прадукты распаду.

  • Сукупнасць ізатопаў шэрага элементаў, што ўзнікаюць з аднаго матчынага ядра называецца радыеактыўнай сям’ёй.



  • Існуюць чатыры радыеактыўныя сям’і, роданачальнікамі якіх з’яўляюцца ізатопы з вялікім перыядам паўраспаду:

  • уран (Т=4,5.109год),

  • торый (Т=1,4.1010год),

  • уран (Т=7,1.108год) – прыродныя элементы,

  • нептуній (Т=2,1.106 год) - штучны элемент.



  • Формула сям’і:

  • Уран-238 – 4n+2 (4.59+2=238) –

  • Торый-232 – 4n (4.58 = 232) –

  • Уран-235 – 4n+3 (4. 58+3=235) –

  • Нептуній-237 – 4n+1 (4.59+1) –

  • Ператварэнні хімічных элементаў пры альфа ці бэта распадах, якія вызначаюцца правіламі зрушэння, пацверджаны эксперыментам.




База данных защищена авторским правом ©urok.shkola.of.by 2016
звярнуцца да адміністрацыі

    Галоўная старонка