Zem radioaktīvā sabrukšana vai vienkārši sadalīšanās, izprast kodolu dabisko radioaktīvo transformāciju, kas notiek spontāni. Tiek saukts atoma kodols, kurā notiek radioaktīvā sabrukšana mātes, topošais kodols - meitasuzņēmumi.
Radioaktīvās sabrukšanas teorija balstās uz pieņēmumu, ka radioaktīvā sabrukšana ir spontāns process, kas pakļaujas statistikas likumiem. Tā kā atsevišķi radioaktīvie kodoli sadalās neatkarīgi viens no otra, mēs varam pieņemt, ka kodolu skaits d N, sabruka vidēji laika intervālā no t pirms tam t + dt, proporcionāli laika periodam dt un numurs N tajā laikā nesabrukušie kodoli t:
kur ir noteiktas radioaktīvās vielas nemainīgā vērtība, ko sauc radioaktīvās sabrukšanas konstante; Mīnusa zīme norāda, ka sabrukšanas procesā samazinās kopējais radioaktīvo kodolu skaits.
Atdalot mainīgos un integrējot, t.i.
kur ir sākotnējais nesabrukušo kodolu skaits (laikā t = 0), N- nesabrukušo kodolu skaits vienlaikus t. Formula (256.2) izsaka Radioaktīvās sabrukšanas likums, saskaņā ar kuru nesabrukušo kodolu skaits laika gaitā eksponenciāli samazinās.
Radioaktīvās sabrukšanas procesa intensitāti raksturo divi lielumi: radioaktīvā kodola pussabrukšanas periods un vidējais kalpošanas laiks. Pus dzīve- laiks, kurā sākotnējais radioaktīvo kodolu skaits tiek samazināts vidēji uz pusi. Pēc tam saskaņā ar (256.2)
Dabiski radioaktīvo elementu pussabrukšanas periods svārstās no desmit miljonajām sekundes līdz daudziem miljardiem gadu.
Kopējais paredzamais mūža ilgums dN serdeņi ir vienāds ar . Integrējot šo izteiksmi visā iespējamā t(t.i., no 0 līdz) un dalot ar sākotnējo serdeņu skaitu, iegūstam vidējais dzīves laiks radioaktīvais kodols:
(ņemts vērā (256.2)). Tādējādi radioaktīvā kodola vidējais kalpošanas laiks ir radioaktīvās sabrukšanas konstantes apgrieztais lielums.
Aktivitāte A nuklīds(atomu kodolu vispārējais nosaukums, kas atšķiras pēc protonu skaita Z un neitroni N) radioaktīvā avotā ir sabrukšanas gadījumu skaits, kas notiek ar parauga kodoliem 1 sekundē:
SI aktivitātes mērvienība ir bekerels(Bq): 1 Bq - nuklīda aktivitāte, pie kuras 1 s laikā notiek viens sabrukšanas notikums. Līdz mūsdienām kodolfizikā tiek izmantota arī ārpussistēmas radioaktīvā avota nuklīda aktivitātes vienība - kirī(Ci): 1 Ci = 3,7 × 10 10 Bq. Radioaktīvā sabrukšana notiek saskaņā ar t.s pārvietošanas noteikumi, ļaujot mums noteikt, kurš kodols rodas konkrētā mātes kodola sabrukšanas rezultātā. Offset noteikumi:
Priekš - sabrukums
Priekš - sabrukums
kur ir mātes kodols, Y ir meitas kodola simbols, ir hēlija kodols (-daļiņa), ir elektrona simboliskais apzīmējums (tā lādiņš ir –1 un masas skaitlis nulle). Nobīdes noteikumi ir nekas vairāk kā sekas diviem likumiem, kas tiek piemēroti radioaktīvās sabrukšanas laikā - elektriskā lādiņa saglabāšanai un masas skaita saglabāšanai: iegūto kodolu un daļiņu lādiņu (masas skaitļu) summa ir vienāda ar lādiņu. (masas skaitlis) sākotnējā kodola.
Kodoli, kas rodas radioaktīvās sabrukšanas rezultātā, savukārt var būt radioaktīvi. Tas noved pie rašanās ķēdes, vai sērija, radioaktīvās pārvērtības kas beidzas ar stabilu elementu. Tiek saukts elementu kopums, kas veido šādu ķēdi radioaktīvā ģimene.
No pārvietošanās likumiem (256.4) un (256.5) izriet, ka masas skaitlis -sabrukšanas laikā samazinās par 4, bet nemainās -sabrukšanas laikā. Tāpēc visiem vienas radioaktīvās grupas kodoliem atlikums, dalot masas skaitli ar 4, ir vienāds. Tādējādi ir četras dažādas radioaktīvās grupas, un katrai no tām masas skaitļus uzrāda ar vienu no šādām formulām:
A = 4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3,
Kur P ir pozitīvs vesels skaitlis. Ģimenes nosaukušas pēc visilgāk dzīvojošā (ar garāko pussabrukšanas periodu) “sencis”: torija (no), neptūnija (no), urāna (no) un jūras anemonu (no) dzimtas. Galīgie nuklīdi ir attiecīgi , , , , t.i., vienīgā neptūnija saime (mākslīgi radioaktīvie kodoli) beidzas ar nuklīdu Bi, un visi pārējie (dabiski radioaktīvie kodoli) ir nuklīdi Pb.
§ 257. Sabrukšanas likumi
Pašlaik ir zināmi vairāk nekā divi simti aktīvo kodolu, galvenokārt smagie ( A > 200, Z> 82). Tikai neliela grupa -aktīvo kodolu sastopami apgabalos ar A= 140 ¸ 160 (retzemju metāli). -Sadalīšanās atbilst pārvietošanas likumam (256.4). Sabrukšanas piemērs ir urāna izotopa sabrukšana, veidojoties Th:
Sabrukšanas laikā emitēto daļiņu ātrumi ir ļoti lieli un dažādiem kodoliem svārstās no 1,4 × 10 7 līdz 2 × 10 7 m/s, kas atbilst enerģijām no 4 līdz 8,8 MeV. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām -daļiņas veidojas radioaktīvās sabrukšanas brīdī, kad satiekas divi protoni un divi neitroni, kas pārvietojas kodola iekšpusē.
Daļiņām, kuras izstaro noteikts kodols, parasti ir noteikta enerģija. Tomēr smalkāki mērījumi ir parādījuši, ka noteiktā radioaktīvā elementa izstarotajām daļiņām ir "smalka struktūra", t.i., tiek emitētas vairākas daļiņu grupas, un katrā grupā to enerģija ir praktiski nemainīga. Diskrētais -daļiņu spektrs norāda, ka atomu kodoliem ir diskrēti enerģijas līmeņi.
-sabrukšanu raksturo spēcīga saikne starp pussabrukšanas periodu un enerģiju E lidojošas daļiņas. Šīs attiecības tiek noteiktas empīriski Ģēģera-Natāla likums(1912) (D. Natals (1890-1958) - angļu fiziķis, H. Geigers (1882-1945) - vācu fiziķis), ko parasti izsaka kā saistību starp nobraukums(attālums, ko nobrauc daļiņa vielā, pirms tā pilnībā apstājas) - daļiņas gaisā un radioaktīvās sabrukšanas konstante:
Kur A Un IN- empīriskās konstantes, . Saskaņā ar (257.1.), jo īsāks ir radioaktīvā elementa pussabrukšanas periods, jo lielāks ir tā izstarotās daļiņas diapazons un līdz ar to arī enerģija. -Daļiņu diapazons gaisā (normālos apstākļos) ir vairāki centimetri, blīvākā vidē tas ir daudz mazāks, sasniedzot milimetra simtdaļas (daļiņas var aizturēt ar parastu papīra lapu).
Rezerforda eksperimenti par -daļiņu izkliedi uz urāna kodoliem parādīja, ka -daļiņas ar enerģiju līdz 8,8 MeV piedzīvo Raterforda izkliedi uz kodoliem, t.i., spēkus, kas iedarbojas uz -daļiņām no kodoliem, apraksta Kulona likums. Šāda veida -daļiņu izkliede liecina, ka tās vēl nav nonākušas kodolspēku darbības zonā, t.i., varam secināt, ka kodolu ieskauj potenciāla barjera, kuras augstums nav mazāks par 8,8 MeV. No otras puses, urāna izstarotajām daļiņām ir 4,2 MeV enerģija. Līdz ar to -daļiņas izlido no -radioaktīvā kodola ar enerģiju, kas ir ievērojami zemāka par potenciālās barjeras augstumu. Klasiskā mehānika nevarēja izskaidrot šo rezultātu.
