Una desintegración está representada por la ecuación de reacción b. Caries y reacciones. Penetración de partículas beta

La mayoría de los núcleos atómicos son inestables. Tarde o temprano, espontáneamente (o, como dicen los físicos, espontáneamente) decaen en núcleos más pequeños y partículas elementales, que generalmente se denominan productos de descomposición o elementos secundarios. Las partículas en descomposición generalmente se llaman materias primas o padres. Todos los productos químicos conocidos (hierro, oxígeno, calcio, etc.) tenemos al menos un isótopo estable. ( Isótopos Variedades de un elemento químico con el mismo número de protones en el núcleo se llaman - este número de protones corresponde al número ordinal del elemento - pero un número diferente de neutrones). El hecho de que estas sustancias sean bien conocidas por nosotros atestigua que su estabilidad, lo que significa que viven lo suficiente para acumularse en cantidades significativas en condiciones naturales sin descomponerse en componentes. Pero cada uno de los elementos naturales también tiene isótopos inestables: sus núcleos se pueden obtener en el proceso de reacciones nucleares, pero no duran mucho, ya que se descomponen rápidamente.

La desintegración de los núcleos de elementos radiactivos o isótopos puede ocurrir de tres formas principales, y las correspondientes reacciones de desintegración nuclear se denominan con las tres primeras letras del alfabeto griego. A decaimiento alfa se libera un átomo de helio, que consta de dos protones y dos neutrones; es costumbre llamarlo partícula alfa. Dado que la desintegración alfa implica una disminución de dos en el número de protones cargados positivamente en un átomo, el núcleo que emitió la partícula alfa se convierte en el núcleo del elemento, dos posiciones por debajo de él en la tabla periódica. A desintegración beta el núcleo emite un electrón y el elemento se mueve una posición hacia adelante según la tabla periódica (en este caso, en esencia, el neutrón se convierte en un protón con la emisión de este mismo electrón). Finalmente, decaimiento gamma - este es Desintegración de los núcleos con la emisión de fotones de alta energía, que se denominan comúnmente rayos gamma. En este caso, el núcleo pierde energía, pero el elemento químico no cambia.

Sin embargo, el mero hecho de la inestabilidad de uno u otro isótopo de un elemento químico no significa en absoluto que al juntar un cierto número de núcleos de este isótopo, obtendrá una imagen de su desintegración simultánea. En realidad, la desintegración del núcleo de un elemento radiactivo recuerda un poco el proceso de freír maíz al hacer palomitas de maíz: los granos (nucleones) se caen de la "mazorca" (núcleo) uno a la vez, en un orden completamente impredecible, hasta que todo se caiga. La ley que describe la reacción de desintegración radiactiva, de hecho, solo establece este hecho: durante un período de tiempo fijo, un núcleo radiactivo emite un número de nucleones proporcional al número de nucleones que quedan en su composición. Es decir, cuantos más granos-nucleones permanezcan en el grano de la mazorca "poco cocido", más de ellos se liberarán durante un intervalo fijo de tiempo de "fritura". Traduciendo esta metáfora al lenguaje de fórmulas matemáticas, obtenemos una ecuación que describe la desintegración radiactiva:

D norte = λN D t

donde D N - número de nucleones emitidos por un núcleo con un número total de nucleones norte en el tiempo d t, a λ - determinado experimentalmente constante de radiactividad sustancia investigada. La fórmula empírica anterior es una ecuación diferencial lineal, cuya solución es la siguiente función, que describe el número de nucleones que quedan en el núcleo en el momento del tiempo. t:

norte = norte 0 e - λt

dónde norte 0 es el número de nucleones en el núcleo en el momento inicial de observación.

La constante de radiactividad determina la rapidez con la que se desintegra el núcleo. Sin embargo, los físicos experimentales generalmente no lo miden, sino el llamado media vida núcleos (es decir, el período durante el cual el núcleo bajo investigación emite la mitad de los nucleones que contiene). Para varios isótopos de diversas sustancias radiactivas, la vida media varía (de acuerdo con las predicciones teóricas) de mil millonésimas de segundo a miles de millones de años. Es decir, algunos núcleos viven casi para siempre, y algunos se desintegran literalmente instantáneamente (aquí es importante recordar que después de que la vida media ha expirado, la mitad de la masa total de la sustancia original permanece, después de dos vidas medias - un cuarto de su masa, después de tres vidas medias: un octavo, etc., etc.).

En cuanto a la aparición de elementos radiactivos, estos nacen de diferentes formas. En particular, la ionosfera (la capa superior enrarecida de la atmósfera) de la Tierra es bombardeada constantemente por rayos cósmicos, que consisten en partículas con altas energías ( cm. Partículas elementales). Bajo su influencia, los átomos de larga vida se dividen en isótopos inestables: en particular, del nitrógeno-14 estable en la atmósfera terrestre, se forma constantemente un isótopo inestable de carbono-14 con 6 protones y 8 neutrones en el núcleo ( cm. Datación radiométrica).

Pero el caso descrito anteriormente es bastante exótico. Con mucha más frecuencia, los elementos radiactivos se forman en reacciones en cadena Fisión nuclear . Este es el nombre de una serie de eventos durante los cuales el núcleo original ("madre") se desintegra en dos "hijos" (también radiactivos), que, a su vez, en cuatro núcleos "nieta", etc. El proceso continúa hasta entonces. .hasta que se obtengan isótopos estables. Como ejemplo, tomemos el isótopo uranio-238 (92 protones + 146 neutrones) con una vida media de aproximadamente 4.500 millones de años. Este período, por cierto, es aproximadamente igual a la edad de nuestro planeta, lo que significa que aproximadamente la mitad del uranio-238 de la composición de la materia primaria de la formación de la Tierra todavía se encuentra en el agregado de los elementos terrestres. naturaleza. El uranio-238 se convierte en torio-234 (90 protones + 144 neutrones), que tiene una vida media de 24 días. El torio-234 se convierte en paladio-234 (91 protones + 143 neutrones) con una vida media de 6 horas - y así sucesivamente Después de más de diez etapas de desintegración, finalmente se obtiene un isótopo estable de plomo-206.

Hay mucho que decir sobre la desintegración radiactiva, pero es necesario enfatizar algunos puntos. Primero, incluso si tomamos una muestra pura de un solo isótopo radiactivo como material de partida, se descompondrá en diferentes componentes, y pronto obtendremos inevitablemente un "montón" completo de diferentes sustancias radiactivas con diferentes masas nucleares. En segundo lugar, las cadenas naturales de reacciones de desintegración atómica nos tranquilizan en el sentido de que la radiactividad es un fenómeno natural, existió mucho antes que los humanos, y no hay necesidad de tomar un pecado en el alma y culpar solo a la civilización humana por el hecho de que existe un fondo de radiación en la Tierra. El uranio-238 ha existido en la Tierra desde sus inicios, se descompone, se descompone y se descompondrá, y las plantas de energía nuclear aceleran este proceso, de hecho, en fracciones de un por ciento; para que no tengan ningún efecto particularmente perjudicial además de lo que nos proporciona la naturaleza a usted y a mí.

Por último, la inevitabilidad de la desintegración atómica radiactiva está plagada de problemas potenciales y oportunidades potenciales para la humanidad. En particular, en la cadena de reacciones de descomposición de los núcleos de uranio-238, se forma radón-222, un gas noble sin color, olor y sabor, que no entra en ninguna reacción química, ya que no es capaz de formar enlaces químicos. . eso gas inerte, y literalmente rezuma de las entrañas de nuestro planeta. Por lo general, no tiene ningún efecto en nosotros, simplemente se disuelve en el aire y permanece allí en una concentración insignificante hasta que se descompone en elementos aún más ligeros. Sin embargo, si este radón inofensivo permanece en una habitación sin ventilación durante mucho tiempo, con el tiempo, los productos de su descomposición comenzarán a acumularse allí, y son dañinos para la salud humana (si se inhalan). Así es como obtenemos el llamado "problema del radón".

Por otro lado, las propiedades radiactivas de los elementos químicos aportan importantes beneficios a las personas, si se las aborda con prudencia. El fósforo radiactivo, en particular, ahora se inyecta para obtener una imagen radiográfica de las fracturas óseas. El grado de su radiactividad es mínimo y no perjudica la salud del paciente. Al ingresar a los tejidos óseos del cuerpo junto con el fósforo ordinario, emite suficientes rayos para fijarlos en equipos sensibles a la luz y obtener imágenes del hueso roto literalmente desde el interior. En consecuencia, los cirujanos tienen la oportunidad de operar una fractura compleja no a ciegas y al azar, sino estudiando la estructura de la fractura de antemano utilizando tales imágenes. En general, las aplicaciones radiografía en ciencia, tecnología y medicina, innumerables. Y todos funcionan según el mismo principio: las propiedades químicas del átomo (de hecho, las propiedades de la capa externa de electrones) permiten atribuir una sustancia a un determinado grupo químico; luego, usando las propiedades químicas de esta sustancia, el átomo es entregado "al lugar correcto", luego de lo cual, usando la propiedad de los núcleos de este elemento para descomponerse en estricto acuerdo con el "programa" establecido por las leyes de la física, los productos de descomposición están registrados.

Eso ya lo sabes a mediados del siglo XX. Surgió el problema de encontrar nuevas fuentes de energía. En este sentido, las reacciones termonucleares atrajeron la atención de los científicos.

• Una reacción termonuclear es la fusión de núcleos ligeros (como hidrógeno, helio, etc.), que se produce a temperaturas de decenas a cientos de millones de grados.

La creación de una temperatura alta es necesaria para dar a los núcleos una energía cinética suficientemente grande; solo bajo esta condición los núcleos podrán superar las fuerzas de repulsión eléctrica y acercarse lo suficiente para entrar en la zona de acción de las fuerzas nucleares. A distancias tan pequeñas, las fuerzas de atracción nuclear superan significativamente las fuerzas de repulsión eléctrica, por lo que es posible la síntesis (es decir, fusión, unificación) de núcleos.

En el § 58, utilizando el uranio como ejemplo, se demostró que se puede liberar energía durante la fisión de núcleos pesados. En el caso de los núcleos ligeros, la energía se puede liberar durante el proceso inverso, durante su síntesis. Además, la reacción de fusión de núcleos ligeros es energéticamente más favorable que la reacción de fisión de núcleos pesados ​​(si comparamos la energía liberada por nucleón).

