Альфа-распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием α-частицы

b-лучи - поток электронов движущихся с огромными скоростями близкими к скорости света, энергии которых принимают всевозможные значения от величины близкой к нулю до 1,3 МэВ.

Природа бета лучей была установлена раньше всех – в 1899 году. По их отклонению в электрическом и магнитных полях был измерен удельный заряд. Оказалось, что он такой же как у электрона.

Ядра, содержащие избыточное число нейтронов, уменьшают их число в результате бета-распада.

Бета(минус)- распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием электрона и антинейтрино.

g-лучи — электромагнитные волны с очень малой длиной волны (10-10-10-13 м)

Скорость распространения - около скорости света.

Ядра обладают способностью самопроизвольно распадаться. При этом устойчивыми являются только те ядра, которые обладают минимальной энергией по сравнению с теми, в которые ядро может самопроизвольно превратиться.

Ядра, в которых протонов больше, чем нейтронов, нестабильны, т.к. увеличивается кулоновская сила отталкивания .

Ядра, в которых больше нейтронов, тоже нестабильны, т.к. масса нейтрона больше массы протона , а увеличение массы приводит к увеличению энергии.

Гамма-излучение – электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядра из возбужденного в более низкие энергетические состояния.

Ядра могут освобождаться от избыточной энергии либо делением на более устойчивые части (α-распад), либо изменением заряда (β-распад).

α-распадом называется самопроизвольное деление атомного ядра на альфа частицу  и ядро-продукт.

α -распаду подвержены все элементы тяжелее урана.

Способность α -частицы преодолеть притяжение ядра определяется туннельным эффектом (уравнением Шредингера).

При α-распаде не вся энергия ядра превращается в кинетическую энергию движения ядра-продукта и α-частицы. Часть энергии может пойти на возбуждения атома ядра-продукта. Таким образом, через некоторое время после распада ядро продукта испускает несколько гамма-квантов и приходит в нормальное состояние.

С учетом закона сохранения электрического заряда и числа нуклонов уравнение альфа-распада:

В результате альфа-распада порядковый номер элемента в таблице Менделеева уменьшается на две единицы, а массовое число на четыре.

Широко применяемым источником α-частиц является радий, превращающийся при распаде в радон:

β(минис)-распад представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра, в результате которого его заряд увеличивается на единицу за счет испускания электрона.

Но масса нейтрона превышает сумму масс протона и электрона.

Этот объясняется выделением еще одной частицы – электронного антинейтрино:

β(плюс)-распад

Не только нейтрон способен распадаться. Свободный протон стабилен, но при воздействии частиц он может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино.

Если энергия нового ядра меньше, то происходит позитронный β(плюс)-распад:

С учетом закона сохранения электрического заряда и числа нуклонов уравнение бета(минус)-распада:

В результате бета(минус)-распада порядковый номер элемента в таблице Менделеева увеличивается на единицу.

В процессе бета-распада один из нейтронов превращается в протон. Вследствие закона сохранения электрического заряда образуется электрон.

В результате выделяется энергия распада Ek = (mn – mp –me)c2

Теоретически практически вся эта энергия должна передаваться более легкой частице – электрону. Поэтому предполагали, что при бета-распаде электроны должны обладать примерно одинаковой энергией.

Эксперименты Чедвика (1914 г.) показали, что энергия электронов при бета-распаде может быть любой в пределах от нуля до теоретического максимума. Следовательно, не вся энергия передается электрону.

В 1931 г. австрийский физик Вольфганг Паули предположил, что при бета-распаде возникает еще одна электрически нейтральная частица, которая приобретает импульс и уносит часть энергии распада.

Эту частицу, появляющуюся всегда вместе с электроном, стали называть электронное антинейтрино (итал. neutrino – нейтрончик)

Отличие электронного антинейтрино  от нейтрино состоит в противоположной ориентации их спинов. Спин нейтрино направлен противоположно его импульсу (направлению скорости движения), а спин антинейтрино – сонаправлен с ним.

Таким образом процесс превращения нейтрона в протон сопровождается вылетом не только электрона, но и электронного антинейтрино.

Электрон и антинейтрино не входят в состав атома, а рождаются в процессе бета-распада.

Распределение энергии распада между электроном и антинейтрино носит случайный характер: энергия уносится и электроном и антинейтрино.

Как и α-распад, β-распад также может сопровождаться γ-излучением.

Существует также еще один вид распада – спонтанное деление ядер.

Самым легким элементом, способным к такому распаду, является уран.