Skaidrojumu -sabrukšanai sniedz kvantu mehānika, saskaņā ar kuru -daļiņas izkļūšana no kodola iespējama tuneļa efekta dēļ (sk. §221) - -daļiņas iekļūšanu caur potenciāla barjeru. Vienmēr pastāv varbūtība, kas nav nulle . Šis efekts ir pilnībā saistīts ar -daļiņu viļņu raksturu.
Daļiņas varbūtību iziet cauri potenciālajai barjerai nosaka tās forma, un to aprēķina, pamatojoties uz Šrēdingera vienādojumu. Vienkāršākajā gadījumā potenciāla barjera ar taisnstūrveida vertikālām sienām (sk. 298. att. A) caurredzamības koeficientu, kas nosaka varbūtību tam iziet cauri, nosaka pēc iepriekš aplūkotās formulas (221.7):
Analizējot šo izteiksmi, mēs redzam, ka caurspīdīguma koeficients D jo garāks (tātad, jo īsāks pussabrukšanas periods), jo mazāks augums ( U) un platums ( l) barjera atrodas -daļiņas ceļā. Turklāt ar tādu pašu potenciāla līkni, jo lielāka ir daļiņas enerģija, jo mazāka ir barjera tās ceļā. E. Tādējādi Geigera-Natāla likums tiek kvalitatīvi apstiprināts (sk. (257.1)).
§ 258. -Sairšana. Neitrīno
-sabrukšanas fenomens (nākotnē tiks parādīts, ka pastāv un (-sabrukšana) tiek ievērots pārvietošanās noteikums (256.5)
un ir saistīts ar elektrona atbrīvošanu. Mums bija jāpārvar vairākas grūtības ar pagrimuma interpretāciju.
Pirmkārt, bija jāpamato sabrukšanas procesa laikā emitēto elektronu izcelsme. Kodola protonu-neitronu struktūra izslēdz iespēju, ka elektrons varētu izkļūt no kodola, jo kodolā nav elektronu. Pieņēmums, ka elektroni izlido nevis no kodola, bet gan no elektronu čaulas, nav pamatots, jo tad būtu jāievēro optiskais vai rentgena starojums, ko eksperimenti neapstiprina.
Otrkārt, bija nepieciešams izskaidrot emitēto elektronu enerģijas spektra nepārtrauktību (visiem izotopiem raksturīgā -daļiņu enerģijas sadalījuma līkne parādīta 343. att.).
Kā aktīvie kodoli, kuriem ir precīzi noteikta enerģija pirms un pēc sabrukšanas, var izmest elektronus ar enerģijas vērtībām no nulles līdz noteiktam maksimumam? Tas ir, emitēto elektronu enerģijas spektrs ir nepārtraukts? Hipotēze, ka sabrukšanas laikā elektroni atstāj kodolu ar stingri noteiktām enerģijām, bet dažu sekundāro mijiedarbību rezultātā zaudē vienu vai otru savas enerģijas daļu tā, ka to sākotnējais diskrētais spektrs pārvēršas nepārtrauktā, tika atspēkota tiešā kalorimetrija. eksperimentiem. Tā kā maksimālo enerģiju nosaka mātes un meitas kodolu masu atšķirība, tad sadalīšanās, kurā elektronu enerģija< , как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположение, что закон сохранения энергии носит статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить это затруднение.
Treškārt, bija jārisina spina nesaglabāšanās problēmas sabrukšanas laikā. Sabrukšanas laikā nukleonu skaits kodolā nemainās (jo masas skaitlis nemainās A), tāpēc kodola spins, kas ir vienāds ar veselu skaitli pāra A un pusvesels skaitlis nepāra A. Tomēr elektrona atbrīvošanai ar spinu /2 vajadzētu mainīt kodola spinu par /2.
Pēdējās divas grūtības noveda V. Pauli pie hipotēzes (1931), ka -sabrukšanas laikā kopā ar elektronu tiek emitēta vēl viena neitrāla daļiņa - neitrīno. Neitrīnam ir nulles lādiņš, griešanās /2 un nulle (vai drīzāk< 10 -4 ) массу покоя; обозначается . Впоследствии оказалось, что при - sabrukšana, tiek emitēti nevis neitrīni, bet gan antineitrīno(pretdaļiņa attiecībā pret neitrīniem; apzīmēta ar ).
Hipotēze par neitrīno esamību ļāva E. Fermi izveidot -sabrukšanas teoriju (1934), kas lielākoties ir saglabājusi savu nozīmi līdz mūsdienām, lai gan eksperimentāli neitrīno esamība tika pierādīta vairāk nekā 20 gadus vēlāk (1956). Tik ilga neitrīno “meklēšana” ir saistīta ar lielām grūtībām, jo neitrīnos trūkst elektriskā lādiņa un masas. Neitrīno ir vienīgā daļiņa, kas nepiedalās ne spēcīgā, ne elektromagnētiskā mijiedarbībā; Vienīgais mijiedarbības veids, kurā var piedalīties neitrīno, ir vājā mijiedarbība. Tāpēc tieša neitrīno novērošana ir ļoti sarežģīta. Neitrīno jonizācijas spēja ir tik zema, ka uz 500 km nobraukuma notiek viens jonizācijas notikums gaisā. Neitrīno iespiešanās spēja ir tik milzīga (neitrīnu diapazons ar 1 MeV enerģiju svinā ir aptuveni 1018 m!), kas apgrūtina šo daļiņu saturēšanu ierīcēs.
Tāpēc neitrīno (antineitrīnu) eksperimentālai noteikšanai tika izmantota netieša metode, kuras pamatā ir fakts, ka reakcijās (tostarp tajās, kurās iesaistīti neitrīni) tiek ievērots impulsa saglabāšanas likums. Tādējādi neitrīno tika atklāti, pētot atomu kodolu atsitienu sabrukšanas laikā. Ja kodola sabrukšanas laikā kopā ar elektronu tiek izmests antineitrīns, tad trīs impulsu - atsitiena kodola, elektrona un antineitrīna - vektora summai jābūt vienādai ar nulli. To patiešām apstiprina pieredze. Tieša neitrīno noteikšana kļuva iespējama tikai daudz vēlāk, pēc jaudīgu reaktoru parādīšanās, kas ļāva iegūt intensīvas neitrīno plūsmas.
Neitrīno (antineutrino) ieviešana ļāva ne tikai izskaidrot šķietamo spina nesaglabāšanos, bet arī izprast jautājumu par izmesto elektronu enerģijas spektra nepārtrauktību. Nepārtrauktais -daļiņu spektrs ir saistīts ar enerģijas sadalījumu starp elektroniem un antineitrīniem, un abu daļiņu enerģiju summa ir vienāda ar . Dažos sabrukšanas notikumos antineitrīns saņem vairāk enerģijas, citos - elektrons; att. līknes robežpunktā. 343, kur elektronu enerģija ir vienāda ar , visu sabrukšanas enerģiju aiznes elektrons, un antineutrino enerģija ir nulle.
Visbeidzot, aplūkosim jautājumu par elektronu izcelsmi sabrukšanas laikā. Tā kā elektrons neizlido no kodola un neizkļūst no atoma čaulas, tika pieņemts, ka elektrons ir dzimis kodola iekšienē notiekošo procesu rezultātā. Tā kā -sabrukšanas laikā nukleonu skaits kodolā nemainās, a Z palielinās par vienu (sk. (256.5)), tad vienīgā iespēja šo nosacījumu vienlaicīgai īstenošanai ir viena no neitroniem - aktīvā kodola - pārvēršana protonā, vienlaikus veidojoties elektronam un izdalot antineitrīnu:
Šo procesu pavada elektrisko lādiņu, impulsa un masas skaitļu saglabāšanas likumu izpilde. Turklāt šī transformācija ir enerģētiski iespējama, jo neitrona miera masa pārsniedz ūdeņraža atoma masu, t.i., protonu un elektronu kopā. Šī masas atšķirība atbilst enerģijai, kas vienāda ar 0,782 MeV. Pateicoties šai enerģijai, var notikt spontāna neitrona pārvēršanās par protonu; enerģija tiek sadalīta starp elektronu un antineitrīnu.
Ja neitrona pārvēršanās par protonu ir enerģētiski labvēlīga un vispār iespējama, tad jāvēro brīvo neitronu (t.i., ārpus kodola neitronu) radioaktīvā sabrukšana. Šīs parādības atklāšana būtu izteiktās sabrukšanas teorijas apstiprinājums. Patiešām, 1950. gadā augstas intensitātes neitronu plūsmās, kas rodas kodolreaktoros, tika atklāta brīvo neitronu radioaktīvā sabrukšana, kas notika saskaņā ar shēmu (258.1). Iegūto elektronu enerģijas spektrs atbilda tam, kas parādīts attēlā. 343, un elektronu enerģijas augšējā robeža izrādījās vienāda ar iepriekš aprēķināto (0,782 MeV).
Radioaktivitāte. Radioaktīvās sabrukšanas pamatlikums.
Radioaktivitāte ir nestabilu kodolu spontāna sabrukšana ar citu kodolu un elementārdaļiņu emisiju.
Radioaktivitātes veidi:
1. Dabisks
2. Mākslīgais.
Ernests Rezerfords - atoma uzbūve.
Radioaktīvās sabrukšanas veidi:
α-sabrukums: à + ; β-sabrukums: à +
Radioaktīvās sabrukšanas pamatlikums. N= N o e -lt
Nesabrukušo radioaktīvo kodolu skaits samazinās saskaņā ar eksponenciālu likumu. L (lambda) ir sabrukšanas konstante.
Pastāvīga sabrukšana. Pus dzīve. Aktivitāte. Radioaktīvās sabrukšanas veidi un to spektri.
L(lambda) ir sabrukšanas konstante, kas ir proporcionāla radioaktīvā kodola sabrukšanas varbūtībai un atšķiras dažādām radioaktīvām vielām.
Pus dzīve ( T )- Tas ir laiks, kurā puse radioaktīvo kodolu sadalās. T=ln2/l=0,69/l.
Aktivitāti raksturo sabrukšanas ātrums. A=-dN/dT=lN=lN o e -lt =(N/T)*ln2
[A]-bekerels (Bq) = 1 sabrukums sekundē.
[A]-kirī (Ci). 1 Ci = 3,7 * 10 10 Bq = 3,7 * 10 10 s -1
[A]-reterforda (Rd). 1Рд=10 6
Radioaktīvās sabrukšanas veidi. Nobīdes noteikums.
Alfa sabrukšana (vājākā): A Z X> 4 2 He + A-4 Z-2 Y
Beta samazināšanās: A Z X> 0 -1 e + A Z+1 Y
Daudzu radioaktīvo elementu daļiņu enerģijas spektri sastāv no vairākām līnijām. Šādas spektra struktūras parādīšanās iemesls ir sākotnējā kodola (A, Z) sabrukšana kodola ierosinātā stāvoklī (A-4, Z-2. Alfa sabrukšanai, piemēram). Mērot daļiņu spektrus, var iegūt informāciju par kodola ierosināto stāvokļu raksturu.
Lādētu daļiņu mijiedarbības ar vielu raksturojums: lineārais jonizācijas blīvums, lineāra bremzēšanas jauda, vidējais lineārais diapazons. Alfa, beta un gamma starojuma caurlaidības un jonizācijas spējas.
Uzlādētas daļiņas, izplatoties vielā, mijiedarbojas ar elektroniem un kodoliem, kā rezultātā mainās gan vielas, gan daļiņu stāvoklis.
Lineārās jonizācijas blīvums ir dn zīmes jonu attiecība, ko veido uzlādēta jonizēta daļiņa uz elementārā ceļa dL pret šī ceļa garumu. I=dn/dL.
Lineārā bremzēšanas jauda -šī ir attiecība starp enerģiju dE, ko lādēta jonizējošā daļiņa zaudē, ejot cauri elementāram ceļam dL, pret šī ceļa garumu. S=dE/dL.
Vidējais lineārais nobraukums - Tas ir attālums, ko jonizējošā daļiņa veic vielā, nesaduroties. R ir vidējais lineārais nobraukums.
Jāņem vērā starojuma caurlaidības spēja. Piemēram, smagajiem atomu kodoliem un alfa daļiņām ir ārkārtīgi mazs vielas diapazons, tāpēc radioaktīvie alfa avoti ir bīstami, ja tie nonāk organismā. Gluži pretēji, gamma stariem ir ievērojama iespiešanās spēja, jo tie sastāv no augstas enerģijas fotoniem, kuriem nav lādiņa.
Visu veidu jonizējošā starojuma caurlaidības spēja ir atkarīga no enerģijas.
N=N 0 e - λt – radioaktīvās sabrukšanas likums, kur N nesabrukušo kodolu skaits, N 0 sākotnējo kodolu skaits.
Sabrukšanas konstantes fiziskā nozīme ir kodola sabrukšanas varbūtība laika vienībā. Radioaktīvo kodolu raksturīgie mūži τ> 10 -14 s. Kodolmateriālu kalpošanas laiks nukleonu emisijas dēļ 10 -23 s< <10 -20 c. T 1/2 – период полураспада – время, за которое распадается половина начального количества ядер. Активность радиоактивного источника – число распадов в единицу времени: A=λN.
Radioaktīvās sabrukšanas veidi. α – sabrukšana, sabrukšanas shēma, sabrukšanas modeļi.
Radioaktīvā sabrukšana ir nestabilu atomu kodolu pārvēršanās process citu elementu kodolos, ko pavada daļiņu emisija.
Radioaktīvās sabrukšanas veidi:
1)α – sabrukšana – pavada hēlija atomu emisija.
2)β – sabrukšana – elektronu un pozitronu emisija.
3) γ – sabrukšana – fotonu emisija pāreju laikā starp kodolu stāvokļiem.
4) Spontāna kodola skaldīšanās.
5) Nukleonu radioaktivitāte.
α – sabrukšana: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. α-sabrukšana tiek novērota smagajos kodolos. α - sabrukšanas spektrs ir diskrēts. Ceļa garums α – daļiņas gaisā: 3-7cm; blīvām vielām: 10 -5 m T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 gadi.
β – sabrukšana. β +, β - un K-tveršanas shēmas. β - sabrukšanas modeļi.
β – sabrukšanu izraisa vāja mijiedarbība. Tas ir vājš attiecībā pret spēcīgiem kodoliem. Visas daļiņas, izņemot fotonus, piedalās vājā mijiedarbībā. Lieta ir jaunu daļiņu deģenerācija. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 gadi. Neitrona brīvais ceļš ir 10 19 km.
β – sabrukšana ietver 3 sabrukšanas veidus:
1)β - vai elektroniski. Kodols izstaro elektronus. Vispārīgi:
A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .
2)β + vai pozitronisks. Izstaro elektronu antidaļiņas - pozitroni: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e - reakcija, pārvēršoties protonam par neitronu. Reakcija pati no sevis nepāriet. Reakcijas vispārīgā forma: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Novērots mākslīgos radioaktīvos kodolos.
3) Elektroniskā uztveršana. Kodols pārveidojas, satver K apvalku un pārvēršas par neitronu: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e. Vispārējs skats: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Elektriskās uztveršanas rezultātā no kodoliem izdalās tikai viena daļiņa. Kopā ar raksturīgu rentgena starojumu.
Aktivitāte A nuklīds(atomu kodolu vispārējais nosaukums, kas atšķiras pēc protonu skaita Z un neitroni N) radioaktīvā avotā ir sabrukšanas gadījumu skaits, kas notiek ar parauga kodoliem 1 sekundē:
SI aktivitātes mērvienība ir bekerels(Bq): 1 Bq - nuklīda aktivitāte, pie kuras 1 s laikā notiek viens sabrukšanas notikums. Līdz mūsdienām kodolfizikā tiek izmantota arī ārpussistēmas radioaktīvā avota nuklīda aktivitātes vienība - kirī(Ci): 1 Ci= 3,710 10 Bq.
Radioaktīvā sabrukšana notiek saskaņā ar t.s pārvietošanas noteikumi, kas ļauj mums noteikt, kurš kodols rodas konkrētā mātes kodola sabrukšanas rezultātā. Offset noteikumi:
kur X ir mātes kodols, Y ir meitas kodola simbols, viņš ir hēlija kodols ( - daļiņa), e- elektrona simbolisks apzīmējums (tā lādiņš –1, masas skaitlis nulle). Nobīdes noteikumi ir nekas vairāk kā sekas diviem likumiem, kas tiek piemēroti radioaktīvās sabrukšanas laikā - elektriskā lādiņa saglabāšanai un masas skaita saglabāšanai: iegūto kodolu un daļiņu lādiņu (masas skaitļu) summa ir vienāda ar lādiņu. (masas skaitlis) sākotnējā kodola.
28. A-sabrukšanas pamatlikumi. Tuneļa efekts. A-starojuma īpašības.
α-sabrukšana sauc par atoma kodola spontānu sadalīšanos meitas kodolā un alfa daļiņā (4 He atoma kodolā).
α-sabrukšana, kā likums, notiek smagajos kodolos ar masas skaitli A≥140 (lai gan ir daži izņēmumi). Smagajos kodolos, pateicoties kodolspēku piesātinājuma īpašībai, veidojas izolētas α-daļiņas, kas sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem. Iegūtā α-daļiņa ir pakļauta lielākiem Kulona atgrūšanas spēkiem no kodola protoniem nekā atsevišķi protoni. Tajā pašā laikā α-daļiņa piedzīvo mazāku kodola pievilcību kodola nukleoniem nekā citi nukleoni. Iegūtā alfa daļiņa pie kodola robežas tiek atspoguļota no potenciālās barjeras uz iekšu, bet ar zināmu varbūtību tā var to pārvarēt (skat. Tuneļa efektu) un izlidot. Samazinoties alfa daļiņas enerģijai, potenciālās barjeras caurlaidība samazinās eksponenciāli, tāpēc kodolu ar mazāku alfa sabrukšanas enerģiju kalpošanas laiks ir ilgāks, un visas pārējās lietas ir vienādas.
Sodija pārvietošanās noteikums α samazinājumam:
α-sabrukšanas rezultātā elements nobīdās par 2 šūnām uz periodiskās tabulas sākumu, meitas kodola masas skaitlis samazinās par 4.
Tuneļa efekts- potenciālās barjeras pārvarēšana ar mikrodaļiņu gadījumā, ja tās kopējā enerģija (kas nemainās tunelēšanas laikā) ir mazāka par barjeras augstumu. Tuneļa efekts ir tikai kvantu dabas parādība, neiespējama un pat pilnīgi pretrunā klasiskajai mehānikai. Tuneļa efekta analogs viļņu optikā var būt gaismas viļņa iekļūšana atstarojošā vidē (attālumos, kas atbilst gaismas viļņa garuma secībai) apstākļos, kad no ģeometriskās optikas viedokļa notiek pilnīga iekšējā atstarošana. Tunelēšanas fenomens ir daudzu svarīgu procesu pamatā atomu un molekulārajā fizikā, atoma kodola fizikā, cietā stāvoklī utt.
Tuneļa efektu var izskaidrot ar nenoteiktības attiecību. Rakstīts kā:
tas parāda, ka tad, kad kvantu daļiņu ierobežo koordinātas, tas ir, tās noteiktība palielinās par x, tā impulss lpp kļūst mazāk pārliecināts. Nejauši impulsa nenoteiktība var pievienot daļiņai enerģiju, lai pārvarētu barjeru. Tādējādi ar zināmu varbūtību kvantu daļiņa var iekļūt barjerā, un daļiņas vidējā enerģija paliks nemainīga.
Alfa starojumam ir vismazākā iespiešanās spēja (absorbēt alfa daļiņas, pietiek ar bieza papīra loksni) cilvēka audos līdz dziļumam, kas ir mazāks par milimetru.
29. B-sabrukšanas pamatlikumi un to īpašības. Neitrīno. Elektroniskā uztveršana. (27 cm)
Bekerels pierādīja, ka β-stari ir elektronu plūsma. β-sabrukšana ir vājas mijiedarbības izpausme.
β sabrukšana(precīzāk, beta mīnus sabrukšana, -sabrukšana) ir radioaktīvā sabrukšana, ko pavada elektrona un antineitrīna emisija no kodola.
β-sabrukšana ir intranukleona process. Tas rodas, mainoties vienai no d- kvarki vienā no kodola neitroniem u-kvarks; šajā gadījumā neitrons pārvēršas par protonu ar elektrona un antineutrino emisiju:
Sodija pārvietošanās noteikums sabrukumam:
Pēc -sabrukšanas elements nobīdās par 1 šūnu līdz periodiskās tabulas beigām (kodola lādiņš palielinās par vienu), savukārt kodola masas skaitlis nemainās.
Ir arī citi beta sabrukšanas veidi. Pozitronu sabrukšanas gadījumā (beta plus sabrukšana) kodols izstaro pozitronu un neitrīno. Šajā gadījumā kodola lādiņš samazinās par vienu (kodols pārvieto vienu šūnu uz periodiskās tabulas sākumu). Pozitronu sabrukšana Vienmēr pavada konkurējošs process - elektronu satveršana (kad kodols no atoma čaulas uztver elektronu un izstaro neitrīno, savukārt kodola lādiņš arī samazinās par vienu). Tomēr otrādi nav taisnība: daudzi nuklīdi, kuriem pozitronu sabrukšana ir aizliegta, piedzīvo elektronu uztveršanu. Retākais zināmais radioaktīvās sabrukšanas veids ir dubultā beta sabrukšana; līdz šim tas ir atklāts tikai desmit nuklīdu gadījumā, un pussabrukšanas periods pārsniedz 10–19 gadus. Visi beta sabrukšanas veidi saglabā kodola masas skaitu.
Neitrīno- neitrāla fundamentāla daļiņa ar pusvesela skaitļa spinu, kas piedalās tikai vājās un gravitācijas mijiedarbībās un pieder leptonu klasei.
Elektroniskā uztveršana, e-uztveršana ir viens no atomu kodolu beta sabrukšanas veidiem. Elektronu satveršanā viens no protoniem kodolā uztver orbitālo elektronu un pārvēršas par neitronu, izstarojot elektronu neitrīno. Šajā gadījumā kodollādiņš samazinās par vienu. Kodola masas skaitlis, tāpat kā visos citos beta sabrukšanas veidos, nemainās. Šis process ir raksturīgs ar protoniem bagātiem kodoliem. Ja enerģijas starpība starp vecāku un meitas atomu (pieejamā beta sabrukšanas enerģija) ir lielāka par 1,022 MeV (divreiz lielāka par elektrona masu), elektronu uztveršana vienmēr konkurē ar citu beta sabrukšanas veidu, pozitronu sabrukšanu. Piemēram, rubīdijs-83 tiek pārveidots par kriptonu-83 tikai ar elektronu uztveršanas palīdzību (pieejamā enerģija aptuveni 0,9 MeV), savukārt nātrijs-22 sadalās par neonu-22 gan elektronu uztveršanas, gan pozitronu sabrukšanas rezultātā (pieejamā enerģija aptuveni 2,8 MeV).
Tā kā elektronu uztveršanas laikā protonu skaits kodolā (t.i., kodollādiņš) samazinās, šis process pārveido viena ķīmiskā elementa kodolu cita elementa kodolā, kas atrodas tuvāk periodiskās tabulas sākumam.
Vispārīga formula elektronu uztveršanai
30. Kodolu γ-starojums un tā īpašības. γ-starojuma mijiedarbība ar vielu. Elektronu-pozitronu pāru rašanās un iznīcināšana.
Eksperimentāli ir noskaidrots, ka - starojums nav neatkarīgs radioaktivitātes veids, bet tikai pavada - Un -sabrūk un rodas arī kodolreakciju laikā, lādētu daļiņu palēninājuma laikā, to sabrukšanas laikā u.c. - Spektrs ir izklāts. - Spektrs ir skaitļu sadalījums -kvanti pēc enerģijas. Diskrētība -spektram ir būtiska nozīme, jo tas ir pierādījums atomu kodolu enerģijas stāvokļu diskrētumam.
Tagad tas ir stingri noteikts -starojumu izstaro meitas (nevis mātes) kodols. Meitas kodols tā veidošanās brīdī, būdams ierosināts, aptuveni 10–13–10–14 s laikā, kas ir ievērojami mazāks par ierosinātā atoma kalpošanas laiku (apmēram 10–8 s), pāriet pamatstāvoklī ar emisija - starojums. Atgriežoties pamatstāvoklī, ierosinātais kodols var iziet cauri vairākiem starpstāvokļiem, tāpēc - starojums no viena radioaktīvā izotopa var saturēt vairākas grupas -kvanti, kas atšķiras viens no otra ar savu enerģiju.
Plkst - starojums A Un Z kodoli nemainās, tāpēc to neapraksta nekādi pārvietošanas noteikumi. -Lielākā daļa kodolu ir tik īsviļņu starojums, ka tā viļņu īpašības ir ļoti vājas. Tāpēc šeit priekšplānā izvirzās korpuskulārās īpašības - starojums tiek uzskatīts par daļiņu plūsmu, -kvanti. Dažādu kodolu radioaktīvās sabrukšanas laikā -kvantiem ir enerģija no 10 keV līdz 5 MeV.
Kodols ierosinātā stāvoklī var nonākt pamatstāvoklī ne tikai ar emisiju -kvantu, bet arī ar tiešu ierosmes enerģijas pārnesi (bez iepriekšējas emisijas -kvants) vienam no tā paša atoma elektroniem. Šajā gadījumā ts elektronu pārvēršana. Pati parādība tiek saukta iekšējā konversija. Iekšējā konversija ir process, kas konkurē ar - starojums.
Pārvēršanas elektroni atbilst diskrētām enerģijas vērtībām atkarībā no elektrona darba funkcijas no čaulas, no kuras elektrons izplūst, un no enerģijas E, ko izdala kodols pārejas laikā no ierosinātā stāvokļa uz pamatstāvokli. Ja visa enerģija E izceļas kā -kvanti, tad starojuma frekvence nosaka no zināmās attiecības E=h. Ja tiek emitēti iekšējās konversijas elektroni, tad to enerģijas ir vienādas E-A K, E-A L, .... Kur A K, A L, ... - elektronu darba funkcija UZ- Un L- čaumalas. Pārvēršanas elektronu monoenerģija ļauj tos atšķirt no -elektroni, kuru spektrs ir nepārtraukts. Brīvā vieta uz atoma iekšējā apvalka, kas parādās elektronu emisijas rezultātā, tiks aizpildīta ar elektroniem no pārklājošajiem apvalkiem. Tāpēc iekšējo konversiju vienmēr pavada raksturīgs rentgena starojums.
