Что такое альфа-распад и бета-распад? Бета-распад, альфа-распад: формулы и реакции. Типы ядерных превращений, альфа и бета-распад Различие между стабильным и нестабильным ядром

1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.4. β-распад

Виды и свойства бета- распада. Элементы теории бета-распада. Радиоактивные семейства

Бета-распадом ядра называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар в результате испускания электрона (позитрона) или захвата электрона. Известно около 900 бета-радиоактивных ядер. Из них только 20 являются естественными, остальные получены искусственным путем.
Виды и свойства бета-распада

Существует три вида β -распада: электронный β – -распад, позитронный β + -распад и электронный захват(е -захват). Основным видом является первый.

При электронном β – -распаде один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино.

Примеры: распад свободного нейтрона

, Т 1/2 =11,7 мин;

распад трития

, Т 1/2 = 12 лет.

При позитронном β + -распаде один из протонов ядра превращается в нейтрон с испусканием положительно заряженного электрона (позитрона) и электронного нейтрино

. (1.41б)

Пример

Из сравнения периодов полураспада родоначальников семейств с геологическим временем жизни Земли (4,5 млрд. лет) видно, что в веществе Земли торий-232 сохранился почти весь, уран-238 распался примерно наполовину, уран-235 – большей частью, нептуний-237 практически весь.

Согласно современным химическим представлениям, элемент – это вид атомов с одним и тем же зарядом ядра, который отражен в порядковом номере элемента в таблице Д.И. Менделеева. Изотопы могут отличаться количеством нейтронов и, соответственно, атомной массой, но поскольку число положительно заряженных частиц - протонов - одинаково, важно понимать, что речь идет об одном и том же элементе.

Протон имеет массу 1,0073 а.е.м. (атомные единицы массы) и заряд +1. За единицу электрического заряда принят заряд электрона. Масса электронейтрального нейтрона – 1,0087 а.е.м. Чтобы обозначить изотоп, необходимо указать его атомную массу, которая складывается из всех протонов и нейтронов, и заряд ядра (число протонов или, что то же самое, порядковый номер). Атомную массу, называемую также нуклонным числом или нуклоном, записывают обычно слева сверху от символа элемента, а порядковый номер – слева снизу.

Аналогичная форма записи используется и для элементарных частиц. Так, β-лучам, представляющим собой электроны и имеющим пренебрежительно малую массу, приписывают заряд -1 (снизу) и массовое число 0 (сверху). α-частицы – это положительные двухзарядные ионы гелия, поэтому их обозначают символом «He» с зарядом ядра 2 и массовым числом 4. Относительные массы протона p n приняты за 1, а их заряды, соответственно, равны 1 и 0.

Изотопы элементов обычно не имеют отдельных названий. Исключение составляет лишь водород: его изотоп с массовым числом 1 – это протий, 2 – дейтерий, 3 – тритий. Введение специальных наименований вызвано тем, что изотопы водорода максимально отличаются друг от друга по массе.

Изотопы: стабильные и радиоактивные

Изотопы стабильными и радиоактивными. Первые не подвергаются распаду, поэтому сохраняются в природе в первозданном виде. Примеры стабильных изотопов – кислород с атомной массой 16, углерод с атомной массой 12, фтор с атомной массой 19. Большинство природных элементов – это смесь нескольких стабильных изотопов.

Виды радиоактивного распада

Радиоактивные изотопы, естественные и искусственные, самопроизвольно распадаются с испусканием α- или β-частиц до образования стабильного изотопа.

Говорят о трех видах самопроизвольных ядерных превращений: α-распаде, β-распаде и γ-распаде. При α-распаде ядро испускает α-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов, в результате чего массовое число изотопа уменьшается на 4, а заряд ядра – на 2. Так, например, радий распадается на радон и ион гелия:

Ra(226, 88)→Rn(222, 86)+He(4, 2).

В случае β-распада нейтрон в неустойчивом ядре превращается в протон, и ядро испускает β-частицу и антинейтрино. Массовое число изотопа при этом не изменяется, но заряд ядра возрастает на 1.

При γ-распаде возбужденное ядро испускает γ-излучение с малой длиной волны. Энергия ядра при этом уменьшается, но заряд ядра и массовое число остаются неизменными.

Накопители тяжелых ионов открывают принципиально новые возможности в исследовании свойств экзотических ядер. В частности, они позволяют накапливать и в течение длительного времени использовать полностью ионизованные атомы – «голые» ядра. В результате становится возможным исследовать свойства атомных ядер, у которых нет электронного окружения и в которых отсутствует кулоновское воздействие внешней электронной оболочкис атомным ядром.

