Радиоактивные излучения. Нейтрино и анти нейтрино. Изотопы
Радиоактивные излучения.
В настоящее время подрадиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется наестественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) иискусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций).
Радиоактивное излучение бывает трех типов: -, - и -излучение. Подробное их исследование позволило выяснить природу и основные свойства.
-Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (например, поглощаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). -Излучение представляет собой поток ядер гелия; заряд -частицы равен +2е, а масса совпадает с массой ядра изотопа гелия 
Не. По отклонению -частиц в электрическом и магнитном полях был определен их удельный заряд Q/m , значение которого подтвердило правильность представлений об их природе.
-Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у -частиц. -Излучение представляет собой поток быстрых электронов (это вытекает из определения их удельного заряда).
Нейтрино и антинейтрино
по предложению В. Паули переименована в нейтрино, что в переводе с итальянского означает «маленькая нейтральная частица». Образование нейтрино в результате β‑распада спасло казавшиеся нарушенными законы сохранения энергии и импульса. Нейтрино имело квантовое число спин s = 1/2 и уносило недостающую часть энергии и импульса. Нейтрино появлялись как в результате β-‑распада, так и в результате β+‑распада. Обнаружение нейтрино оказалось очень сложной задачей. Лишь в 1956 г. Ф. Райнесу и К. Коэнуудалось в результате сложного эксперимента доказать существование антинейтрино. Были зарегистрированы антинейтрино, образующиеся в ядерном реакторе в результате деления атомных ядер. Как и предсказал В. Паули нейтрино имеет очень маленькое сечение взаимодействия с веществом σ ≈ 10-43 см2.
Свидетельством существования антинейтрино явилось наблюдение реакции
e + p → e+ + n.
Обнаружение антинейтрино привело к очередной проблеме: являются ли нейтрино образующиеся в результате β+- и β-‑распадов одинаковыми частицами или различными? Для выяснения вопроса являются ли ν и тождественными частицами или между ними существует какое-то различие, был поставлен эксперимент по регистрации реакции
| + n → p + e-. | (5.1) |
Нейтрино, образующиеся в результате β+- и β-‑распадов разные частицы – они являются частицей и античастицей. Частица, появляющаяся при β-‑распаде вместе с электроном, была названа антинейтрино, а частица, появляющаяся при β+-распаде вместе с позитроном, была названа нейтрино.
Таблица 5.1
Нейтрино всегда в конечном состоянии появляется в паре с позитроном, а антинейтрино − в паре с электроном. При облучении нуклонов в пучке нейтрино в конечном состоянии наблюдаются только электроны. Если реакция происходит под действием антинейтрино, среди продуктов реакции всегда присутствуют позитроны, и никогда не наблюдаются электроны. Из закона сохранения лептонного числа следует, какие реакции с участием электронных нейтрино и антинейтрино возможны, а какие запрещены.
| Разрешены реакции | Запрещены реакции |
| e + p → n + e+ νe + n → p + e- | νe + p → n + e+ e + n → p + e-. |
Нейтрино имеет спин s = 1/2. Если частица имеет спин s = 1/2, то возможны две различные ориентации спина относительно направления импульса p частицы. Различают правополяризованные и левополяризованные частицы. Правополяризованной считается частица, спин которой направлен по импульсу, левополяризованной − против импульса. Для характеристики взаимного направления спина и импульса частицы вводится понятие спиральности h, которое определяется соотношением
Тогда согласно определению правополяризованные частицы имеют положительную спиральность h = +1, лепополяризованные − отрицательную
Таким образом, нейтрино ν отличается от своей античастицы антинейтрино
· значением электронного лептонного числа Le
Le(ν) = +1, Le( ) = -1;
· значением спиральности h
h(ν) = -1, h( ) = +1
ИЗОТОПЫ–Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов (см.также АТОМА ЯДРО). Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопаминазываются поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы «снаружи», но различны «внутри».
Изатопы– это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Каждый изотоп принято обозначать набором символов 
, где X – символ химического элемента, Z – заряд ядра атома (число протонов), А – массовое число изотопа (общее число нуклонов – протонов и нейтронов в ядре, A = Z + N). Поскольку заряд ядра оказывается однозначно связанным с символом химического элемента, часто для сокращения используется просто обозначение AX.
Из всех известных нам изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2H и 3H носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D и T (изотоп 1H называют иногда протием).
В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные – радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером Z 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Число стабильных изотопов существенно меньше, Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Наибольшее число стабильных изотопов – 10 обнаружено у олова, у железа, например, их – 4, у ртути – 7.
Применение изотопов.Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем, для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны.