Бөлшектектердің спектрі

α-ыдырау деп, радиоактивті атом ядросының өздігінше түрленуінен альфа бөлшегін шығаруды айтамыз. Осындай түрлену кезінде электр заряды (Z) және массалық саны (А) болып келген аналық ядро, заряды Z-2 ал массалық саны А-4 болып келген _ZХ^А→_Z-2Y^A-4+ ₂He⁴ жаңа ұрпақтық ядро түзеді. Осындай альфа ыдырауға қатысқан ядроны, альфа-активті немесе орнықсыз альфа ядросы деп айтады.

Альфа бөлшегі ыдырағанда жаңа пайда болған ұрпақтық ядро бастапқы аналық ядроға дейінгі екінші химиялық элементтің ядросына айналады және альфа бөлшегі бөлініп шығады.

Альфа бөлшегі ыдырау кезінде ол энергетикалық тиімді болу керек, яғни аналық ядроның массасы, ұрпақтық ядромен бөлінген бөлшектердің толық массалар жиынтығынан артық болуы тиіс. Бұл шарт радиоактивті ыдырау үшін қажетті шарт болып табылады.

Альфа ыдырау өте көп тараған ядролық түрлену. Қазіргі кезде ауыр ядролар облысында 160-тан астам ядроның альфа-активті түрі бар. Реттік нөмірі Z>82 болып келген ядролардың барлығы дерлік альфа-активті ядро, ал Z<82-ден кіші ядролар, альфа -ыдырауға қатысты орнықты болып келеді. α-активті ядромен α-орнықты ядролар шекарасы ядроның қабықшалы құрылымына байланысты, оны протондық қабықшамен Z=82 нейтрондық қабықша N=126 толдырады. Z<82 кіші облыста α-активті ядро өте сирек кездеседі,мұндай ядро және электрон қармауға өте ыңғайсыз. Кейбір сирек жер элементтерінде де α-активті ядро кездеседі (₆₀Nd¹⁴⁴ - неодим, ₆₂Sm¹⁴⁶- самарий т.б.).

α- активті ядроның өмір сүру уақыты өте үлкен аралықта ауытқиды, мысалы полоний (₈₄Ро²¹²) үшін 3·10^-7сек., ал неодим (₆₀Nd¹⁴⁴) үшін 5·10¹⁵ жыл, ал α-активті ядроның жартылай ыдырау аралығы немесе өмір сүру уақыты, альфа бөлшегінің энергия шамасына тығыз байланысты.

Берілген альфа-активті ядро альфа бөлшегін шығарады, олардың энергиялары шамамен бірдей болады. Барлық радиоактивті изотоптардан шығатын альфа бөлшегінің энергиясы өте кіші интервал аралығында жатады (6Мэв).

Бірнеше жағдайда (сирек жер элементіндегі α-активті ядро) α-бөлшегінің шығаратын энергиясы шамамен 2÷4,5 Мэв аралығында. Ауыр α-активті ядро шығарған α-бөлшегінің энергия мәні 4,5÷8,8Мэв аралығында болады. Мысалы: өмір сүру уақыты қысқа ядроның (₈₄Ро²¹²- полоний) шығаратын α-бөлшегінің энергиясы .

Жоғары энергиямен ұшып шыққан α-бөлшегі өзінің жолындағы ауаны иондап үлкен бу бөлшектерін құрады. Газдағы пайда болған бу ионының энергиясы 33-34эв құрады. Сондықтанда 2-3Мэв энергиясы бар α-бөлшегі, өзінің қозғалыс жолында 10⁵ бу иондарын түзеді және өз энергиясын шығындап, кәдімгі гелий (Не⁴) атомына айналады. Альфа бөлшегінің трекі түзу сызықты, трек құралдарында жақсы бақыланады. Альфа активті ядроның берілген сортының және шығарған альфа бөлшегінің энергиялары мен еркін жол ұзындығы (L) бірдей.

Біртекті α-бөлшегінің шоғы мысалы ауа арқылы өтcін. Егер көздеген әртүрлі қашықтықтағы альфа бөлшегінің санын санайтын болсақ, онда α-бөлшегінің жол ұзындығына байланысты.α-бөлшегі әрбір газ молекуласымен соқтығысқан сайын 34эв энергия шығын болады, осыған байланысты альфа бөлшегі жолында барлық кинетикалық энергиясын шығындайды.

