Классификация и характеристика Бета-распада и Альфа-распада.

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. Бета-распад Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы - антинейтрино. Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения. Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов. В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом. Явление гамма-излучения ядер состоит в самопроизвольном испускании ядром фотона (гамма-кванта). Этот процесс происходит без изменения А и Z, поэтому гамма-излучение не рассматривают как самостоятельный тип радиоактивности. Процесс гамма-излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами. Так как уровни энергии ядра дискретны, то спектр гамма-излучения всегда дискретен. Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад) Тяжелые ядра U-238, 235, Кф-240, 248, 249, 250, Ku-244, 248 и другие могут делиться самопроизвольно из-за того, что ядра сами по себе нестабильны. При этом ядро расщепляется на два близких по массе осколка, но mяд. > m1 + m2, т.е. масса ядра больше масс ядер-осколков. На первый акт деления выбрасывается 2-3 нейтрона и происходит огромное энерговыделение (в миллионы раз больше, чем при сжигании топлива). Ядра-осколки тоже радиоактивны. Они перегружены нейтронами и их испускают, а также б-частицы, в-частицы, ц-кванты. В зависимости от вида реакции нейтроны могут нести энергию от 3 до 14 МГ.ЭВ. Путь пробега в воздухе достигает несколько тысяч метров. Обладая большой энергией и нейтральностью, они, встречаясь с ядрами атомов других элементов, создают наведенную радиоактивность. Нейтронный поток оказывает сильное поражающее действие на человека. На глубине 10 см в организме поглощается 50 % энергии нейтронов и почти вся энергия при прохождении через тело.

В настоящее время известно много процессов, происходящих самопроизвольно, спонтанно. Эти процессы называются радиоактивными, т.к. они протекают по законам радиоактивного распада. К числу радиоактивных процессов относятся α -распад, β -распад (включая электронный захват), γ -излучение, спонтанное деление тяжёлых ядер, испускание запаздывающих нейтронов и протонов, кластерный распад и т.п.

Анализируя проникающую способность радиоактивного излучения урана, Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную α -излучением, и более проникающую, названную β -излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта в 1900 году П.Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом γ -излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распадом атомов (значительно позже стало ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом из них определенного типа излучений.

Позднее было показано, что α -излучение представляет собой поток ядер гелия 4 Не, а β -излучение состоит из электронов. Наконец, γ - излучение оказывается родственником светового и рентгеновского излучений и является потоком высокочастотных электромагнитных квантов, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния. Гамма-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ

Альфа-распад (α - распад) – вид радиоактивного распада атомных ядер, когда испускается альфа-частица, заряд ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число – на 4. α - радиоактивность (альфа-излучение) - поток альфа- частиц, испускаемых при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца или образующихся в ходе ядерных реакций. Альфа-излучение обладает малой проникающей способностью (несколько сантиметров в воздухе и миллиметры в биологической ткани).

Альфа частица - ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Имеет статический электрический заряд равный +2, ее массовое число равно 4.

α -Распад (т.е. испускание ионов гелия, 2 4 Не2+) характерен для радиоактивных элементов с большим атомным номером Z (элементы с Z> 83, как правило, α -радиоактивны). Испускаемые α -частицы – моно энергетические. Главными характеристиками α -радиоактивных ядер и испускаемых ими α -частиц являются период полураспада Т1/2, кинетическая энергия Еα и пробег R. Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α -частица – ядро атома гелия 24 + 2He. Энергии испускаемых частицы варьируются от 1.8 MэВ (144Nd) до11.6 МэВ (212Pom), причём период полураспада 144Nd в 5*1029 раз больше такового для 212Pom.

