ما هو اضمحلال ألفا واضمحلال بيتا؟ اضمحلال بيتا، اضمحلال ألفا: الصيغ وردود الفعل. أنواع التحولات النووية واضمحلال ألفا وبيتا الفرق بين النوى المستقرة وغير المستقرة

1. فيزياء النواة الذرية 1.4. ب الاضمحلال

أنواع وخصائص اضمحلال بيتا. عناصر نظرية اضمحلال بيتا. العائلات المشعة

اضمحلال بيتاالنواة هي عملية التحول التلقائي للنواة غير المستقرة إلى نواة متساوية الضغط نتيجة انبعاث إلكترون (بوزيترون) أو التقاط إلكترون. ومن المعروف حوالي 900 نواة بيتا المشعة. من بينها 20 فقط طبيعية، والباقي يتم الحصول عليه بشكل مصطنع.
أنواع وخصائص اضمحلال بيتا

هناك ثلاثة أنواع β - الاضمحلال: إلكتروني β - - الاضمحلال البوزيتروني β + - الاضمحلال وأسر الإلكترون ( ه-يأسر). النوع الرئيسي هو الأول.

في الإلكترونية ب – -فساديتحول أحد نيوترونات النواة إلى بروتون مع انبعاث إلكترون وإلكترون مضاد النيوترينو.

أمثلة: اضمحلال النيوترون الحر

, ت 1/2 = 11.7 دقيقة؛

اضمحلال التريتيوم

, ت 1/2 = 12 سنة.

في بوزيترون β + -فساديتحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون مع انبعاث إلكترون موجب الشحنة (بوزيترون) وإلكترون نيوترينو

. (1.41 ب)

مثال

من مقارنة أنصاف أعمار أسلاف الفصائل مع العمر الجيولوجي للأرض (4.5 مليار سنة)، يتضح أن كل الثوريوم 232 تقريبًا كان محفوظًا في مادة الأرض، أما اليورانيوم 238 فقد اضمحل تقريبًا النصف، اليورانيوم 235 - بالنسبة للجزء الأكبر، النبتونيوم 237 كلها تقريبًا.

وفقًا للمفاهيم الكيميائية الحديثة، العنصر هو نوع من الذرة له نفس الشحنة النووية، وهو ما ينعكس في الرقم التسلسلي للعنصر في جدول D.I. مندليف. قد تختلف النظائر في عدد النيوترونات، وبالتالي الكتلة الذرية، ولكن بما أن عدد الجزيئات المشحونة إيجابيا - البروتونات - هو نفسه، فمن المهم أن نفهم أننا نتحدث عن نفس العنصر.

كتلة البروتون تساوي 1.0073 amu. (وحدات الكتلة الذرية) والشحنة +1. وحدة الشحنة الكهربائية هي شحنة الإلكترون. كتلة النيوترون المتعادل كهربائيًا هي 1.0087 amu. لتعيين نظير، من الضروري الإشارة إلى كتلته الذرية، وهي مجموع كل البروتونات والنيوترونات، وشحنة النواة (عدد البروتونات، أو العدد الذري، وهو نفس الشيء). عادةً ما تُكتب الكتلة الذرية، والتي تسمى أيضًا رقم النيوكليون أو النيوكليون، في أعلى يسار رمز العنصر، ويُكتب العدد الذري في أسفل اليسار.

يتم استخدام شكل مماثل من التدوين للجسيمات الأولية. وبالتالي، فإن أشعة بيتا، وهي عبارة عن إلكترونات ولها كتلة صغيرة بشكل مهمل، يتم تخصيص شحنة لها بمقدار -1 (أسفل) وعدد كتلي قدره 0 (أعلى). جسيمات ألفا هي أيونات هيليوم موجبة ومزدوجة الشحنة، ولذلك يُشار إليها بالرمز "He" بشحنة نووية قدرها 2 وعدد كتلي قدره 4. وتُؤخذ الكتل النسبية للبروتون p n على أنها 1، وشحناتها هي، على التوالي، 1 و 0.