Рис. 3.2 Схема e-захвата в изотопе (слева) и полностью ионизованных атомах и (справа)

Распад на связанное состояние атома был впервые обнаружен в 1992 г. Наблюдался β - -распад полностью ионизованного атома на связанные атомные состояния . Ядро 163 Dy на N-Z диаграмме атомных ядер помечено черным цветом. Это означает, что оно является стабильным ядром. Действительно, входя в состав нейтрального атома, ядро 163 Dy стабильно. Его основное состояние (5/2 +) может заселятся в результате e-захвата из основного состояния (7/2 +) ядра 163 Ho. Ядро 163 Ho, окруженное электронной оболочкой,β - -радиоактивно и его период полураспада составляет ~10 4 лет. Однако это справедливо только если рассматривать ядро в окружении электронной оболочки. Для полностью ионизированных атомов картина принципиально другая. Теперь основное состояние ядра 163 Dy оказывается по энергии выше основного состояния ядра 163 Ho и открывается возможность для распада 163 Dy (рис. 3.2)

Образующийся в результате распада электрон может быть захвачен на вакантную К или L-оболочку иона . В результате распад (3.8) имеет вид

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Энергии β-распадов на K и L-оболочки равны соответственно (50.3±1) кэВ и (1.7±1) кэВ. Для наблюдения распада на связанные состояния K- и L-оболочки в накопительном кольце ESR в GSI было накоплено 10 8 полностью ионизированных ядер . В течение времени накопления в результате β + -распада образовывались ядра (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Динамика накопления ионов: а - ток накопленных в накопительном кольце ESR ионов Dy 66+ во время разных стадий эксперимента, β- интенсивности ионов Dy 66+ и Ho 67+ , измеренные внешним и внутренним позиционно-чувствительными детекторами соответственно

Так как ионы Ho 66+ имеют практически то же отношение M/q, что и ионы первичного пучка Dy 66+ , они накапливаются на одной и той же орбите. Время накопления составляло ~ 30 мин. Для того, чтобы измерить период полураспада ядра Dy 66+ , накопленный на орбите пучок было необходимо очистить от примеси ионов Ho 66+ . Для очистки пучка от ионов в камеру инжектировалась аргоновая газовая струя плотностью 6·10 12 атом/см 2 , диаметром 3 мм, которая пересекала накопленный пучок ионов в вертикальном направлении. За счет того, что ионыHo 66+ захватывали электроны, они выбывали с равновесной орбиты. Очистка пучка проходила в течение приблизительно 500 с. После чего газовая струя перекрывалась и в кольце продолжали циркулировать ионы Dy 66+ и вновь образовавшиеся (после выключения газовой струи) в результате распада ионы Ho 66+ . Продолжительность этого этапа менялась от 10 до 85 мин. Детектирование и идентификация Ho 66+ базировались на том, что Ho 66+ можно еще сильнее ионизировать. Для этого на последнем этапе в накопительное кольцо снова инжектировалась газовая струя. Происходило обдирание последнего электрона с иона 163 Ho 66+ и в результате получался ион 163 Ho 67+ . Рядом с газовой струей располагался позиционно-чувствительный детектор, которым регистрировались выбывающие из пучка ионы 163 Ho 67+ . На рис. 3.4 показана зависимость числа образующихся в результате β-распада ядер 163 Ho от времени накопления. На вставке показано пространственное разрешение позиционно-чувствительного детектора.
Таким образом, накопление в пучке 163 Dy ядер 163 Ho явилось доказательством возможности распада

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Рис. 3.4. Отношение дочерних ионов 163 Ho 66+ к первичным 163 Dy 66+ в зависимости от времени накопления. На врезке пик 163 Ho 67+ , зарегистрированный внутренним детектором

Варьируя интервал времени между очисткой пучка от примеси Ho 66+ и временем регистрации вновь образующихся в пучке примеси ионов Ho 66+ , можно измерить период полураспада полностью ионизированного изотопа Dy 66+ . Оно оказалось равным ~0.1 года.
Аналогичный распад был обнаружен и для 187 Re 75+ . Полученный результат крайне важен для астрофизики. Дело в том, что нейтральные атомы 187 Re имеют период полураспада 4·10 10 лет и используются как радиоактивные часы. Период полураспада 187 Re 75+ составляет всего 33±2 года. Поэтому в астрофизические измерения необходимо вносить соответствующие поправки, т.к. в звездах 187 Re чаще всего находится в ионизированном состоянии.
Изучение свойств полностью ионизованных атомов открывает новое направление исследований экзотических свойств ядер, лишенных кулоновского воздействия внешней электронной оболочки.