Un ejemplo de reacción termonuclear es la fusión de isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio), como resultado de lo cual se forma helio y se emite un neutrón:

Esta es la primera reacción termonuclear que los científicos han logrado realizar. Se implementó en una bomba termonuclear y tenía un carácter incontrolable (explosivo).

Como ya se señaló, las reacciones termonucleares pueden proceder con la liberación de una gran cantidad de energía. Pero para que esta energía se utilice con fines pacíficos, es necesario aprender a realizar reacciones termonucleares controladas. Una de las principales dificultades para llevar a cabo este tipo de reacciones es mantener en el interior de la instalación un plasma de alta temperatura (gas casi completamente ionizado), en el que se produce la fusión de núcleos. El plasma no debe entrar en contacto con las paredes de la instalación en la que se encuentra, de lo contrario las paredes se convertirán en vapor. Actualmente, se utilizan campos magnéticos muy fuertes para confinar el plasma en un espacio confinado a una distancia adecuada de las paredes.

Las reacciones termonucleares juegan un papel importante en la evolución del Universo, en particular, en la transformación de sustancias químicas en él.

Gracias a las reacciones termonucleares que tienen lugar en el interior del Sol, se libera energía que da vida a los habitantes de la Tierra.

Nuestro Sol ha estado irradiando luz y calor al espacio durante casi 4.600 millones de años. Naturalmente, en todo momento, los científicos estuvieron interesados ​​en la cuestión de cuál es el "combustible" debido al cual se genera una enorme cantidad de energía en el Sol durante tanto tiempo.

Había varias hipótesis al respecto. Uno de ellos fue que la energía del sol se libera como resultado de una reacción química de combustión. Pero en este caso, como muestran los cálculos, el Sol podría existir durante solo unos pocos miles de años, lo que es contrario a la realidad.

La hipótesis original se planteó a mediados del siglo XIX. Consistía en el hecho de que se produce un aumento de la energía interna y el correspondiente aumento de la temperatura del Sol debido a una disminución de su energía potencial durante la compresión gravitacional. También resultó insostenible, ya que en este caso la vida del Sol aumenta a millones de años, pero no a miles de millones.

La suposición de que la liberación de energía en el Sol ocurre como resultado de la ocurrencia de reacciones termonucleares en él fue propuesta en 1939 por el físico estadounidense Hans Bethe.

También se le ofreció el llamado ciclo del hidrogeno, es decir, una cadena de tres reacciones termonucleares que conducen a la formación de helio a partir de hidrógeno:

donde es una partícula llamada "neutrino", que significa "neutrón pequeño" en italiano.

Para obtener los dos núcleos necesarios para la tercera reacción, los dos primeros deben suceder dos veces.

Ya sabes que, de acuerdo con la fórmula E = mc 2, con una disminución de la energía interna de un cuerpo, su masa también disminuye.

Para imaginar la colosal cantidad de energía que pierde el Sol como resultado de la conversión del hidrógeno en helio, basta con saber que la masa del Sol disminuye en varios millones de toneladas por segundo. Pero, a pesar de las pérdidas, las reservas de hidrógeno en el Sol deberían ser suficientes para otros 5-6 mil millones de años.

Las mismas reacciones tienen lugar en el interior de otras estrellas, cuya masa y edad son comparables a la masa y edad del Sol.

Preguntas

1. ¿Qué tipo de reacción se llama termonuclear? Da un ejemplo de reacción.
2. ¿Por qué las reacciones termonucleares solo son posibles a temperaturas muy altas?
3. ¿Qué reacción es energéticamente más favorable (por nucleón): fusión de núcleos ligeros o fisión de núcleos pesados?
4. ¿Cuál es una de las principales dificultades en la implementación de reacciones termonucleares?
5. ¿Cuál es el papel de las reacciones termonucleares en la existencia de vida en la Tierra?
6. ¿Cuál es la fuente de energía del Sol según los conceptos modernos?
7. ¿Durante cuánto tiempo debería ser suficiente el suministro de hidrógeno en el Sol según los cálculos de los científicos?

Esto es curioso ...

Partículas elementales. Antipartículas

Las partículas que componen los átomos de diversas sustancias (un electrón, un protón y un neutrón) se denominaron elementales. La palabra "elemental" significa que estas partículas son primarias, más simples, luego indivisibles e inmutables. Pero pronto resultó que estas partículas no son inmutables. Todos tienen la capacidad de transformarse unos en otros al interactuar.

Por lo tanto, en la física moderna, el término "partículas elementales" generalmente no se usa en su significado exacto, sino para nombrar un gran grupo de partículas diminutas de materia que no son átomos o núcleos de átomos (la excepción es el protón, que es el núcleo del átomo de hidrógeno y al mismo tiempo pertenece a las partículas elementales).

Actualmente se conocen más de 350 partículas elementales diferentes. Estas partículas son muy diversas en sus propiedades. Pueden diferir entre sí en masa, signo y magnitud de la carga eléctrica, tiempo de vida (es decir, el tiempo desde el momento en que se forma la partícula y hasta que se convierte en alguna otra partícula), capacidad de penetración (es decir, la capacidad de pasar a través de la materia) y otras características. Por ejemplo, la mayoría de las partículas son "de corta duración": no viven más de dos millonésimas de segundo, mientras que la vida media de un neutrón fuera del núcleo atómico es de 15 minutos.