Энергия радиоактивного распада – суммарная кинетическая энергия продуктов распада.

Кинетическая энергия продуктов распада определяется разностью масс материнского ядра и продуктов распада:

Например, при распаде : Ek = (mRa – mRn –me)c2

См.ниже «Закон радиоактивного распада»

Радиоактивность широко используется в научных исследованиях и технике.

Разработан метод контроля качества изделий или материалов – дефектоскопия.

Гамма-дефектоскопия позволяет установить глубину залегания и правильность расположения арматуры в железобетоне, выявить раковины, пустоты или участки бетона неравномерной плотности, случаи неплотного контакта бетона с арматурой. Просвечивание сварных швов позволяет выявить различные дефекты.

Просвечиванием образцов извест­ной толщины определяют плотность различных строительных материалов; плотность, достигаемую при формировании бетонных изделий или при укладке бетона в монолит, необходимо контролировать, чтобы получит заданную прочность всего сооружения.

По степени по­глощения g-лучей высокой энергии можно судить о влажности материа­лов.

Построены радиоактивные приборы для измерения состава газа, при­чём источником излучения в них является очень небольшое количество изотопа, дающего g-лучи.

Радиоактивный сигнализатор позволяет опреде­лить наличие небольших примесей газов, образующихся при горении лю­бых материалов. Он подаёт сигнал тревоги при возникновении пожара в помещении.

АЛЬФА-, БЕТА-, ГАММА- ИЗЛУЧЕНИЯ

См.выше «Радиоактивность»

ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА(уч.11кл.стр.363-367)

Радиоактивный распад – статистический процесс. Нельзя сказать, какие именно атомы распадутся за определенное время.

Период полураспада- промежуток времени, за который распадается половина первоначального числа атомов.

Период полураспада определяется скоростью радиоактивного распада.

Чем меньше период полураспада, тем быстрее происходит распад.

Найдем закон радиоактивного распада, т.е. число N нераспавшихся атомов в произвольный момент времени t. Пусть в начальный момент времени есть N0 атомов. Атомы распадаются независимо друг от друга.

Период полураспада не зависит от начального числа атомов.

Спустя период полураспада T1/2 число нераспавшихся атомов: N1/2 = N0/2

Через n полураспадов t = nT1/2 число нераспавшихся атомов: N = N0/2n

Учитывая, что n = t/T1/2 получаем закон радиоактивного распада – закон убывания числа радиоактивных атомов со временем:

 N = N0.

где Т1/2 – период полураспада – время за которое распадается половина всех атомов, константа для данного изотопа.

Графиком такой зависимости является экспонента.

Скорость радиоактивного распада определяется производной = A, называемой активность радиоактивного распада.

Активность радиоактивного распада вещества – число распадов радиоактивных ядер за 1 с.

Единица измерения – Бк (Беккерель)

1 Бк – активность радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит один распад.

Зная число атомов N нераспавшихся и их начальное число, можно найти число атомов, распавшихся к моменту времени t (учитывая, что 2 = eln2):

Nрасп = N0 – N = N0 – N0 = N0 – N0

Тогда:

A = = – N0(- ) = N0

Учитывая, что N = N0 и 1/ln2 = 1.44, окончательно получаем:

 A = .

Чем быстрее распадаются ядра, тем меньше период полураспада, тем больше активность вещества.

Активность пропорциональна числу нераспавшихся атомов, которое убывает со временем.

Активность одного грамма радия 3.7*1010Бк.

Эта величина часто используется на практике в качестве единицы активности – Кюри:

1 Ки (Кюри) = 3.7*1010Бк.

Время t = 1.44 T1/2 характеризует среднее время жизни радиоактивного изотопа.

МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЦ В ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ(уч.9кл.стр.189-192)

Метод фотоэмульсий

Сцинтилляционные счетчики

Газоразрядные счетчики

Камера Вильсона

Пузырьковая камера

Метод фотоэмульсий.

Быстрая заряженная частица при движении в слое фотоэмульсии в результате ионизации создает вдоль траектории своего движения центры скрытого изображения. После проявки по толщине следа в фотоэмульсии и его длине можно определить заряд частицы и её энергию

Сцинтилляционные счетчики

Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией.

Сцинтилляционный счетчик – прибор, в котором можно наблюдать превращение кинетической энергии быстрой частицы в энергию световой вспышки, которая, в свою очередь, инициирует фотоэффект (импульс электрического тока), который усиливается и регистрируется.