В соответствии с видами радиоактивных излучений существуют несколько видов радиоактивного распада (типов радиоактивных превращений). Радиоактивному превращению подвергаются элементы, в ядрах которых слишком много протонов или нейтронов. Рассмотрим виды радиоактивного распада.

1. Альфа-распад характерен для естественных радиоактивных элементов с большим порядковым номером (т.е. с малыми энергиями связи). Известно около 160 альфа-активных видов ядер, в основном порядковый номер их более 82 (Z > 82). Альфа-распад сопровождается испусканием из ядра неустойчивого элемента альфа-частицы, которая представляет собой ядро атома гелия Не (в его составе 2 протона и 2 нейтрона). Заряд ядра уменьшается на 2, массовое число - на 4.

ZАХ → Z-2 А-4 У + 2 4Не; 92 238U →24 Не + 90 234Th;

88 226Ra→2 4He + 86 222Ra + γ изл.

Альфа - распад подвергается более 10% радиоактивных изотопов.

2. Бета-распад. Ряд естественных и искусственных радиоактивных изотопов претерпевают распад с испусканием электронов или позитронов:

а) Электронный бета-распад. характерен как для естественных, так и для искусственных радионуклидов, которые имеют излишек нейтронов (т.е. в основном для тяжелых радиоактивных изотопов). Электронному бета-распаду подвергается около 46% всех радиоактивных изотопов. При этом один из нейтронов превращается в , а ядро испускает и антинейтрино. Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента при этом увеличивается на единицу, а массовое число остается без изменения.

АZ Х → АZ+1 У + е- + v-; 24194Pu→24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.

При испускании β-частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии, когда в дочернем ядре обнаруживается избыток энергии, которая не захвачена корпускулярными частицами. Этот излишек энергии высвечивается в виде гамма-квантов.

13785Cs → 13756 Ва + е -+ v- + γ изл.;

б) позитронный бета-распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов, у которых в ядре имеется излишек протонов. Он характерен для 11% радиоактивных изотопов, находящихся в первой половине таблицы Д.И.Менделеева (Z<45). При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в , заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.

AZX → AZ-1У + е+ + v+; 3015P → 3014Si + e+ + v+; 6428Ni + e+ + v+.

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е и е). Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два гамма-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение - аннигиляционного. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую - гамма-фотоны;

в) электронный захват. Это такой вид радиоактивного превращения, когда ядро атома захватывает электрон из ближайшего к ядру энергетического К-уровня (электронный К-захват) или реже в 100 раз - из L уровня. В результате один из протонов ядра нейтрализуется электроном, превращаясь в . Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше, а массовое число не изменяется. Ядро испускает антинейтрино. Освободившееся место, которое занимал в К или L-уровне захваченный , заполняется электроном из более удаленных от ядра энергетических уровней. Избыток энергии, освободившийся при таком переходе, испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения.

AZХ + е- → AZ-1 У + v- + рентгеновское излучение;

4019К + е- → Аr + v-+ рентгеновское излучение;

6429Сu + е- → 6428 Ni+v- + рентгеновское излучение.

Электронный К-захват характерен для 25% всех радиоактивных ядер, но в основном для искусственных радиоактивных изотопов, расположенных в другой половине таблицы Д.И. Менделеева и имеющих излишек протонов (Z = 45 - 105). Только три естественных элемента претерпевают К-захват: калий-40, лантан-139, лютеций-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).

Некоторые ядра могут распадаться двумя или тремя способами: путем альфа- и бета-распада и К-захвата.

Калий-40 подвергается, как уже отмечалось, электронному распаду - 88%, и К-захвату - 12%. Медь-64 (6428Сu) превращается в никель (позитронный распад - 19%, К-захват - 42%; (электронный распад - 39%).

3. Испускание γ-излучения не является видом радиоактивного распада (при этом не происходит превращение элементов), а представляет собой поток электромагнитных волн, возникающих при альфа- и бета-распаде ядер атомов (как естественных, так и искусственных радиоактивных изотопов), когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- и бета- частицей). Этот избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов.

13153I → 13154Xe + e- +v- +2γ кванта; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ квант.

4. - испускание протона из ядра в основном состоянии. Этот процесс может наблюдаться у искусственно полученных ядер с большим дефицитом нейтронов:

лютеций - 151 (15171Lu) - в нем на 24 нейтрона меньше, чем в стабильном изотопе 17671Lu.