نظائر العناصر عادة لا يكون لها أسماء منفصلة. الاستثناء الوحيد هو الهيدروجين: نظيره ذو العدد الكتلي 1 هو البروتيوم، 2 هو الديوتيريوم، 3 هو التريتيوم. يرجع إدخال الأسماء الخاصة إلى حقيقة أن نظائر الهيدروجين تختلف قدر الإمكان عن بعضها البعض في الكتلة.

النظائر: مستقرة ومشعة

النظائر مستقرة ومشعة. الأول لا يخضع للتحلل، وبالتالي يتم الحفاظ عليه في الطبيعة في شكله الأصلي. ومن أمثلة النظائر المستقرة الأكسجين ذو الكتلة الذرية 16، والكربون ذو الكتلة الذرية 12، والفلور ذو الكتلة الذرية 19. معظم العناصر الطبيعية عبارة عن خليط من عدة نظائر مستقرة.

أنواع الاضمحلال الإشعاعي

النظائر المشعة، الطبيعية والاصطناعية، تضمحل تلقائيًا عن طريق انبعاث جسيمات ألفا أو بيتا لتكوين نظير مستقر.

يتحدثون عن ثلاثة أنواع من التحولات النووية التلقائية: اضمحلال ألفا، واضمحلال بيتا، واضمحلال جاما. أثناء اضمحلال ألفا، تُصدر النواة جسيم ألفا يتكون من بروتونين ونيوترونين، ونتيجة لذلك ينخفض ​​العدد الكتلي للنظير بمقدار 4 وشحنة النواة بمقدار 2. على سبيل المثال، يضمحل الراديوم إلى غاز الرادون وأيون الهليوم:

رع (226، 88) → Rn (222، 86) + هو (4، 2).

في اضمحلال بيتا، يتحول النيوترون الموجود في نواة غير مستقرة إلى بروتون، وتطلق النواة جسيم بيتا ومضاد النيوترينو. لا يتغير العدد الكتلي للنظير، لكن شحنة النواة تزداد بمقدار 1.

أثناء اضمحلال γ، تبعث النواة المثارة إشعاع γ بطول موجي قصير. وفي هذه الحالة، تنخفض الطاقة النووية، لكن الشحنة النووية والعدد الكتلي يظلان دون تغيير.

تفتح أجهزة تخزين الأيونات الثقيلة فرصًا جديدة بشكل أساسي في دراسة خصائص النوى الغريبة. على وجه الخصوص، فهي تسمح بتراكم واستخدام الذرات المتأينة بالكامل - النوى "العارية" على المدى الطويل. ونتيجة لذلك يصبح من الممكن دراسة خواص النوى الذرية التي لا تتمتع ببيئة إلكترونية والتي لا يوجد فيها تأثير كولوم للغلاف الإلكتروني الخارجي مع النواة الذرية.

أرز. 2.3 مخطط الالتقاط الإلكتروني في النظير (يسار) والذرات المتأينة بالكامل و(يمين)

تم اكتشاف الاضمحلال إلى الحالة المقيدة للذرة لأول مرة في عام 1992. وقد لوحظ اضمحلال β للذرة المتأينة بالكامل إلى الحالات الذرية المقيدة. تم وضع علامة على نواة 163 Dy باللون الأسود على الرسم البياني N-Z للنواة الذرية. وهذا يعني أنها نواة مستقرة. في الواقع، كونها جزءًا من ذرة محايدة، فإن نواة 163 داي مستقرة. يمكن ملء حالتها الأرضية (5/2 +) نتيجة الالتقاط الإلكتروني من الحالة الأرضية (7/2 +) لنواة 163 Ho. نواة 163 Ho، محاطة بغلاف إلكتروني، مشعة β وعمر النصف لها هو ~10 4 سنوات. ومع ذلك، هذا صحيح فقط إذا اعتبرنا النواة محاطة بغلاف إلكتروني. بالنسبة للذرات المتأينة بالكامل فإن الصورة مختلفة بشكل أساسي. الآن الحالة الأرضية للنواة 163 Dy أعلى في الطاقة من الحالة الأرضية للنواة 163 Ho والاحتمال مفتوح لاضمحلال 163 Dy (الشكل 3.2).

