Позитронный распад и электронный захват

Альфа-распад

Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома ⁴He).

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Бета-распад

Основная статья: Бета-распад

Бета-минус-распад

Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. Бета-распад — это проявление слабого взаимодействия.

Бета-распад (точнее, бета-минус-распад, β⁻-распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и электронногоантинейтрино.

Фейнмановская диаграмма бета-минус-распада: d-кварк в одном из нейтронов ядра превращается в u-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в электрон и электронное антинейтрино.

Бета-распад является внутринуклонным процессом. Бета-минус-распад происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Свободные нейтроны также испытывают β⁻-распад, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино (см.Бета-распад нейтрона).

Правило смещения Содди для β⁻-распада:

Пример (бета-распад трития в гелий-3):

После β⁻-распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Позитронный распад и электронный захват

Фейнмановская диаграмма позитронного распада: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в позитрон и электронное нейтрино.

Фейнмановская диаграмма электронного захвата: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который взаимодействует с электроном оболочки, превращая его в электронное нейтрино.

Основная статья: Позитронный распад

Основная статья: Электронный захват

Существуют также другие типы бета-распада. В позитронном распаде (бета-плюс-распаде) ядро испускаетпозитрон и электронное нейтрино. При β⁺-распаде заряд ядра уменьшается на единицу (ядро смещается на одну клетку к началу таблицы Менделеева), то есть один из протонов ядра превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино (на кварковом уровне этот процесс можно описать как превращение одного изu-кварков в одном из протонов ядра в d-кварк; следует отметить, что свободный протон не может распасться в нейтрон, это запрещено законом сохранения энергии, т.к. нейтрон тяжелее протона; однако в ядре такой процесс возможен, если разность масс материнского и дочернего атома положительна). Позитронный распад всегда сопровождается конкурирующим процессом — электронным захватом; в этом процессе ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу. Однако обратное неверно: для многих нуклидов, испытывающих электронный захват (ε-захват), позитронный распад запрещён законом сохранения энергии. В зависимости от того, с какой из электронных оболочек атома (K, L, M,…) захватывается электрон при ε-захвате, процесс обозначается как К-захват, L-захват, M-захват, …; все они, при наличии соответствующих оболочек и достаточности энергии распада, обычно конкурируют, однако наиболее вероятен К-захват, поскольку концентрация электронов K-оболочки вблизи ядра выше, чем более удалённых оболочек. После захвата электрона образовавшаяся вакансия в электронной оболочке заполняется путём перехода электрона из более высокой оболочки, этот процесс может быть каскадным (после перехода вакансия не исчезает, а смещается на более высокую оболочку), а энергия уносится посредством рентгеновских фотонов и/или оже-электронов с дискретным энергетическим спектром.

Правило смещения Содди для β⁺-распада и электронного захвата:

Пример (ε-захват бериллия-7 в литий-7):

После позитронного распада и ε-захвата элемент смещается на 1 клетку к началу таблицы Менделеева(заряд ядра уменьшается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Двойной бета-распад

Основная статья: Двойной бета-распад

Наиболее редким из всех известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для одиннадцати нуклидов, и период полураспада для любого из них превышает 10¹⁹ лет. Двойной бета-распад, в зависимости от нуклида, может происходить:

· с повышением заряда ядра на 2 (при этом испускаются два электрона и два антинейтрино, 2β⁻-распад)

· с понижением заряда ядра на 2, при этом испускаются два нейтрино и

· два позитрона (двухпозитронный распад, 2β⁺-распад)

· испускание одного позитрона сопровождается захватом электрона из оболочки (электрон-позитронная конверсия, или εβ⁺-распад)

· захватываются два электрона (двойной электронный захват, 2ε-захват).

Предсказан, но ещё не открыт безнейтринный двойной бета-распад.

Общие свойства бета-распада[править | править вики-текст]

Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра, поскольку при любом бета-распаде общее количество нуклонов в ядре не изменяется, лишь один или два нейтрона превращаются в протоны (или наоборот).

Гамма-распад(изомерный переход)

Основная статья: Изомерия атомных ядер

Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра¹H, ²H, ³H и ³He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьё время жизни измеряется микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.