Гейгердің эмпириалық формуласын пайдалана отырып, бөлшектің орташа жол ұзындығымен жылдамдығының арасындағы байланысты табамыз:

cм(5.7.1)

мұндағы а=9,7·10^-28г^-3/2·см^-2·сек³; υ~см/сек.

1911ж. Гейгер және Нэттол, α-бөлшегінің жол ұзындығымен ыдырау тұрақтысының арасындағы тәуелділікті салыстырып мынадай теңдеу жазды:

(5.7.2)

бұл теңдеу Гейгер -Нэттол формуласы деп аталады, мұндағы λ-ыдырау тұрақтысы, - орташа жол ұзындығы, А және В-тұрақты әрбір радиоактивті әулеттер үшін әртүрлі мәнге ие болады.

Альфа бөлшегінің жол ұзындығы мен жылдамдығы энергияға байланысты Гейгер - Нэттол заңы мынадай түрде жазылады:

(5.7.3)

бұл теңдеу ыдырау тұрақтысымен (λ), α-бөлшегінің шығарған энергиясының байланысын көрсетеді.

Жоғарыдағы Гейгер-Нэттол заңдылықтары (5.7.2) және (5.7.3) формулалары жуықталған теңдеу болып табылады. Шын мәнінде α-бөлшегінің тек энергиясына ғана тәуелді емес, сонымен қатар, ол реттік нөміріне (Z), ядро радиусына (R) және басқа да өлшемдеріне байланысты.

Альфа бөлшегінің бастапқы энергиясын, жол ұзындығымен байланыстыру тәсілі өте өрескел, бұл α-бөлшегінің энергетикалық спектрінің нәзік құрылымын қарастыруға келмейді. Радиоактивті ядроның шығаратын альфа бөлшегінің энергиясымен импульсының дәл мәнін алу үшін магниттік альфа-спектрометрді пайдаланамыз.

Массасы -m, заряды q=Ze бөлшек, индукциясы , магнит өрісіне перпендикуляр жазықтық бойымен дөңгелек траекториямен қозғалса, онда радиусы:

(5.7.4)

Магниттік альфа-спектрометр көмегімен жүргізілген зерттеулер кезінде, құралдың көрсетуі бойынша альфа - активті ядро, альфа бөлшегінің бірнеше монохрамат тобын шығарады. Мысалы: уран (U²³⁸) ядросы альфа бөлшегінің, энергиясы 4,180; 4,135 және 4,195 Мэв, үш топ бөлшегін шығарады, ал полоний (Ро²¹²) энергиясы 8,780Мэв және энергиясы 9,492; 10,422; 10,543 Мэв-ке, жол ұзындығы әртүрлі үш альфа бөлшектерін шығарады. Яғни, ядродан альфа бөлшегінің негізгі тобымен қатар энергиялары жол ұзындығына байланысты, энергиясы одан артық бөлшектер шығаратынын көре аламыз.

Осы жоғары көрсетілген альфа-бөлшектердің кинетикалық энергиясының өзгеру аралығы онша кең емес, ал жартылай ыдырау аралығының өзгеру аралығы өте кең (үлкен). Осы уақытқа дейінгі альфа-активті ядролардың, альфа бөлшектерінің энергиясы 4÷9 Мэв аралығында жатса, олардың жартылай ыдырау периодтары 10^-7 секундтан 10¹⁰ жыл аралығында жатады.

Енді альфа бөлшектерінің спектрі қандай болатынын қарастырайық. Альфа-активті изотоптың шығаратын альфа бөлшектерінің энергиясы әртүрлі немесе оптикалық терминді пайдаланып альфа бөлшегінің спектрі бірнеше сызықтардан (α-сәулесінің нәзік құрылымы) тұрады. Альфа бөлшегінің сызықтық спектрін екі типке жіктейміз.

Бірінші типті құрайтын альфа спектрінің интенсивтігі жоғары, онда энергиясы үлкен болады, ал көршілес топтың интенсивтігі аз біршама нәзік топ құрады, ол негізгі топтың интенсивтігінен 10³-10⁶ есе кіші болады.