يمكن التقاط الإلكترون الناتج عن الاضمحلال في الغلاف K أو L الشاغر للأيون. ونتيجة لذلك، فإن الاضمحلال (3.8) له الشكل

→ + e - + e (في حالة ملزمة).

طاقات β-تحلل في قذائف K و L تساوي (50.3 ± 1) كيلو إلكترون فولت و (1.7 ± 1) كيلو إلكترون فولت، على التوالي. لمراقبة التحلل إلى الحالات المقيدة للقشرة K وL، تم تجميع 10 8 نوى متأينة بالكامل في حلقة تخزين ESR في GSI. خلال فترة التراكم، تم تشكيل النوى نتيجة لاضمحلال β + (الشكل 3.3).

أرز. 3.3. ديناميات تراكم الأيونات: أ - تيار أيونات Dy 66+ المتراكمة في حلقة تخزين ESR خلال مراحل مختلفة من التجربة، β - شدة أيونات Dy 66+ وHo 67+، مقاسة بواسطة كاشفات خارجية وداخلية حساسة للموضع، على التوالي

وبما أن أيونات Ho 66+ لها نفس نسبة M/q مثل أيونات الحزمة الأولية Dy 66+، فإنها تتراكم في نفس المدار. كان وقت التراكم ~ 30 دقيقة. من أجل قياس نصف عمر نواة Dy 66+، كان لا بد من تنقية الحزمة المتراكمة في المدار من خليط أيونات Ho 66+. لتنظيف الشعاع من الأيونات، تم حقن نفث غاز الأرجون بكثافة 6·10 12 ذرة/سم2 وقطر 3 مم في الحجرة، التي عبرت الشعاع الأيوني المتراكم في الاتجاه الرأسي. نظرًا لحقيقة أن أيونات Ho 66+ التقطت الإلكترونات، فقد غادرت مدار التوازن. تم تنظيف الشعاع لمدة 500 ثانية تقريبًا. وبعد ذلك تم حظر تيار الغاز واستمرت أيونات Dy 66+ وأيونات Ho 66+، التي تشكلت حديثًا (بعد إيقاف تشغيل تيار الغاز) نتيجة للتحلل، في الدوران في الحلقة. وتراوحت مدة هذه المرحلة من 10 إلى 85 دقيقة. يعتمد اكتشاف وتحديد هوية Ho 66+ على حقيقة أن Ho 66+ يمكن أن يتأين بشكل أكبر. للقيام بذلك، في المرحلة الأخيرة، تم حقن طائرة الغاز مرة أخرى في حلقة التخزين. تم تجريد الإلكترون الأخير من أيون 163 Ho 66+، مما أدى إلى ظهور أيون 163 Ho 67+. تم وضع كاشف حساس للموضع بجوار نفث الغاز، والذي سجل 163 أيون Ho 67+ الخارجة من الشعاع. في التين. يوضح الشكل 3.4 اعتماد عدد 163 نواة Ho التي تكونت نتيجة لتحلل β على وقت التراكم. يُظهر الشكل الداخلي الدقة المكانية للكاشف الحساس للموضع.
وهكذا فإن تراكم 163 نواة Ho في شعاع 163 Dy كان دليلاً على احتمالية الاضمحلال

→ + e - + e (في حالة ملزمة).

أرز. 3.4. نسبة الأيونات الابنة 163 Ho 66+ إلى الأولية 163 Dy 66+ حسب زمن التراكم. أقحم: الذروة 163 Ho 67+، المسجلة بواسطة الكاشف الداخلي

من خلال تغيير الفاصل الزمني بين تنظيف الشعاع من شوائب Ho 66+ ووقت تسجيل أيونات Ho 66+ المتكونة حديثًا في الشعاع، من الممكن قياس نصف عمر نظير Dy 66+ المتأين بالكامل. وتبين أنها تساوي ~0.1 سنة.
تم اكتشاف اضمحلال مماثل لـ 187 Re 75+. النتيجة التي تم الحصول عليها مهمة للغاية بالنسبة للفيزياء الفلكية. الحقيقة هي أن ذرات 187 Re المحايدة لها نصف عمر يبلغ 4·10 10 سنوات وتستخدم كساعات مشعة. عمر النصف لـ 187 Re 75+ هو 33 ± 2 سنة فقط. لذلك، من الضروري إجراء التصحيحات المناسبة للقياسات الفيزيائية الفلكية، لأن في النجوم، غالبًا ما يوجد 187 Re في حالة متأينة.
تفتح دراسة خصائص الذرات المتأينة بالكامل اتجاهًا جديدًا للبحث في الخصائص الغريبة للنوى، المحرومة من تأثير كولوم للغلاف الإلكتروني الخارجي.

وفقا لأنواع الإشعاع الإشعاعي، هناك عدة أنواع من الاضمحلال الإشعاعي (أنواع التحولات الإشعاعية). العناصر التي تحتوي على عدد كبير جدًا من البروتونات أو النيوترونات في نواتها تخضع للتحول الإشعاعي. دعونا ننظر في أنواع الاضمحلال الإشعاعي.

1. اضمحلال ألفاخاصية العناصر المشعة الطبيعية ذات العدد الذري الكبير (أي ذات طاقات ربط منخفضة). هناك حوالي 160 نوعًا من نوى ألفا النشطة معروفة، ومعظمها يزيد رقمها التسلسلي عن 82 (Z > 82). يصاحب اضمحلال ألفا انبعاث عنصر غير مستقر من جسيم ألفا من النواة، وهو نواة ذرة الهيليوم He (تحتوي على 2 بروتون و2 نيوترون). تنخفض الشحنة النووية بمقدار 2 والعدد الكتلي بمقدار 4.

زاكس → Z-2 A-4 U + 2 4He؛ 92 238U → 24 هو + 90 234 ث؛

88 226Ra → 2 4He + 86 222Ra + γ المنبعثة.

أكثر من 10% من النظائر المشعة تخضع لاضمحلال ألفا.

2. اضمحلال بيتا.يتعرض عدد من النظائر المشعة الطبيعية والاصطناعية للتحلل، وينبعث منها إلكترونات أو بوزيترونات:

أ) اضمحلال بيتا الإلكتروني. وهي سمة لكل من النويدات المشعة الطبيعية والاصطناعية التي تحتوي على فائض من النيوترونات (أي النظائر المشعة الثقيلة بشكل أساسي). حوالي 46% من جميع النظائر المشعة تخضع لتحلل بيتا الإلكتروني. وفي هذه الحالة، يتحول أحد النيوترونات، وتطلق النواة نيوترينو مضاد. تزداد شحنة النواة، وبالتالي العدد الذري للعنصر بمقدار واحد، لكن العدد الكتلي يبقى دون تغيير.

من الألف إلى الياء X → من الألف إلى الياء+1 Y + e- + v-؛ 24194Pu → 24195Am + e- + v-؛ 6429Cu → 6430Zn + e- + v-؛ 4019K → 4020Ca + e- + v-.

عند انبعاث جسيمات بيتا، يمكن أن تكون النوى الذرية في حالة إثارة عندما يتم اكتشاف فائض من الطاقة في النواة الابنة، والتي لا تلتقطها الجسيمات الجسيمية. وتنبعث هذه الطاقة الزائدة في شكل أشعة جاما.

13785Cs → 13756 با + ه -+ v- + γ الانبعاثات؛

ب) اضمحلال بيتا البوزيترون. ويلاحظ في بعض النظائر المشعة الاصطناعية التي تحتوي على فائض من البروتونات في النواة. إنها سمة من سمات 11٪ من النظائر المشعة الموجودة في النصف الأول من جدول D.I. Mendeleev (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 + e+ + v+; 3015P → 3014Si + e+ + v+; 6428ني + ه+ + الخامس+.