При α -распаде исходного ядра атомный номер образовавшегося ядра уменьшается на две единицы, а массовое число уменьшается на 4 единицы, согласно схеме:

Альфа-радиоактивность за редким исключением (например, 8 Be) не встречается среди легких и средних ядер. Подавляющее большинство альфа- радиоактивных изотопов (более 200) расположены в периодической системе в основном за свинцом. Это связано с тем, что α -распад связан с кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z2), чем ядерные силы притяжения, которые растут линейно с ростом массового числа A. Можно выделить две важных особенности α -распада. 1) Энергии испускаемых частиц увеличиваются с увеличение атомного веса материнского нуклида, но при этом всегда кинетическая энергия испускаемой частицы - меньше чем Кулоновский барьер, для обратной реакции между α -частицей и дочерним ядром. 2) Все ядра с массовыми числами больше 150 термодинамически неустойчивы к α -эмиссии (Qα положительна), но доминирующая эмиссия в виде α - распада характерна для самых тяжелых ядер (начиная с 210). Известно свыше 300 α -активных ядер, большинство из которых получено искусственно. В основном они сосредоточены в области транссвинцовых ядер с Z> 82. Имеется группа α -активных ядер в области редкоземельных элементов (А=140-160), а также небольшая группа в промежутке между редкоземельными и тяжелыми ядрами.

Бета-распад (β - распад) – самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Известны типы бета-распада: электронный распад (превращение нейтрона в протон), позитронный распад (протона в нейтрон) и электронный захват. При электронном бета-распаде заряд ядра увеличивается на 1, при позитронном – уменьшается на 1; массовое число не меняется. К бета распаду относится также спонтанное превращение свободного нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Бета-распад - спонтанное превращение ядра (A, Z) в ядро-изобар (A, Z+1) в результате испускания лептонов (электрон и антинейтрино, позитрон и нейтрино), либо поглощения электрона с испусканием нейтрино (е- захват). Бета-распад ядер – самопроизвольное взаимное превращение внутриядерных нейтронов и протонов, происходящее по одному из перечисленных ниже направлений с испусканием или поглощением электронов (е -) или позитронов (е +), нейтрино (ν) или антинейтрино (ν ~). 1.

Бета- излучение - корпускулярное излучение с непрерывным энергетическим спектром, состоящее из отрицательно или положительно заряженных электронов или позитронов (β - - или β + - частиц) и возникающее при радиоактивном β - распаде ядер или нестабильных частиц. Характеризуется граничной энергией спектра Еβ. β - радиоактивность (бета-излучение) представляет собой поток частиц с массой, равной 1/1837 массы протона, образующихся при бета-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых (радий-228). Отрицательно заряженная бета-частица фактически представляет собой электрон, положительно заряженная - позитрон. Бета-излучение обладает большей проникающей способностью по сравнению с α -излучением, но все равно может быть остановлено сравнительно тонким (несколько сантиметров) слоем металла или пластика. Бета – частицы – электроны и позитроны, испускаемые при бета- распаде ядер и свободного нейтрона.

- -распад характерен для нейтроноизбыточных изотопов, в которых число нейтронов больше, чем в устойчивых (а для элементов с Z≥ 83 – больше, чем в β -стабильных, испытывающих только α -распад); напротив, β + -распад и электронный захват свойственны нейтронодефицитным изотопам, более лёгким, чем устойчивые или β -стабильные. Известно более 1500 β -радиоактивных изотопов всех элементов Периодической системы кроме самых тяжёлых (Z=102, 103, 104), для которых пока β -радиоактивность не была отмечена. Энергия β -распада, Еβ, делится между тремя частицами – электроном (позитроном), антинейтрино (нейтрино) и остаточным ядром. В результате β -частицы, в отличие от α -частиц, не обладают строго определённой энергией, и спектр их является не линейчатым, а сплошным – от нуля до Еβ макс≅ Еβ (или Еβ макс≅ Еβ -Е*, если остаточное ядро оказывается в возбуждённом состоянии. Обе частицы, испускаемые или поглощаемые при β -распаде, - электрон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино) – обладают собственным моментом количества движения – спином, равным ½ (в единицах ћ). Поэтому разность полных моментов количества движения (спинов) исходного и конечного ядер при β -распаде всегда целочисленна: Δ I=0, +1, +2, …