Л.И. Баюров
Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии
Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2009. – 112 с.
Лекция 3. Ядерные превращения
1. Типы ядерных превращений
Ядра многих изотопов являются неустойчивыми из-за нарушения
энергии связи между нуклонами. Обладая излишком энергии, такие ядра
претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых
изменяется их первоначальный состав. Ядро атома материнского элемента
превращается в ядро другого (дочернего) атома, имеющего новые физико-химические
свойства. Переход нестабильных ядер в устойчивое состояние сопровождается
α-, β- и γ-излучениями.
Существует три типа ядерных превращений:
1) α-распад. Теория альфа-распада была
разработана в 1928 г. независимо друг от друга советским (а затем американским)
физиком Георгием (Джорджем) Гамовым, английским ученым Р.
Гёрни и американским физиком Эдвардом Кондоном.
При этом типе происходит испускание лучей ядром
нестабильного атома, представляющих собой поток α-частиц. Вследствие
потери с альфа-частицей 2p и 2n
ядро материнского элемента превращается в ядро дочернего, в котором заряд
(порядковый номер) уменьшается на 2, а массовое число - на 4 единицы.
Например: 88Ra226
® 2He4+ 86Rn222
+ Q
В результате α-распада может образоваться дочерний
элемент с также неустойчивым ядром. В таком случае он вновь претерпевает либо
α, либо другой тип распада.
В основном альфа-распад наблюдается у большинства тяжелых по
массе элементов как естественного, так и искусственного происхождения. Известно более
200 α-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической
системы, за свинцом, которым заканчивается заполнение протонной ядерной
оболочки с Z=82.
2) β-распад. Этот тип встречается
у легких и средних по массе ядер. При этом существуют β+ (позитронный)
и β- (электронный) распады. Бета-распад имеет
место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к
β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка
нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает
максимальной устойчивости изотопа. Известно около 1500 β-радиоактивных
изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥
102).
Позитронный распад происходит с ядрами тех
элементов, в которых количество нейтронов меньше, чем в ядрах стабильных
изотопов. При этом один из протонов превращается в нейтрон, позитрон и
нейтрино. Нейтрон остается в ядре дочернего элемента, а позитрон и нейтрино
вылетают из него.
Поэтому в новом ядре образованного при этом элемента будет
на один протон меньше и на один нейтрон больше при равной атомной массе.
Например: 6C11® 5B11 + e+ +υ +Q
Данный тип распада наблюдается также у N13,
O15, F18,
Na22, Co56,58
и др.
Позитроны были открыты в 1932 г. в потоке космических лучей американским физиком Карлом Андерсоном (Нобелевская
премия по физике, 1936).
Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое
время из-за аннигиляции с электроном. Так, например, в свинце позитроны
аннигилируют, в среднем, за 5×10-11
сек.
В физике термин «аннигиляция» буквально означающий
«исчезновение», «уничтожение» (лат. annihilatio от ad - «к» и nihil
- «ничто») принят для наименования процесса, в котором частица и отвечающая
ей античастица
превращаются в электромагнитное излучение - фотоны или кванты физического поля
иной природы. Так, при соударении электрона и его античастицы - позитрона - оба
могут исчезнуть, образовав два фотона (γ-кванта).
Электронный распад наблюдается у изотопов тех
элементов, в ядрах которых имеется большее число нейтронов в сравнении со
стабильными изотопами. В этом случае один из нейтронов превращается в протон,
электрон и антинейтрино. При этом протон остается в ядре, а электрон и
антинейтрино вылетают из него. Таким образом, в ядре нового элемента при той же
атомной массе будет на один протон больше и на один нейтрон меньше, чем у
материнского.
Например: 15P32® 16 S32 + e- +υ~ + Q
Такой тип распада присущ также радиоизотопам Be10, Mg27, Si31, Cl36, Zr86 и др.
3) электронный (K-,
L-, М-) захват был открыт в 1937 г. американским физиком Луисом Альваресом (Нобелевская премия по физике, 1968),
хотя был предсказан еще в 1935 г. японскими учеными Х.Юкавой и С.Сакатой.
Он происходит в том случае, когда масса (в единицах энергии)
материнского атома больше массы дочернего атома на величину, большую энергии
связи захватываемого электрона. Если это превышение больше, чем 2 mc2
=1,02 МэВ (где m - масса покоя
электрона, а с - скорость света), то с электронным
захватом начинает конкурировать позитронный,
т.е. β+- распад.
При этом типе распада происходит захват ядром атома
электрона с одной из ближайших орбит. К-захват происходит в 100 раз
чаще, чем L. Захваченный ядром электрон,
соединяясь с протоном, превращается в нейтрон, а из ядра вылетает нейтрино.
Освободившееся место на К-, L-
или М- орбите сразу же заполняется электроном с более отдаленной от ядра
орбиты, а сам атом дополнительно испускает квант характеристического рентгеновского
излучения.
Например: 25Mn54
+ e-K ® 24Cr54 +υ
+ C-квант + Q
Такой тип распад присущ также Na22,
Al26, Ca41,
Fe52, Zn62 и
ряду др.
Ядра некоторых изотопов могут одновременно подвергаться
нескольким типам распада. Так, у самого распространенного на
Земле радиоизотопа К40 наблюдаются электронный и
позитронный распады:
19K40 ® 20Ca40 + υ~ +
+Q или 19K40
® 18Ar40 + e+ + υ + Q
|