- Kvanti, kuriem ir nulles miera masa, nevar palēnināties vidē, tāpēc, braucot garām -starojums caur vielu tiek absorbēts vai izkliedēts. -Kvanti nesatur elektrisko lādiņu, un tāpēc tos neietekmē Kulona spēki. Kad stars pāriet -kvanti caur matēriju, to enerģija nemainās, bet sadursmju rezultātā tiek vājināta intensitāte, kuras maiņu apraksta eksponenciālais likums es=es 0 e – x (es 0 un es- intensitāte - starojums pie biezuma absorbējošās vielas slāņa ievades un izejas x, - absorbcijas koeficients). Jo -radiācija ir visspēcīgākais starojums, tad daudzām vielām - ļoti maza vērtība; atkarīgs no vielas īpašībām un enerģijas -kvanti.
-Kvanti, ejot cauri matērijai, var mijiedarboties gan ar vielas atomu elektronu apvalku, gan ar to kodoliem. Kvantu elektrodinamikā ir pierādīts, ka galvenie procesi, kas pavada fragmentu -starojums caur vielu ir fotoelektriskais efekts, Komptona efekts (Komptona izkliede) un elektronu-pozitronu pāru veidošanās.
Fotoefekts, vai fotoelektriskā absorbcija - starojums, ir process, kurā atoms absorbē -kvantu un izstaro elektronu. Tā kā elektrons tiek izsists no viena no atoma iekšējiem apvalkiem, atbrīvotā telpa ir piepildīta ar elektroniem no pārklājošajiem apvalkiem, un fotoelektrisko efektu pavada raksturīgs rentgena starojums. Fotoelektriskais efekts ir dominējošais absorbcijas mehānisms zemas enerģijas reģionā -kvanti ( E 100 keV). Fotoelektriskais efekts var rasties tikai saistītajos elektronos, jo brīvais elektrons nevar absorbēt -kvantu, savukārt enerģijas nezūdamības un impulsa likumi nav izpildīti vienlaikus.
Palielinoties enerģijai -kvanti ( E0,5 MeV) fotoelektriskā efekta iespējamība ir ļoti maza un galvenais mijiedarbības mehānisms -kvanti ar matēriju ir Komptona izkliede.
Plkst E>l.02 MeV=2 m e s 2 (t e - elektronu miera masa), kļūst iespējams elektronu-pozitronu pāru veidošanās process kodolu elektriskajos laukos. Šī procesa iespējamība ir proporcionāla Z 2 un palielinās līdz ar izaugsmi E. Tāpēc, kad E10 MeV ar galveno mijiedarbības procesu -starojums jebkurā vielā ir veidojas elektronu-pozitronu pāri.
Ja enerģija -kvants pārsniedz nukleonu saistīšanās enerģiju kodolā (7-8 MeV), tad absorbcijas rezultātā - var novērot kvantus kodola fotoelektriskais efekts- viena no nukleoniem, visbiežāk neitrona, atbrīvošanās no kodola.
Liels caurlaidības spēks -radiāciju izmanto gamma defektu noteikšanā - defektu noteikšanas metode, kuras pamatā ir dažāda absorbcija -starojums, kad tas izplatās vienā un tajā pašā attālumā dažādās vidēs. Defektu (caurumu, plaisu u.c.) atrašanās vietu un lielumu nosaka starojuma intensitātes atšķirības, kas iet cauri dažādām izmeklējamā produkta zonām.
Ietekme - starojumu (kā arī citus jonizējošā starojuma veidus) uz vielu raksturo jonizējošā starojuma deva. Tie atšķiras:
Absorbētā starojuma deva- fizikāls lielums, kas vienāds ar starojuma enerģijas attiecību pret apstarotās vielas masu.
Absorbētās starojuma devas vienība - pelēks(Gy)*: 1 Gy = 1 J/kg - starojuma doza, pie kuras jebkura jonizējošā starojuma enerģija 1 J tiek pārnesta uz apstarotu vielu, kas sver 1 kg.
31. Transurāna elementu sagatavošana. Kodola skaldīšanas reakciju pamatprincipi.
TRANSURANIJA ELEMENTI, ķīmiskie elementi, kas atrodas periodiskajā tabulā aiz urāna, tas ir, ar atomskaitli Z >92.
Visi transurāniskie elementi tiek sintezēti, izmantojot kodolreakcijas (dabā ir atrodami tikai nelieli Np un Pu daudzumi). Transurāna elementi ir radioaktīvi; ar pieaugumu Z Pus dzīve T 1/2 transurāna elementi strauji samazinās.
1932. gadā pēc neitrona atklāšanas tika ierosināts, ka, urānu apstarojot ar neitroniem, jāveido pirmo transurāna elementu izotopi. Un 1940. gadā E. Makmilans un F. Eblsons, izmantojot kodolreakciju, sintezēja neptūniju (sērijas numurs 93) un pētīja tā svarīgākās ķīmiskās un radioaktīvās īpašības. Tajā pašā laikā tika atklāts nākamais transurāna elements - plutonijs. Abi jaunie elementi tika nosaukti Saules sistēmas planētu vārdā.
Visi transurāna elementi līdz 101 ieskaitot tika sintezēti, izmantojot gaismas bombardējošās daļiņas: neitronus, deuteronus un alfa daļiņas. Sintēzes process sastāvēja no mērķa apstarošanas ar neitronu vai lādētu daļiņu plūsmām. Ja par mērķi izmanto U, tad ar jaudīgu neitronu plūsmu palīdzību, kas rodas kodolreaktoros vai kodolierīču sprādzienā, ir iespējams iegūt visus transurāna elementus, līdz pat Fm ( Z= 100) ieskaitot. Elementi ar Z par 1 vai 2 mazāk nekā sintezētajam elementam. Laika posmā no 1940. līdz 1955. gadam. Amerikāņu zinātnieki G.Seborga vadībā sintezēja deviņus jaunus elementus, kas dabā neeksistē: Np (neptūnijs), Pu (plutonijs), Am (amerīcijs), Cm (kūrijs), Bk (berkelijs), Cf (kalifornijs), Es (einšteinijs), Fm (fermijs), Md (mendelevium). 1951. gadā G. Sīborgam un E. M. Makmilanam tika piešķirta Nobela prēmija “par atklājumiem transurāna elementu ķīmijas jomā”.
Smago radioaktīvo elementu sintēzes metodes, kas izmanto apstarošanu ar vieglām daļiņām, iespējas ir ierobežotas, tā neļauj iegūt kodolus ar Z> 100. Elements ar Z = 101 (mendelevium) tika atklāts 1955. gadā, apstarojot ar 253 99E (einšteiniju) ar paātrinātām a-daļiņām. Jaunu transurāna elementu sintēze kļuva arvien sarežģītāka, pārejot uz augstākām vērtībām Z. Viņu izotopu pussabrukšanas periodi izrādījās arvien mazāki.
Kodolreakcija ir atomu kodolu transformācijas process, kas notiek to mijiedarbības laikā ar elementārdaļiņām, gamma stariem un savā starpā, bieži izraisot milzīgu enerģijas daudzumu izdalīšanos. Kad notiek kodolreakcija, tiek ievēroti šādi likumi: elektriskā lādiņa un nukleonu skaita saglabāšanās, enerģijas saglabāšana un
impulss, leņķiskā impulsa saglabāšana, paritātes saglabāšana un
izotopu spin.
Sadalīšanās reakcija ir atoma kodola sadalīšana vairākos vieglākos kodolos. Sadalīšanās var būt piespiedu vai spontāna.
Saplūšanas reakcija ir reakcija, kad gaismas kodoli saplūst vienā. Šī reakcija notiek tikai augstā temperatūrā, aptuveni 10 8 K, un to sauc par kodoltermisko reakciju.
Reakcijas Q enerģija ir starpība starp visu daļiņu kopējo miera enerģiju pirms un pēc kodolreakcijas. Ja Q >0, tad kodolreakcijas laikā kopējā miera enerģija samazinās. Šādas kodolreakcijas sauc par eksoenerģētiskām. Tās var rasties pie patvaļīgi zemas daļiņu sākotnējās kinētiskās enerģijas. Gluži pretēji, Q<0 часть исходной кинетической энергии частиц превращается в энергию покоя. Такие ядерные реакции называются эндоэнергетическими. Для их протекания необходимо, чтобы кинетическая энергия частиц превышала некоторую величину.