El descubrimiento más importante en el campo del estudio de las partículas elementales se realizó en 1932, cuando el físico estadounidense Carl David Anderson descubrió el rastro de una partícula desconocida en una cámara Wilson colocada en un campo magnético. Por la naturaleza de este rastro (por el radio de curvatura, la dirección de flexión, etc.), los científicos determinaron que fue dejado por una partícula, que es, por así decirlo, un electrón con una carga eléctrica positiva. Esta partícula se denominó positrón.

Curiosamente, un año antes del descubrimiento experimental del positrón, su existencia fue predicha teóricamente por el físico inglés Paul Dirac (la existencia de tal partícula se deriva de la ecuación que derivó). Además, Dirac predijo los llamados procesos de aniquilación (desaparición) y creación de un par electrón-positrón. La aniquilación significa que un electrón y un positrón desaparecen cuando se encuentran, convirtiéndose en γ-quanta (fotones). Y cuando un γ-cuanto choca con algún núcleo masivo, se crea un par electrón-positrón.

Ambos procesos se observaron por primera vez de forma experimental en 1933. La Figura 166 muestra las pistas de un electrón y un positrón formados como resultado de la colisión de un cuanto γ con un átomo de plomo cuando los rayos γ atraviesan una placa de plomo. El experimento se llevó a cabo en una cámara Wilson colocada en un campo magnético. La misma curvatura de las pistas indica la misma masa de partículas y la curvatura en diferentes direcciones indica los signos opuestos de la carga eléctrica.

Arroz. 166. Huellas de un par electrón-positrón en un campo magnético

En 1955, se descubrió otra antipartícula, el antiprotón (cuya existencia también se deriva de la teoría de Dirac), y algo más tarde, el antineutrón. Un antineutrón, como un neutrón, no tiene carga eléctrica, pero sin duda pertenece a las antipartículas, ya que participa en el proceso de aniquilación y creación de un par neutrón-antineutrón.

La posibilidad de obtener antipartículas llevó a los científicos a la idea de crear antimateria. Los átomos de antimateria deben construirse de esta manera: en el centro de un átomo hay un núcleo cargado negativamente, que consta de antiprotones y antineutrones, y los positrones giran alrededor del núcleo. En general, el átomo es neutro. Esta idea también ha recibido una brillante confirmación experimental. En 1969, en el acelerador de protones de Serpukhov, los físicos soviéticos obtuvieron núcleos de átomos de antihelio.

En la actualidad, se han descubierto experimentalmente antipartículas de casi todas las partículas elementales conocidas.

Resumen del capítulo. La cosa más importante

Los conceptos y fenómenos físicos se dan a continuación. La secuencia de presentación de definiciones y formulaciones no se corresponde con la secuencia de conceptos, etc.

Transfiera los nombres de los conceptos al cuaderno y entre corchetes escriba el número ordinal de la definición (redacción) correspondiente a este concepto.

• Radioactividad;
• modelo nuclear (planetario) de la estructura del átomo;
• núcleo atómico;
• transformaciones radiactivas de núcleos atómicos;
• métodos experimentales para estudiar partículas en física atómica y nuclear;
• fuerzas nucleares;
• la energía de enlace del núcleo;
• defecto de masa del núcleo atómico;
• reacción en cadena ;
• reactor nuclear ;
• problemas ambientales y sociales derivados del uso de centrales nucleares;
• dosis absorbida de radiación.

1. Registro de partículas mediante contador Geiger, estudio y fotografía de huellas de partículas (incluidas las implicadas en reacciones nucleares) en una cámara Wilson y una cámara de burbujas.
2. Las fuerzas de atracción que actúan entre los nucleones en los núcleos de los átomos y superan significativamente las fuerzas de repulsión electrostática entre los protones.
3. La energía mínima requerida para dividir un núcleo en nucleones individuales.
4. Emisión espontánea de rayos radiactivos por átomos de algunos elementos.
5. Dispositivo diseñado para llevar a cabo una reacción nuclear controlada.
6. Consiste en nucleones (es decir, protones y neutrones).
7. Residuos radiactivos, posibilidad de accidentes, favoreciendo la proliferación de armas nucleares.
8. Un átomo consiste en un núcleo cargado positivamente ubicado en su centro, alrededor del cual giran los electrones a una distancia que excede significativamente el tamaño del núcleo.
9. La transformación de un elemento químico en otro durante la desintegración α o β, como resultado de lo cual el núcleo del átomo original sufre cambios.
10. La diferencia entre la suma de las masas de los nucleones que forman un núcleo y la masa de este núcleo.
11. Reacción de fisión autosostenida de núcleos pesados, en la que los neutrones se reproducen continuamente, dividiendo cada vez más núcleos.
12. La energía de la radiación ionizante absorbida por la sustancia emitida (en particular, por los tejidos del cuerpo) y calculada por unidad de masa.

compruébalo tú mismo

E. Resenford, junto con el radioquímico inglés F. Soddy, demostraron que la radiactividad va acompañada de la transformación espontánea de un elemento químico en otro.
Además, como resultado de la radiación radiactiva, los núcleos de los átomos de los elementos químicos sufren cambios.