يقوم البوزيترون، الذي يخرج من النواة، بتمزيق البوزيترون "الإضافي" من غلاف الذرة أو يتفاعل مع إلكترون حر، مكونًا زوجًا من "بوزيترون-إلكترون"، والذي يتحول على الفور إلى كوانتا جاما مع ما يعادلها من الطاقة لكتلة الجزيئات (e و e). تسمى عملية تحويل زوج البوزيترون والإلكترون إلى كوانتا جاما بالفناء (التدمير)، ويسمى الإشعاع الكهرومغناطيسي الناتج بالفناء. في هذه الحالة، هناك تحول في شكل واحد من أشكال المادة (جسيمات المادة) إلى فوتونات جاما أخرى؛

ج) الالتقاط الإلكتروني. هذا هو نوع من التحول الإشعاعي عندما تلتقط نواة الذرة إلكترونًا من مستوى الطاقة K الأقرب إلى النواة (التقاط K الإلكتروني)، أو أقل من 100 مرة، من مستوى L. ونتيجة لذلك، يتم تحييد أحد بروتونات النواة بواسطة إلكترون، ويتحول إلى. يصبح الرقم التسلسلي للنواة الجديدة أقل بواحد، لكن العدد الكتلي لا يتغير. تبعث النواة مضادات النيوترينو. المساحة الفارغة التي كانت مشغولة في المستوى K أو L بواسطة المستوى الملتقط مملوءة بإلكترون من مستويات الطاقة الأكثر بعدًا عن النواة. تنبعث الطاقة الزائدة المنبعثة خلال هذا التحول من الذرة في شكل إشعاع الأشعة السينية المميز.

AZХ + e- → AZ-1 У + v- + إشعاع الأشعة السينية؛

4019K + e- → Ar + v-+ إشعاع الأشعة السينية؛

6429Сu + e- → 6428 Ni+v- + إشعاع الأشعة السينية.

يتميز احتجاز الإلكترون K بـ 25% من جميع النوى المشعة، ولكن بشكل أساسي للنظائر المشعة الاصطناعية الموجودة في النصف الآخر من جدول D.I. مندلييف ووجود فائض في البروتونات (Z = 45 - 105). ثلاثة عناصر طبيعية فقط تخضع لالتقاط K: البوتاسيوم 40، اللانثانم 139، اللوتيتيوم 176 (4019K، 15957La، 17671Lu).

يمكن لبعض النوى أن تتحلل بطريقتين أو ثلاث: عن طريق اضمحلال ألفا وبيتا والالتقاط K.

يتعرض البوتاسيوم 40، كما ذكرنا سابقًا، للتحلل الإلكتروني بنسبة 88%، والالتقاط K بنسبة 12%. يتحول النحاس -64 (6428 درجة مئوية) إلى نيكل (انحلال البوزيترون - 19٪، التقاط K - 42٪؛ (الانحلال الإلكتروني - 39٪).

3. إن انبعاث إشعاع γ ليس نوعًا من التحلل الإشعاعي (لا يوجد تحول للعناصر)، ولكنه عبارة عن تيار من الموجات الكهرومغناطيسية الناشئة عن اضمحلال ألفا وبيتا للنوى الذرية (النظائر المشعة الطبيعية والاصطناعية)، عندما تحتوي النواة الابنة على طاقة زائدة لا يتم التقاطها بواسطة الإشعاع الجسيمي (جسيمات ألفا وبيتا). يتم إضاءة هذا الفائض على الفور في شكل أشعة جاما.

13153I → 13154Xe + e- +v- +2γ الكم؛ 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ الكم.

4.- انبعاث البروتون من النواة في الحالة الأرضية. يمكن ملاحظة هذه العملية في النوى المنتجة صناعيًا والتي تحتوي على عجز كبير في النيوترونات:

اللوتيتيوم - 151 (15171Lu) - يحتوي على 24 نيوترونًا أقل من النظير المستقر 17671Lu.