Метод сцинтилляций не дает необходимой точности, так как результат подсчета вспышек на экране в большой степени зависит от остроты зрения наблюдателя.

Газоразрядные счетчики

Для регистрации быстрых заряженных частиц и гамма- квантов применяют счетчик Гейгера –Мюллера, изобретенный в 1908 г.

Ионизационная камера представляет собой металлический цилиндр (катод), заполненный разреженным газом и натянутой внутри цилиндра нитью из тонкого проводника (анода). Катод и анод через большое сопротивление (порядка 109Ом) присоединены к источнику высокого напряжения (порядка 200-1000В). Между электродами возникает сильное электрическое поле.

Попадающая в камеру частица вызывает ионизацию газа. Ионы под действием электрического поля расходятся к катоду и аноду, ионизируя по пути другие атомы. Возникает электронно-ионная лавина и коронный разряд, импульс которого на сопротивлении R регистрируется.

Поскольку сопротивление R очень велико (порядка 109Ом), то в момент протекания тока основная доля напряжения источника падает на нем, в результате чего напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и разряд автоматически прекращается, так как напряжение становится недостаточным для образования электронно-ионных пар) Счетчик готов к регистрации следующей частицы.

С помощью ионизационных камер можно регистрировать любые виды ядерных излучений.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов, но существуют модели пригодные и для регистрации гамма- квантов.

Для измерения доз гамма- квантов полученных человеком используют дозиметры, по форме и размерам –авторучка.

Камера Вильсона

Счетчик Гейгера позволяет только регистрировать факт пролете частицы. Гораздо больше возможностей для изучения частиц дает изобретенная в 1912 г. камера Вильсона.

Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится ткань, увлажненная смесью воды и спирта. Благодаря этому воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.

При быстром движении поршня вниз находящиеся в камере воздух и пары расширяются, их внутренняя энергия уменьшается, температура в камере понижается.

В обычных условиях это вызвало бы конденсацию паров (появление тумана) Однако в камере Вильсона этого не происходит, так как из нее предварительно удалены ядра конденсации – пылинки, ионы и т.д.

Поэтому в данном случае при понижении температуры в камере пары становятся пересыщенными, переходят в крайне неустойчивое состояние, при котором будут легко конденсироваться на любых образующихся в камере ядрах конденсации, например на ионах.

Пролетая с большой скоростью через газ, частицы создают на своем пути ионы, которые становятся ядрами конденсации, на которых пары конденсируются в виде маленьких капелек.

Водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта – на положительных.

Вдоль всего пути частицы возникает видимый трек из микро-капелек.

Треки существуют в камере недолго, так как воздух нагревается от стенок камеры и капельки испаряются. Чтобы привести камеру в исходное состояние надо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать газ в камере, выждать пока воздух, нагревшийся при сжатии, охладиться, и произвести новое расширение.

Для фотографирования треков частиц камеры освещают сбоку мощным пучком света.

Для выполнения точечных измерений физических характеристик регистрируемых частиц камеру Вильсона помещают в постоянное магнитное поле, Треки частиц, движущихся в маг поле, оказываются искривленными. Радиус кривизны трека зависит от скорости движения частицы, ее массы и заряда. При известной индукции магнитного поля эти

характеристики частиц могут быть определены по радиусам кривизны треков.

Пузырьковая камера

Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретенная в 1952 г. пузырьковая камера. В ней вместо пересыщенного пара используется перегретая выше точки кипения жидкость (жидкий водород, пропан, ксенон). При движении в этой жидкости заряженной частицы вдоль ее траектории образуется ряд пузырьков пара.

Быстрые заряженные частицы через маленькое в стенке камеры проникают в ее рабочий объем и образуют на своем пути цепочку ионов в жидкости находящейся около температуры кипения.

В этот момент давление резко понижают и жидкость переходит в перегретое состояние. Ионы, вдоль пути частицы, обладают избыточной кинетической энергией, за счет которой температура в микроскопическом объеме вблизи каждого иона повышается, и образуются пузырьки пара вдоль траектории.

Пузырьковую камеру обычно помещают в постоянное магнитное поле.

Пузырьковая камера обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА ПО РАССЕИВАНИЮ АЛЬФА-ЧАСТИЦ(уч.11кл.стр.328)

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц

Оценка размера атомного ядра на основании опыта Резерфорда

Планетарная модель атома Резерфорда (см.ниже)

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопи­лось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Большие успехи в исследовании строения ато­мов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию α-частиц при про­хождении через тонкие слои вещества.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64