32. Sadalīšanās ķēdes reakcija. Kontrolēta ķēdes reakcija. Kodolreaktors.
Sekundārie neitroni, kas izdalās kodola skaldīšanas laikā, var izraisīt jaunus skaldīšanas notikumus, kas ļauj skaldīšanas ķēdes reakcija- kodolreakcija, kurā reakciju izraisošās daļiņas veidojas kā šīs reakcijas produkti. Sadalīšanās ķēdes reakciju raksturo reizināšanas koeficients k neitroni, kas ir vienāds ar neitronu skaita attiecību noteiktā paaudzē un to skaitu iepriekšējā paaudzē. Nepieciešams nosacījums dalīšanās ķēdes reakcijas attīstībai ir prasība k 1.
Izrādās, ka ne visi radītie sekundārie neitroni izraisa turpmāku kodola skaldīšanu, kas noved pie reizināšanas koeficienta samazināšanās. Pirmkārt, ierobežoto izmēru dēļ kodols(telpa, kurā notiek ķēdes reakcija) un neitronu augstā iespiešanās spēja, daži no tiem pametīs aktīvo zonu, pirms tos uztver kāds kodols. Otrkārt, dažus neitronus uztver neskaldošo piemaisījumu kodoli, kas vienmēr atrodas kodolā. Turklāt līdz ar skaldīšanu var rasties konkurējoši starojuma uztveršanas un neelastīgās izkliedes procesi.
Reizināšanas koeficients ir atkarīgs no skaldāmās vielas rakstura un konkrētam izotopam no tā daudzuma, kā arī no aktīvās zonas izmēra un formas. Tiek izsaukti minimālie aktīvās zonas izmēri, pie kuriem iespējama ķēdes reakcija kritiskie izmēri. Minimālā skaldāmā materiāla masa, kas atrodas kritisko izmēru sistēmā, kas nepieciešama ieviešanai ķēdes reakcija, sauca kritiskā masa.
Ķēdes reakciju attīstības ātrums ir atšķirīgs. Ļaujiet T - vienas paaudzes vidējais mūža ilgums, un N- neitronu skaits noteiktā paaudzē. Nākamajā paaudzē to skaits ir vienāds kN, t. e) neitronu skaita pieaugums vienā paaudzē dN = kN-N = N(k- 1). Neitronu skaita pieaugums laika vienībā, t.i., ķēdes reakcijas pieauguma ātrums,
Integrējot (266.1), iegūstam
Kur N 0 ir neitronu skaits sākotnējā laika momentā un N- to skaits vienlaikus t. N nosaka zīme ( k- 1). Plkst k> 1 iet attīstoša reakcija, dalīšanās gadījumu skaits nepārtraukti palielinās un reakcija var kļūt sprādzienbīstama. Plkst k=1 iet pašpietiekama reakcija, kurā neitronu skaits laika gaitā nemainās. Plkst k<1 идет затухающая реакция.
Ķēdes reakcijas ir sadalītas pārvaldīta Un nekontrolējams. Piemēram, atombumbas sprādziens ir nekontrolēta reakcija. Lai novērstu atombumbas eksploziju uzglabāšanas laikā, U (vai Pu) tajā ir sadalīts divās daļās, kas atrodas tālu viena no otras ar masām zem kritiskās. Tad ar parasta sprādziena palīdzību šīs masas satuvinās, skaldāmās vielas kopējā masa kļūst lielāka par kritisko un notiek sprādzienbīstama ķēdes reakcija, ko pavada milzīga enerģijas daudzuma tūlītēja izdalīšanās un liela iznīcināšana. . Sprādzienbīstamā reakcija sākas pieejamo neitronu dēļ no spontānas skaldīšanas vai neitroniem no kosmiskā starojuma. Kodolreaktoros notiek kontrolētas ķēdes reakcijas.
Dabā ir trīs izotopi, kas var kalpot kā kodoldegviela (U: dabiskais urāns satur aptuveni 0,7%) vai izejvielas tā ražošanai (Th un U: dabiskais urāns satur aptuveni 99,3%). Th kalpo kā sākumprodukts mākslīgās kodoldegvielas U ražošanai (sk. reakciju (265.2)) un U, absorbējot neitronus, izmantojot divus secīgus – - sadalās - pārveidoties par Pu kodolu:
Reakcijas (266.2) un (265.2), tādējādi paver reālu iespēju kodoldegvielas reproducēšanai dalīšanās ķēdes reakcijas procesā.
Kodolreaktors ir ierīce, kurā notiek kontrolēta kodola ķēdes reakcija, ko pavada enerģijas izdalīšanās. Pirmais kodolreaktors tika uzbūvēts un palaists 1942. gada decembrī ASV E. Fermi vadībā. Pirmais reaktors, kas uzbūvēts ārpus ASV, bija ZEEP, kas tika palaists Kanādā 1945. gada septembrī. Eiropā pirmais kodolreaktors bija F-1 iekārta, kas sāka darboties 1946. gada 25. decembrī Maskavā I. V. Kurčatova vadībā.
1978. gadā pasaulē darbojās jau aptuveni simts dažāda veida kodolreaktoru. Jebkura kodolreaktora sastāvdaļas ir: serde ar kodoldegvielu, ko parasti ieskauj neitronu atstarotājs, dzesēšanas šķidrums, ķēdes reakcijas kontroles sistēma, aizsardzība pret radiāciju un tālvadības sistēma. Kodolreaktora galvenā īpašība ir tā jauda. 1 MW jauda atbilst ķēdes reakcijai, kurā 1 sekundē notiek 3·1016 skaldīšanas notikumu.
33. Termiskā kodolsintēze. Zvaigžņu enerģija. Kontrolēta kodolsintēze.
Termonukleārā reakcija- Tā ir vieglo kodolu saplūšanas reakcija smagākos.
Lai to īstenotu, ir nepieciešams, lai sākotnējie nukleoni vai vieglie kodoli būtu tuvāk attālumiem, kas vienādi vai mazāki par kodola pievilcīgo spēku darbības sfēras rādiusu (t.i., attālumiem 10–15 m). Šo savstarpējo kodolu pieeju novērš Kulona atgrūšanas spēki, kas darbojas starp pozitīvi lādētiem kodoliem. Lai notiktu kodolsintēzes reakcija, ir nepieciešams uzkarsēt augsta blīvuma vielu līdz īpaši augstām temperatūrām (apmēram simtiem miljonu Kelvinu), lai kodolu termiskās kustības kinētiskā enerģija būtu pietiekama Kulona pārvarēšanai. atgrūdošie spēki. Šādās temperatūrās viela pastāv plazmas formā. Tā kā kodolsintēze var notikt tikai ļoti augstā temperatūrā, kodolsintēzes reakcijas sauc par kodoltermiskām reakcijām (no grieķu valodas. termo"siltums, siltums").
Kodoltermiskās reakcijas atbrīvo milzīgu enerģiju. Piemēram, deitērija sintēzes reakcijā ar hēlija veidošanos
Tiek atbrīvota 3,2 MeV enerģija. Deitērija sintēzes reakcijā ar tritija veidošanos
Atbrīvojas 4,0 MeV enerģijas, un reakcijā
Tiek atbrīvota 17,6 MeV enerģija.
Kontrolēta kodolsintēze (TCB) - smagāku atomu kodolu sintēze no vieglākiem, lai iegūtu enerģiju, kas atšķirībā no sprādzienbīstamas kodoltermiskās saplūšanas (izmanto kodoltermiskās sprādzienbīstamās ierīcēs) tiek kontrolēta dabā. Kontrolējamā kodolsintēze atšķiras no tradicionālās kodolenerģijas ar to, ka pēdējā izmanto sabrukšanas reakciju, kuras laikā no smagajiem kodoliem tiek ražoti vieglāki kodoli. Galvenajās kodolreakcijās, ko plānots izmantot, lai panāktu kontrolētu kodolsintēzi, tiks izmantots deitērijs (2 H) un tritijs (3 H), un ilgtermiņā hēlijs-3 (3 He) un bors-11 (11 B).
34. Elementārdaļiņu reģistrēšanas avoti un metodes. Mijiedarbības veidi un elementārdaļiņu klases. Antidaļiņas.
Ģēģera skaitītājs
- kalpo radioaktīvo daļiņu (galvenokārt elektronu) skaita saskaitīšanai.
Šī ir stikla caurule, kas piepildīta ar gāzi (argonu), kuras iekšpusē ir divi elektrodi (katods un anods).
Kad daļiņa iet cauri, notiek gāzes triecienjonizācija un elektriskās strāvas impulss.
Priekšrocības:
- kompaktums
- efektivitāte
- sniegums
- augsta precizitāte (10OO daļiņas/s).