DESIGNACIÓN DEL NÚCLEO DEL ÁTOMO

Isótopos

Entre los elementos radiactivos, se encontraron elementos que eran químicamente indistinguibles, pero diferentes en masa. Estos grupos de elementos se denominaron "isótopos" ("ocupando un lugar en la tabla periódica"). Los núcleos atómicos de los isótopos de un mismo elemento químico difieren en el número de neutrones.

Ahora se ha establecido que todos los elementos químicos tienen isótopos.
En la naturaleza, sin excepción, todos los elementos químicos consisten en una mezcla de varios isótopos, por lo tanto, en la tabla periódica, las masas atómicas se expresan en números fraccionarios.
Los isótopos de incluso elementos no radiactivos pueden ser radiactivos.

ALFA - DECAY

Partícula alfa (el núcleo de un átomo de helio)
- típico para elementos radiactivos con un número de serie superior a 83
.- Se cumple necesariamente la ley de conservación de masa y números de carga.
- a menudo acompañado de radiación gamma.

Reacción de desintegración alfa:

Con la desintegración alfa de un elemento químico, se forma otro elemento químico, que en la tabla periódica se ubica 2 celdas más cerca de su comienzo que el original.

El significado físico de la reacción:

Como resultado de la emisión de una partícula alfa, la carga nuclear disminuye en 2 cargas elementales y se forma un nuevo elemento químico.

Regla de compensación:

Durante la desintegración beta de un elemento químico, se forma otro elemento, que se encuentra en la tabla periódica en la siguiente celda después de la original (una celda más cerca del final de la tabla).

BETA - DECAY

Partícula beta (electrón).
- a menudo acompañado de radiación gamma.
- puede ir acompañado de la formación de antineutrinos (partículas ligeras eléctricamente neutras con una alta capacidad de penetración).
- La ley de conservación de la masa y los números de carga debe cumplirse por todos los medios.

Reacción de desintegración beta:

El significado físico de la reacción:

Un neutrón en el núcleo de un átomo puede convertirse en un protón, un electrón y un antineutrino, como resultado de lo cual el núcleo emite un electrón.

Regla de compensación:

PARA LOS QUE AÚN NO ESTÁN CANSADOS

Propongo escribir las reacciones de la desintegración y entregar la obra.
(haz una cadena de transformaciones)

1. El núcleo de qué elemento químico es el producto de una desintegración alfa
y dos desintegraciones beta del núcleo de este elemento?

7.1. Consideración fenomenológica. La desintegración alfa es el proceso espontáneo de transformación del núcleo ( A, Z) al núcleo ( A– 4, Z- 2) con la emisión de un núcleo de helio-4 ( α -partículas):

De acuerdo con la condición (5.1), tal proceso es posible si la energía de desintegración α

Expresando la energía en reposo del núcleo en términos de la suma de las energías en reposo de los nucleones y la energía de enlace del núcleo, reescribimos la desigualdad (7.1) de la siguiente forma:

El resultado (7.2), que incluye solo las energías de enlace de los núcleos, se debe al hecho de que durante la desintegración α, no solo se conserva el número total de nucleones, sino también el número de protones y neutrones por separado.

Considere cómo cambia la energía de desintegración α E α al cambiar el número de masa A... Usando la fórmula de Weizsacker para núcleos que se encuentran en la línea de estabilidad teórica, se puede obtener la dependencia que se muestra en la Fig. 7.1. Se puede ver que, en el marco del modelo de gota, se debe observar la desintegración α para núcleos con A> 155, y la energía de desintegración aumentará monótonamente al aumentar A.

La misma figura muestra la dependencia real E α de A trazado utilizando datos experimentales sobre energías de enlace. Al comparar las dos curvas, se puede ver que el modelo de goteo transmite solo la tendencia general de cambio. E α... De hecho, el radionúclido emisor de partículas alfa más ligero es 144 Nd, es decir, el área real de radioactividad α es algo más amplia de lo que predice la fórmula semiempírica. Además, la dependencia de la energía de desintegración de A no es monótono, pero tiene altibajos. Los máximos más pronunciados se encuentran en la región. A= 140-150 (elementos de tierras raras) y A= 210-220. La aparición de los máximos está asociada con el llenado de las capas de neutrones y protones del núcleo hijo al número mágico: norte= 82 y Z= 82. Como se sabe, las conchas llenas corresponden a energías de enlace anormalmente altas. Luego, de acuerdo con el modelo de las capas de nucleones, la energía de desintegración α de los núcleos con norte o Z igual a 84 = 82 + 2 también será anormalmente alto. Debido al efecto caparazón, la región de radioactividad α comienza en Nd ( norte= 84), mientras que la abrumadora mayoría de núcleos α-activos Z 84.

Un aumento en el número de protones en el núcleo (a una constante A) promueve la desintegración α, porque aumenta el papel relativo de la repulsión de Coulomb desestabilizando el núcleo. Por lo tanto, la energía de desintegración α en una serie de isobaras aumentará con un aumento en el número de protones. El aumento del número de neutrones actúa en sentido contrario.