Закон радиоактивного распада(график, формула, период полураспада)

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией. Они обнаружили его экспериментальным путём и опубликовали в 1903 году в работах «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория»^[1] и «Радиоактивное превращение»^[2], сформулировав следующим образом^[3]:

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод^{[источник не указан 1763 дня]}:

Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.

Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:

которое означает, что число распадов −dN, произошедшее за короткий интервал времени dt, пропорционально числуатомов N в образце.

Содержание

· 1Экспоненциальный закон

· 2Характеристики распада

o 2.1Среднее время жизни

o 2.2Период полураспада

· 3Примеры характеристик распада

· 4Интересные факты

· 5Примечания

Экспоненциальный закон[править | править вики-текст]

Экспоненциальная кривая радиоактивного распада: по оси абсцисс («оси x») — время, пооси ординат («оси y») — количество нераспавшихся ядер или скорость распада в единицу времени.

В указанном выше математическом выражении — постоянная распада, которая характеризует вероятностьрадиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с⁻¹. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

где — начальное число атомов, то есть число атомов для

Таким образом, число радиоактивных атомов уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Скорость распада, то есть число распадов в единицу времени , также падает экспоненциально. Дифференцируя выражение для зависимости числа атомов от времени, получаем:

где — скорость распада в начальный момент времени

Таким образом, зависимость от времени числа нераспавшихся радиоактивных атомов и скорости распада описывается одной и той же постоянной ^[4][5][6][7].

Характеристики распада[править | править вики-текст]

Наглядная демонстрация закона.

Кроме константы распада радиоактивный распад характеризуют ещё двумя производными от неё константами, рассмотренными ниже.

Среднее время жизни

Основная статья: Время жизни

Из закона радиоактивного распада можно получить выражение для среднего времени жизни радиоактивного атома. Число атомов, в момент времени претерпевших распад в пределах интервала равно их время жизни равно Среднее время жизни получаем интегрированием по всему периоду распада:

Подставляя эту величину в экспоненциальные временные зависимости для и легко видеть, что за время число радиоактивных атомов и активность образца (количество распадов в секунду) уменьшаются в e раз^[4].

Период полураспада

Основная статья: Период полураспада

На практике получила большее распространение другая временная характеристика — период полураспада равная времени, в течение которого число радиоактивных атомов или активность образца уменьшаются в 2 раза^[4].

Связь этой величины с постоянной распада можно вывести из соотношения откуда:

Примеры характеристик распада

Существующие в природе радионуклиды в основном возникают в сложных цепочках распадов урана и тория и имеют периоды полураспада в очень широкой области значений: от 3·10⁻⁷ секунды для ²¹²Po до 1,4·10¹⁰ лет для ²³²Th. Наибольший зарегистрированный период полураспада имеет изотоп теллура¹²⁸Te — 2,2·10²⁴ лет. Само существование в настоящее время многих естественных радиоактивных элементов несмотря на то, что с момента образования этих элементов при звёздном нуклеосинтезе прошло более 4,5 млрд лет, является следствием очень больших периодов полураспада ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th и других природных радионуклидов. К примеру, изотоп ²³⁸U стоит в начале длинной цепочки (так называемый ряд радия), состоящей из 20 изотопов, каждый из которых возникает при α-распаде или β-распаде предыдущего элемента. Период полураспада ²³⁸U (4,5·10⁹ лет) много больше, чем период полураспада любого из последующих элементов радиоактивного ряда, поэтому распад в целом всей цепочки происходит за то же время, что и распад ²³⁸U, её родоначальника, в таких случаях говорят, что цепочка находится в состоянии секулярного (или векового) равновесия^[7]. Примеры характеристик распада некоторых веществ^[8]:

Вещество	238U	235U	234U	210Bi	210Tl
Период полураспада	4,5·109 лет	7,13·108 лет	2,48·105 лет	4,97 дня	1,32 минуты
Постоянная распада	4,84·10−18с−1		8,17·10−14с−1	1,61·10−6с−1	8,75·10−3с−1
Частица	α	α	α	β	β
Полная энергия распада	4,2 МэВ	4,6783[9]	4,75 МэВ	1,17 МэВ	1,80 МэВ