Kur izmanto:
- radioaktīvā piesārņojuma reģistrācija uz zemes, telpās, apģērbā, izstrādājumos utt.
- radioaktīvo materiālu glabātavās vai ar darbojošiem kodolreaktoriem
- meklējot radioaktīvās rūdas atradnes (U, Th)
Vilsona kamera
- kalpo daļiņu pēdu (sliežu pēdu) novērošanai un fotografēšanai.
Kameras iekšējais tilpums ir piepildīts ar spirtu vai ūdens tvaiku pārsātinātā stāvoklī:
Nolaižot virzuli, spiediens kameras iekšienē samazinās un temperatūra pazeminās, adiabātiskā procesa rezultātā veidojas pārsātināts tvaiks.
Pēc daļiņas šķērsošanas kondensējas mitruma pilieni un veidojas sliežu ceļi - redzama pēda.
Kad kamera ir novietota magnētiskajā laukā, daļiņas enerģiju, ātrumu, masu un lādiņu var noteikt no trases.
Trases garums un biezums un tā izliekums magnētiskajā laukā nosaka garāmejošās radioaktīvās daļiņas īpašības.
Piemēram, alfa daļiņa rada nepārtrauktu biezu celiņu,
protons - plāns celiņš,
elektronu - punktēta trase.
Burbuļu kamera
Vilsona kameras variants
Kad virzulis ir strauji nolaists, šķidrums, kas atrodas zem augsta spiediena, nonāk pārkarsētā stāvoklī. Kad daļiņa ātri pārvietojas pa taku, veidojas tvaika burbuļi, t.i. šķidrums vārās, trase ir redzama.
Priekšrocības salīdzinājumā ar mākoņu kameru:
- augsts vidēja blīvums, tāpēc šorttreki
- daļiņas iestrēgst kamerā un var veikt tālāku daļiņu novērošanu
- lielāks ātrums.
Biezās plēves emulsijas metode
- kalpo daļiņu reģistrācijai
- ļauj reģistrēt retas parādības ilgā ekspozīcijas laika dēļ.
Fotografiskā emulsija satur lielu skaitu sudraba bromīda mikrokristālu.
Ienākošās daļiņas jonizē fotoemulsiju virsmu. AgBr kristāli lādētu daļiņu ietekmē sadalās, un, attīstoties, tiek atklāta pēda no daļiņas caurbraukšanas - trase.
Pamatojoties uz trases garumu un biezumu, var noteikt daļiņu enerģiju un masu.
Daļiņu klases un mijiedarbības veidi
Šobrīd valda stingra pārliecība, ka dabā viss ir veidots no elementārdaļiņām, un visus dabiskos procesus izraisa šo daļiņu mijiedarbība. Mūsdienās ar elementārdaļiņām saprot kvarkus, leptonus, mērbozonus un Higsa skalārās daļiņas. Saskaņā ar fundamentālo mijiedarbību ir spēcīga, elektro-vāja un gravitācijas. Tādējādi nosacīti varam izšķirt četras elementārdaļiņu klases un trīs fundamentālo mijiedarbību veidus.
Neitrīni ir elektriski neitrāli; elektronam, mionam un tau leptonam ir elektriskie lādiņi. Leptoni piedalās elektrovājā un gravitācijas mijiedarbībā.
Trešā klase- tie ir kvarki. Mūsdienās ir zināmi seši kvarki, no kuriem katru var “krāsot” vienā no trim krāsām. Tāpat kā leptonus, tos var ērti sakārtot trīs ģimeņu formā
Brīvie kvarki netiek novēroti. Kopā ar gluoniem tie ir hadronu sastāvdaļas, kuru ir vairāki simti. Hadroni, tāpat kā tos veidojošie kvarki, piedalās visa veida mijiedarbībās.
Ceturtā klase- Higsa daļiņas, līdz šim eksperimentāli nav atklātas. Minimālajā shēmā pietiek ar vienu Higsa skalāru. Viņu loma dabā mūsdienās galvenokārt ir “teorētiska” un sastāv no elektro-vājās mijiedarbības renormalizācijas. Jo īpaši visu elementārdaļiņu masas ir Higsa kondensāta “roku darbs”. Iespējams, ka Higsa lauku ieviešana ir nepieciešama, lai atrisinātu fundamentālās kosmoloģijas problēmas, piemēram, Visuma viendabīgumu un cēloņsakarību.
Turpmākās lekcijas par hadronu kvarku uzbūves teoriju ir veltītas hadroniem un kvarkiem. Galvenā uzmanība tiks pievērsta daļiņu klasifikācijai, simetrijām un saglabāšanas likumiem.
35. Saglabāšanās likumi elementārdaļiņu transformāciju laikā. Kvarku jēdziens.
Kvarks ir standarta modeļa pamatdaļiņa, kuras elektriskais lādiņš ir daudzkārtējs e/3, un nav novērota brīvā stāvoklī. Kvarki ir punktveida daļiņas līdz apmēram 0,5·10–19 m, kas ir aptuveni 20 tūkstošus reižu mazāks par protona izmēru. Hadroni, jo īpaši protoni un neitroni, sastāv no kvarkiem. Šobrīd ir zināmas 6 dažādas kvarku “šķirnes” (biežāk sauktas par “garšvielām”), kuru īpašības ir norādītas tabulā. Turklāt, lai novērtētu spēcīgu mijiedarbību, tiek postulēts, ka kvarkiem ir papildu iekšējais raksturlielums, ko sauc par “krāsu”. Katrs kvarks atbilst antikvarkam ar pretējiem kvantu skaitļiem.
Hipotēzi, ka hadroni tiek veidoti no konkrētām apakšvienībām, pirmais izvirzīja M. Gell-Mann un neatkarīgi no viņa Dž. Cveigs 1964. gadā.
Vārdu “kvarks” Gell-Mann aizguva no Dž. Džoisa romāna Finnegans Wake, kur vienā no epizodēm frāze “Trīs kvarki Mustera Markam!” (parasti tulkots kā "Trīs kvarki Master/Muster Mark!"). Pats vārds "kvarks" šajā frāzē, domājams, ir jūras putnu saucienu onomatopoeja.
Radioaktivitātes fenomenu 1896. gadā atklāja A. Bekerels, kurš novēroja nezināma starojuma spontānu emisiju no urāna sāļiem. Drīz E. Rezerfords un Kirī konstatēja, ka radioaktīvās sabrukšanas laikā izdalās He kodoli (α-daļiņas), elektroni (β-daļiņas) un cietais elektromagnētiskais starojums (γ-stari).
1934. gadā tika atklāta sabrukšana ar pozitronu emisiju (β + -sabrukšana), bet 1940. gadā tika atklāts jauns radioaktivitātes veids - spontāna kodolu skaldīšanās: skaldāms kodols sadalās divos salīdzināmas masas fragmentos ar vienlaicīgu emisiju. neitronu un γ -kvanti. 1982. gadā tika novērota kodolu protonu radioaktivitāte. Tādējādi izšķir šādus radioaktīvās sabrukšanas veidus: α-sabrukšana; - sabrukšana; - sabrukšana; e - uztveršana.
Radioaktivitāte- dažu atomu kodolu spēja spontāni (spontāni) pārveidoties citos kodolos ar daļiņu emisiju.
Atomu kodoli sastāv no protoni un neitroni, kam ir vispārējs nosaukums - nukleoni. Protonu skaits kodolā nosaka atoma ķīmiskās īpašības un tiek apzīmēts Z(preces sērijas numurs). Nuklonu skaits kodolā sauc masas skaitlis un apzīmē A. Kodoli ar tādu pašu sērijas numuru un tiek izsaukti dažādi masas skaitļi izotopi. Visiem viena ķīmiskā elementa izotopiem ir vienādas ķīmiskās īpašības, taču fizikālās īpašības var ievērojami atšķirties. Izotopu apzīmēšanai izmantojiet ķīmiskā elementa simbolu ar diviem indeksiem: A Z X. Apakšējais indekss ir sērijas numurs, augšējais indekss ir masas numurs. Bieži vien apakšindekss tiek izlaists, jo to norāda pats elementa simbols.
Piemēram, viņi raksta 14 C, nevis 14 6 C.
Kodola spēja sabrukt ir atkarīga no tā sastāva. Vienam un tam pašam elementam var būt gan stabili, gan radioaktīvi izotopi.
Piemēram, oglekļa izotops 12 C ir stabils, bet izotops 14 C ir radioaktīvs.
Radioaktīvā sabrukšana ir statistiska parādība. Izotopa spēju sabrukt raksturo sabrukšanas konstante λ.
Sabrukšanas konstante λ ir varbūtība, ka noteiktā izotopa kodols sadalīsies laika vienībā.