Para núcleos sobrecargados con protones, la descomposición β + o la captura de electrones pueden convertirse en procesos competitivos, es decir, procesos que conducen a una disminución Z... Para núcleos con un exceso de neutrones, la desintegración β es un proceso competitivo. Partiendo de un número de masa A= 232, la fisión espontánea se agrega a los tipos de desintegración enumerados. Los procesos en competencia pueden avanzar tan rápido que no siempre es posible observar la desintegración α en su contexto.

Consideremos ahora cómo se distribuye la energía de desintegración entre los fragmentos, es decir, una partícula α y un núcleo hijo, o el núcleo del retroceso... Es obvio que

, (7.3)

dónde T α¿Es la energía cinética de una partícula α, T i.o.- energía cinética del núcleo hijo (energía de retroceso). De acuerdo con la ley de conservación del momento (que en el estado anterior a la desintegración es igual a cero), las partículas resultantes reciben momentos iguales en valor absoluto y opuestos en signo:

Usaremos más Fig. 7.1, de lo que se deduce que la energía de desintegración α (y, por tanto, la energía cinética de cada una de las partículas) no supera los 10 MeV. La energía en reposo de una partícula α es de aproximadamente 4 GeV, es decir, cientos de veces más. La energía en reposo del núcleo hijo es aún mayor. En este caso, para establecer una relación entre la energía cinética y el momento, se puede utilizar la relación de la mecánica clásica

Sustituyendo (7.5) en (7.3), obtenemos

. (7.6)

De (7.6) se deduce que la mayor parte de la energía de desintegración es llevada por el fragmento más ligero: una partícula α. Entonces, para A= 200, el núcleo secundario de retroceso representa solo el 2% de E α.

La distribución inequívoca de la energía de desintegración entre dos fragmentos conduce al hecho de que cada radionúclido emite partículas alfa de energías estrictamente definidas o, en otras palabras, los espectros α son discreto... Debido a esto, un radionúclido se puede identificar por la energía de las partículas α: las líneas del espectro sirven como una especie de "huellas dactilares". En este caso, como muestra el experimento, en los espectros α muy a menudo no hay una, sino varias líneas de diferentes intensidades con energías cercanas. En tales casos, hablan de estructura fina Espectro α (Fig. 7.2).

Para comprender el origen del efecto de estructura fina, recuerde que la energía de desintegración α no es más que la diferencia entre los niveles de energía de los núcleos madre e hija. Si la transición tuviera lugar solo desde el estado fundamental del núcleo principal al estado fundamental del núcleo hijo, los espectros α de todos los radionucleidos contendrían solo una línea. Mientras tanto, resulta que las transiciones del estado fundamental del núcleo madre también pueden ocurrir a estados excitados.

Las vidas medias de los emisores α varían ampliamente: de 10 a 7 segundos a 10 a 17 años. Por el contrario, la energía de las partículas alfa emitidas se encuentra en un rango estrecho: 1-10 MeV. La relación entre la constante de desintegración λ y la energía de las partículas α Tα se da Ley de Geiger–Nettola, una de las formas de notación de las cuales:

, (7.7)

dónde CON 1 y CON 2 - constantes que cambian poco al pasar de núcleo a núcleo. En este caso, un aumento de la energía de las partículas α en 1 MeV corresponde a una disminución de la vida media en varios órdenes de magnitud.

7.2. Paso de partículas α a través de una barrera potencial. Antes del advenimiento de la mecánica cuántica, no se dio ninguna explicación teórica para una dependencia tan marcada λ de Tα. Por otra parte, la posibilidad misma del escape del núcleo de partículas α con energías mucho más bajas que la altura de las barreras potenciales, que, como se demostró, rodean los núcleos, parecía misteriosa. Por ejemplo, los experimentos sobre la dispersión de partículas α de 212 Po con una energía de 8,78 MeV en el uranio mostraron que no se observan desviaciones de la ley de Coulomb cerca del núcleo del uranio; sin embargo, el uranio emite partículas alfa con energías de solo 4,2 MeV. Entonces, ¿cómo penetran estas partículas α a través de la barrera, cuya altura es de al menos 8,78 MeV, pero en realidad incluso más? ...

En la Fig. 7.3 muestra la dependencia de la energía potencial U una partícula cargada positivamente desde la distancia al núcleo. En el área de r > R sólo las fuerzas de repulsión electrostática actúan entre la partícula y el núcleo, en la región r < R prevalecen fuerzas gravitacionales nucleares más intensas, lo que evita que las partículas se escapen del núcleo. Curva resultante U(r) tiene un fuerte máximo en la región r ~ R llamado Barrera potencial de Coulomb... Altura de la barrera

, (7.8)

dónde Z 1 y Z 2 - cargas de la partícula emitida y el núcleo hijo, R Es el radio del núcleo, que en el caso de la desintegración α se toma igual a 1,57 A 1/3 fm. Es fácil calcular que para 238 U la altura de la barrera de Coulomb será ~ 27 MeV.

El escape del núcleo de las partículas α (y otras formaciones de nucleones con carga positiva) se explica por la mecánica cuántica. efecto de túnel, es decir. la capacidad de la partícula para moverse en la región clásicamente prohibida para ella entre los puntos de inflexión, donde T < U.