Apzīmēsim radioaktīvās sabrukšanas kodolu skaitu N laikā t, dN 1 - kodolu skaitu, kas sadalās laikā dt. Tā kā kodolu skaits vielā ir milzīgs, lielo skaitļu likums ir izpildīts. Kodola sabrukšanas iespējamību īsā laikā dt nosaka pēc formulas dP = λdt Biežums ir vienāds ar varbūtību: d N 1 / N = dP = λdt. d N 1 / N = λdt- formula, kas nosaka sabrukušo kodolu skaitu.
Vienādojuma risinājums ir: , - formulu sauc par radioaktīvās sabrukšanas likumu: Radioaktīvo kodolu skaits laika gaitā samazinās saskaņā ar eksponenciālu likumu.
Šeit N ir nesabrukušo kodolu skaits laikā t; N o - nesabrukušo kodolu sākotnējais skaits; λ ir radioaktīvās sabrukšanas konstante.
Praksē netiek izmantota sabrukšanas konstante λ , un izsauktais daudzums pussabrukšanas periods T.
Pussabrukšanas periods (T) ir laiks, kurā puse radioaktīvo kodolu sadalās.
Radioaktīvās sabrukšanas likums laika periodā pussabrukšanas periodam (T) ir šāda forma:
Sakarību starp pussabrukšanas periodu un sabrukšanas konstanti nosaka pēc formulas: T = ln(2/λ) = 0,69/λ
Pusperiods var būt ļoti garš vai ļoti īss.
Lai novērtētu radioaktīvā izotopa aktivitātes pakāpi, izmanto lielumu, ko sauc par aktivitāti.
Radioaktīvo zāļu kodolu aktivitātes skaits, kas sadalās laika vienībā: A = dN sabrukšana /dt
Aktivitātes SI mērvienība ir 1 bekerels (Bq) = 1 sadalīšanās/s - zāļu aktivitāte, kurā 1 s laikā notiek 1 sadalīšanās. Lielāka aktivitātes vienība ir 1 reterfords (Rd) = Bq. Bieži tiek izmantota ārpussistēmas aktivitātes vienība - kirī (Ci), kas vienāds ar 1 g rādija aktivitāti: 1 Ci = 3,7 Bq.
Laika gaitā aktivitāte samazinās saskaņā ar to pašu eksponenciālo likumu, saskaņā ar kuru pats radionuklīds sadalās:
=
.
Praksē aktivitātes aprēķināšanai izmanto formulu:
A = = λN = 0,693 N/T.
Ja atomu skaitu izsakām caur masu un masu, tad aktivitātes aprēķināšanas formula būs šāda: A = = 0,693 (μT)
kur ir Avogadro numurs; μ - molārā masa.
Radioaktīvais starojums un tā veidi
1896. gadā franču fiziķis A. Bekerels, pētot urāna sāļu luminiscenci, nejauši atklāja to spontānu nezināma rakstura starojuma emisiju, kas iedarbojās uz fotoplāksni, jonizēja gaisu, iekļuva caur plānām metāla plāksnēm un izraisīja luminiscenci. vairākām vielām. Turpinot šīs parādības izpēti, Kirī dzīvesbiedri – Marī un Pjērs – atklāja, ka Bekerela starojums ir raksturīgs ne tikai urānam, bet arī daudziem citiem smagajiem elementiem, piemēram, torijam un aktīnijam. Viņi arī parādīja, ka urāna piķa maisījums (rūda, no kuras tiek iegūts urāna metāls) izstaro starojumu, kura intensitāte ir daudzkārt lielāka nekā urāna intensitāte. Tādējādi bija iespējams izolēt divus jaunus elementus - Bekerela starojuma nesējus: poloniju un rādiju.
Konstatētais starojums tika nosaukts radioaktīvais starojums , un pati parādība ir radioaktīvā starojuma emisija - radioaktivitāte.
Radioaktīvā starojuma veidi:
1) - starojums
To novirza elektriskie un magnētiskie lauki, tam ir augsta jonizācijas spēja un zema caurlaidības spēja. Pārstāv hēlija kodolu plūsmu; -daļiņas lādiņš ir +2e, un masa sakrīt ar hēlija izotopa kodola masu. Pamatojoties uz daļiņu novirzi elektriskajos un magnētiskajos laukos, tika noteikts to īpatnējais lādiņš, kura vērtība apstiprināja priekšstatu par to būtību pareizību.
2) -starojums
elektrisko un magnētisko lauku novirzīts; tā jonizācijas spēja ir daudz zemāka (apmēram par divām kārtām), un tā caurlaidības spēja ir daudz lielāka nekā daļiņām. Tā ir ātru elektronu plūsma (tas izriet no to īpašā lādiņa definīcijas).
3) -starojums
To nenovirza elektriskie un magnētiskie lauki, tam ir relatīvi vāja jonizējošā spēja un ļoti augsta iespiešanās spēja, un, izejot cauri kristāliem, tā uzrāda difrakciju. Tas ir īsviļņu elektromagnētiskais starojums ar ārkārtīgi īsu viļņa garumu m un tā rezultātā izteiktām korpuskulārām īpašībām, t.i. ir daļiņu plūsma – kvanti (fotoni).
Radioaktivitāte– dažu atomu kodolu spēja spontāni (spontāni) pārveidoties citos kodolos ar dažādu daļiņu emisiju:
1) Dabisks - novērots dabā esošajos nestabilos izotopos;
2) Mākslīgais - novērots izotopos, kas sintezēti kodolreakcijās laboratorijā.
Radioaktīvās sabrukšanas likums
Radioaktīvā sabrukšana- dabiska kodolu transformācija, kas notiek spontāni.
Šī parādība ir statistiska, tāpēc secinājumiem, kas izriet no radioaktīvās sabrukšanas likumiem, ir varbūtības raksturs.
Radioaktīvās sabrukšanas konstante- kodola sabrukšanas varbūtība laika vienībā, kas vienāda ar kodolu sabrukšanas daļu 1 s.
Radioaktīvās sabrukšanas likums: Radioaktīvās sabrukšanas spontanitātes dēļ varam pieņemt, ka kodolu dN skaits, kas vidēji sadalījās laika intervālā no t līdz t+dt, ir proporcionāls laika intervālam dt un kodolu skaitam N, kuri nesabruka par laiks t:
[ N ir nesabrukušo kodolu skaits laikā t; - sākotnējais nesabrukušo kodolu skaits brīdī t=0; -radioaktīvās sabrukšanas konstante]
Pus dzīve ()- laika periods, kurā vidēji nesabrukušo kodolu skaits samazinās uz pusi.
Radioaktīvā kodola vidējais kalpošanas laiks:
Nuklīdu aktivitāte- sabrukšanas gadījumu skaits, kas notiek ar parauga kodoliem 1 sekundē:
Aktivitātes mērvienība - 1 Bq: 1 bekerels - nuklīda aktivitāte radioaktīvā avotā, kurā 1 s laikā notiek viens sabrukšanas notikums. 1Bq= 2,703 kirijs.
5. Ieskaita noteikumi par - Un - sabrūk
Mātes kodols- atoma kodols, kurā notiek radioaktīvā sabrukšana.
Bērnu kodols- atoma kodols, kas radies radioaktīvās sabrukšanas rezultātā.
Ofseta noteikumi– noteikumi, kas ļauj noteikt, kurš kodols rodas konkrētā mātes kodola sabrukšanas rezultātā. Šie noteikumi izriet no likumiem, kas tiek piemēroti radioaktīvās sabrukšanas laikā - lādiņu skaitļu saglabāšanas likumam un masas skaitļu saglabāšanas likumam.
Lādiņa un masas skaitļu saglabāšanas likumi
1) Jauno kodolu un daļiņu lādiņu skaitļu summa ir vienāda ar sākotnējā kodola lādiņa numuru.
2) topošo kodolu un daļiņu masas skaitļu summa ir vienāda ar sākotnējā kodola masas skaitli.
Nobīdes noteikumi ir lādiņa un masas skaitļu saglabāšanas likumu sekas.
Alfa sabrukšana sauc par atoma kodola spontānu sadalīšanos meitas kodolā un alfa daļiņā (atoma kodolā 4 Viņš).
Alfa sabrukšana parasti notiek smagos kodolos ar masas skaitlis
A≥ 140 (lai gan ir daži izņēmumi).
Nobīdes noteikums α-sabrukšanai: , kur ir hēlija kodols (a-daļiņa),
Piemērs (alfa sabrukšana urāns-238 uz toriju-234):
α-sabrukšanas rezultātā atoms pārvieto 2 šūnas uz sākumu periodiskās tabulas(tas ir, kodollādiņš Z samazinās par 2), meitas kodola masas skaitlis samazinās par 4.
Beta sabrukšana
Bekerels pierādīja, ka β-stari ir plūsma elektroni. Beta sabrukšana ir izpausme vāja mijiedarbība.