Para encontrar la probabilidad de que una partícula cargada positivamente pase a través de la barrera de potencial de Coulomb, primero consideramos una barrera rectangular de ancho a y alturas V sobre el que cae una partícula con energía mi(figura 7.4). Fuera de la barrera, en las regiones 1 y 3, la ecuación de Schrödinger parece

,

y en la región interior 2 como

.

Su solución son ondas planas.

.

Amplitud A 1 corresponde a una ola incidente en una barrera, V 1 - onda reflejada desde la barrera, A 3 - la onda que ha atravesado la barrera (dado que la onda transmitida ya no se refleja, la amplitud V 3 = 0). En la medida en mi < V,

magnitud q Es puramente imaginario, y la función de onda debajo de la barrera

.

El segundo término de la fórmula (7.9) corresponde a una función de onda que crece exponencialmente y, por lo tanto, crece con NS la probabilidad de detectar una partícula debajo de la barrera. En este sentido, la cantidad V 2 no puede ser grande en comparación con A 2. Entonces, poniendo V 2 simplemente igual a cero, tenemos

. (7.10)

Coeficiente de transparencia D barrera, es decir la probabilidad de encontrar una partícula originalmente en la región 1, en la región 3, es simplemente la razón de las probabilidades de encontrar una partícula en puntos NS = a y NS= 0. Para ello, basta con conocer la función de onda debajo de la barrera. Como resultado

. (7.11)

Representemos además una barrera potencial de forma arbitraria como un conjunto norte barreras de potencial rectangulares con una altura V(X) y ancho Δ X(figura 7.5). La probabilidad de que una partícula atraviese dicha barrera es el producto de las probabilidades de atravesar todas las barreras una tras otra, es decir,

Entonces, considerando barreras de ancho infinitamente pequeño y pasando de la sumatoria a la integración, obtenemos

(7.12)

Límites de integración X 1 y X 2 en la fórmula (7.12) corresponden a los puntos de inflexión clásicos en los que V(X) = mi, mientras que el movimiento de la partícula en las regiones X < X 1 y X > X 2 se considera gratis.

Para la barrera de potencial de Coulomb, el cálculo D de acuerdo con (7.12) se puede realizar exactamente. Esto fue hecho por primera vez por G.A. Gamov en 1928, es decir. incluso antes del descubrimiento del neutrón (Gamow creía que el núcleo consta de partículas α).

Para una partícula α con energía cinética T en el potencial de la forma tu/r la expresión del coeficiente de transparencia de la barrera adopta la siguiente forma:

, (7.13)

y el valor ρ se define por la igualdad T = tu/ρ ... Integral en el exponente después de la sustitución ξ = r 1/2 adopta una forma conveniente para la integración:

.

Este último da

Si la altura de la barrera de Coulomb es mucho mayor que la energía de la partícula α, entonces ρ >> R... En este caso

. (7.14)

Sustituyendo (7.14) en (7.13) y teniendo en cuenta que ρ = BR/T, obtenemos

. (7.15)

En el caso general, cuando la altura de la barrera de Coulomb es comparable a la energía de la partícula emitida, el coeficiente de transparencia D viene dada por la siguiente fórmula:

, (7.16)

donde es la masa reducida de dos partículas dispersas (para una partícula α está muy cerca de su propia masa). La fórmula (7.16) da para 238 U el valor D= 10 -39, es decir la probabilidad de tunelización de partículas alfa es extremadamente pequeña.

Se obtuvo el resultado (7.16) para el caso propagación central partículas, es decir como cuando la partícula α es emitida por el núcleo estrictamente en la dirección radial. Si esto último no ocurre, entonces el momento angular arrastrado por la partícula α es no es cero. Entonces, al calcular D una enmienda debido a la presencia de un adicional barrera centrífuga:

, (7.17)

dónde l= 1, 2, 3, etc.

Sentido U c(R) se llama la altura de la barrera centrífuga. La existencia de una barrera centrífuga conduce a un aumento de la integral en (7.12) y una disminución del coeficiente de transparencia. Sin embargo, el efecto de la barrera centrífuga no es demasiado grande. Primero, dado que la energía rotacional del sistema en el momento de la expansión U c(R) no puede exceder la energía de desintegración α T, luego más a menudo, y la altura de la barrera centrífuga no excede el 25% de la de Coulomb. En segundo lugar, debe tenerse en cuenta que el potencial centrífugo (~ 1 / r 2) disminuye mucho más rápido con la distancia que el Coulomb (~ 1 / r). Como resultado, la probabilidad de emisión de una partícula α con l≠ 0 tiene prácticamente el mismo orden de magnitud que para l = 0.

Valores posibles l están determinadas por las reglas de selección de momento angular y paridad, que se derivan de las correspondientes leyes de conservación. Dado que el espín de la partícula α es cero y su paridad es positiva, entonces

(los índices 1 y 2 se refieren al kernel principal y secundario, respectivamente). Usando las reglas (7.18), es fácil establecer, por ejemplo, que 239 partículas alfa Pu (figura 7.2) con una energía de 5.157 MeV se emiten solo durante la expansión central, mientras que para partículas alfa con energías 5.144 y 5.016 MeV l = 2.

7.3. Α-tasa de desintegración. La probabilidad de desintegración α como evento complejo es el producto de dos cantidades: la probabilidad de formación de una partícula α dentro del núcleo y la probabilidad de salir del núcleo. La formación de una partícula alfa es puramente nuclear; es bastante difícil de calcular con precisión, ya que todas las dificultades de un problema nuclear son inherentes a él. Sin embargo, para la estimación más simple, se puede suponer que las partículas α en el núcleo existen, como dicen, "en forma terminada". Permitir v Es la velocidad de la partícula α dentro del núcleo. Entonces en su superficie será norte veces por unidad de tiempo, donde norte = v/2R... Suponemos que, en orden de magnitud, el radio del núcleo es R es igual a la longitud de onda de De Broglie de la partícula α (ver Apéndice B), es decir , dónde ... Considerando, por tanto, la probabilidad de desintegración como el producto del coeficiente de transparencia de la barrera y la frecuencia de colisiones de una partícula α con la barrera, tenemos

. (7.19)

Si el coeficiente de transparencia de la barrera satisface la relación (7.15), luego de la sustitución y el logaritmo (7.19), obtenemos la ley de Geiger-Nettall (7.7). Tomando la energía de las partículas alfa T << V, es posible determinar aproximadamente cómo los coeficientes de la fórmula (7.7) dependen de A y Z núcleo radiactivo. Sustituyendo en (7.15) la altura de la barrera de Coulomb (7.8) y teniendo en cuenta que en la desintegración α Z 1 = Z α= 2 y μ ≈ M α, tenemos

,

dónde Z 2 - la carga del núcleo hijo. Luego, tomando el logaritmo de (7.19), encontramos que

,

.

Por lo tanto, CON 1 muy débilmente (logarítmicamente) depende de la masa del núcleo, y CON 2 depende linealmente de su carga.

Según (7.19), la frecuencia de colisiones de una partícula α con una barrera potencial es de aproximadamente 5 · 10 20 s –1 para la mayoría de las partículas α-radiactivas. En consecuencia, la cantidad que determina la constante de desintegración α resulta ser el coeficiente de transparencia de barrera, que depende en gran medida de la energía, ya que esta última está incluida en el exponente. Esta es la razón de la estrechez del rango en el que pueden cambiar las energías de las partículas α de los núcleos radiactivos: las partículas con energías superiores a 9 MeV vuelan casi instantáneamente, mientras que a energías inferiores a 4 MeV viven en el núcleo durante tanto tiempo que La desintegración α es muy difícil de registrar.

Como ya se señaló, los espectros de emisión α a menudo tienen una estructura fina, es decir, la energía de las partículas emitidas no adquiere uno, sino varios valores discretos. La aparición en el espectro de partículas con menor energía ( corto alcance) corresponde a la formación de núcleos hijos en estados excitados. En virtud de la ley (7.7), el rendimiento de las partículas α de corto alcance es siempre mucho menor que el rendimiento de las partículas del grupo principal. Por lo tanto, la estructura fina de los espectros α se asocia, por regla general, con transiciones a niveles excitados por rotación de núcleos no esféricos con bajas energías de excitación.

Si la desintegración del núcleo padre ocurre no solo desde el estado fundamental, sino también desde los estados excitados, se observa largo plazo partículas alfa. Un ejemplo son las partículas α de largo alcance emitidas por los núcleos de los isótopos de polonio 212 Po y 214 Po. Por lo tanto, la estructura fina de los espectros α en algunos casos transporta información sobre los niveles no solo de los núcleos hijos, sino también de los madre.

Teniendo en cuenta el hecho de que la partícula α no existe en el núcleo, sino que se forma a partir de sus nucleones constituyentes (dos protones y dos neutrones), así como una descripción más rigurosa del movimiento de la partícula α dentro del núcleo. , requiere una consideración más detallada de los procesos físicos que ocurren en el núcleo. En este sentido, no es sorprendente que las desintegraciones α de los núcleos se subdividan en ligero y detenidos... Una desintegración se denomina peso ligero si la fórmula (7.19) se satisface suficientemente bien. Si la vida media real excede la calculada en más de un orden de magnitud, tal desintegración se llama retardada.

La desintegración α facilitada se observa, por regla general, en núcleos pares-pares, y se retrasa, en todos los demás. Así, las transiciones del extraño núcleo de 235 U al suelo y el primer estado excitado de 231 Th se ralentizan casi mil veces. Si no fuera por esta circunstancia, este importante radionúclido (235 U) tendría una vida tan corta que no habría sobrevivido en la naturaleza a estas alturas.

La desintegración α cualitativamente retrasada se explica por el hecho de que la transición al estado fundamental durante la desintegración de un núcleo que contiene un nucleón desapareado (con la energía de enlace más baja) puede tener lugar solo cuando este nucleón se convierte en parte de la partícula α, es decir cuando se rompe otro par de nucleones. Esta forma de producir una partícula α es mucho más difícil que construirla a partir de pares de nucleones ya existentes en núcleos pares. Por esta razón, puede haber un retraso en la transición al estado fundamental. Si, por el contrario, se forma una partícula α a partir de pares de nucleones que ya existen en dicho núcleo, el núcleo hijo debería estar en un estado excitado después de la desintegración. El último razonamiento explica la probabilidad bastante alta de transición a estados excitados para núcleos impares (figura 7.2).