Радыеактыўны распад

З пляцоўкі Вікіпедыя
Jump to navigation Jump to search
Ядзерная фізіка
CNO Cycle-ru.svg
Атамнае ядро · Радыеактыўны распад · Ядзерная рэакцыя · Тэрмаядзерная рэакцыя
Гл. таксама «Фізічны партал»

Радыеактыўнасць (ад лац. Radius «прамень» і āctīvus «дзейсны») — ўласцівасць атамных ядраў самаадвольна (спантанна) змяняць свой склад (зарад Z, масавы лік A) шляхам выпускання элементарных часціц або ядзерных фрагментаў. Адпаведная з'ява завецца радыеактыўным распадам.

Устаноўлена, што радыеактыўнымі з'яўляюцца ўсе хімічныя элементы з парадкавым нумарам пасля 82 (гэта значыць пачынаючы з вісмута), і многія больш лёгкія элементы (праметый і тэхнецый не маюць стабільных ізатопаў, а ў некаторых элементаў, такіх як індый, калій або кальцый, частка прыродных ізатопаў стабільныя, іншыя ж радыеактыўныя).

Натуральная радыеактыўнасць — самаадвольны распад ядраў элементаў, якія сустракаюцца ў прыродзе.

Штучная радыеактыўнасць — самаадвольны распад ядраў элементаў, атрыманых штучным шляхам праз адпаведныя ядзерныя рэакцыі.

Закон радыеактыўнага распаду[правіць | правіць зыходнік]

Асноўны артыкул: Закон радыеактыўнага распаду

Закон радыеактыўнага распаду - закон, адкрыты Фрэдэрыкам Содзі і Эрнэстам Рэзерфордам эксперыментальным шляхам і сфармуляваны ў 1903 годзе. Сучасная фармулёўка закона:

што азначае, што лік распадаў за інтэрвал часу у адвольным рэчыве прапарцыянальны ліку наяўных ва ўзоры радыеактыўных атамаў дадзенага тыпу. 

У гэтым матэматычным выразе - пастаянная распаду, якая характарызуе верагоднасць радыеактыўнага распаду за адзінку часу і мае памернасць с. Знак мінус паказвае на змяншэнне колькасці радыеактыўных ядраў з часам. Закон выказвае незалежнасць распаду радыеактыўных ядраў адзін ад аднаго і ад часу: верагоднасць распаду дадзенага ядра ў кожную наступную адзінку часу не залежыць ад часу, які прайшоў з пачатку эксперыменту, і ад колькасці ядраў, якія засталіся ва ўзоры.

Гэты закон лічыцца асноўным законам радыеактыўнасці, з яго было вынята некалькі важных следстваў, сярод якіх фармулёўкі характарыстык распаду - сярэдні час жыцця атама і перыяд паўраспаду[1][2][3][4].

Радыеактыўнасць прыродных элементаў[правіць | правіць зыходнік]

Эксперыментальна ўстаноўлена, што радыеактыўны (не маюць стабільных ізатопаў) ўсе хімічныя элементы з парадкавым нумарам больш, чым 82 (гэта значыць пачынаючы з вісмута).

Усё больш лёгкія элементы, акрамя стабільных ізатопаў, маюць радыеактыўныя ізатопы з рознымі перыядамі паўраспаду, вар'іруюцца ад доляй нанасекунды да значэнняў, на шмат парадкаў перавышаюць Узрост Сусвету. Напрыклад, теллур-128 мае самы доўгі вымераны перыяд паўраспаду з усіх вывучаных радыенуклідаў, ~ 2,2 ·1024 гадоў.

Выключэнне па нестабільнасці з элементаў лягчэй вісмута складаюць праметый і тэхнецый, якія не маюць доўгажывучых адносна працягласці геалагічных эпох ізатопаў. Найбольш доўгаіснуючы ізатоп тэхнецыя - ду-98 - мае перыяд паўраспаду каля 4,2 млн. гадоў, а самы доўгаіснуючы ізатоп праметыя - праметый-145 - 17,5 млн. гадоў. Таму ізатопы тэхнецыя і праметыя з часу фарміравання Зямлі не захаваліся ў зямной кары і атрыманы штучна.

Існуе шмат радыеактыўных ізатопаў, перыяд паўраспаду якіх сувымерны з узростам Зямлі або перавышае яго, таму, нягледзячы на ​​іх радыеактыўнасць, гэтыя ізатопы ўтрымліваюцца ў прыроднай ізатопнай сумесі адпаведных элементаў. Прыкладамі могуць служыць калій-40, рэній-187, рубідый-87, теллур-128 і многія іншыя.

Некаторыя з доўгажывучых ізатопаў важны для абсалютнага геалагічнага датавання часу крышталізацыі горных мінералаў, парод і метэарытаў.

Гісторыя адкрыцця[правіць | правіць зыходнік]

Радыеактыўнасць была адкрыта ў 1896 году французскім фізікам А. Бекерэлем. Ён займаўся даследаваннем сувязі люмінесцэнцыі і нядаўна адкрытых рэнтгенаўскіх прамянёў.

Бекерэль задаўся пытаннем: ці не суправаджаецца ўсякая люмінесцэнцыя рэнтгенаўскімі прамянямі? Для праверкі сваёй здагадкі ён узяў некалькі злучэнняў, у тым ліку адно з соляў урану, якое фасфарысцыруе жоўта-зялёным святлом. Асвятліўшы яго сонечным святлом, ён загарнуў соль у чорную паперу і паклаў у цёмнай шафе на фотапласцінку, якую таксама загарнуў у чорную паперу. Праз некаторы час, праявіўшы пласцінку, Бекерэль сапраўды ўбачыў малюнак кавалка солі. Але люмінесцэнтнае выпраменьванне не магло прайсці праз чорную паперу, і толькі рэнтгенаўскія прамяні маглі ў гэтых умовах засвяціць пласцінку. Бекерэль паўтарыў вопыт некалькі разоў з аднолькавым поспехам.

24 лютага 1896 года на пасяджэнні Французскай акадэміі навук ён зрабіў паведамленне «Пра выпраменьванні, якія ўтвараюцца фасфарэсцэнцыяй». Але ўжо праз некалькі дзён у інтэрпрэтацыю атрыманых вынікаў давялося ўнесці карэкціроўкі. 26 і 27 лютага ў лабараторыі Бекерэля быў падрыхтаваны чарговы эксперымент з невялікімі зменамі, але з-за хмарнага надвор'я ён быў адкладзены. Не дачакаўшыся добрага надвор'я, 1 сакавіка Бекерэль праявіў пласцінку, на якой ляжала ўранавая соль, так і не абпрамененую сонечным святлом. Яна, натуральна, не фасфарыцыравала, але адбітак на пласцінцы атрымаўся. Ужо 2 сакавіка Бекерэль далажыў аб гэтым адкрыцці на пасяджэнні Парыжскай Акадэміі навук, азагаловіўшы сваю працу «Аб нябачнай радыяцыі, што ўтвараецца фасфарысцыруючымі целамі».[5].


Пасля Бекерэль выпрабаваў і іншыя злучэнні і мінералы ўрану (у тым ліку якія не праяўляюць фасфарэсцэнцыі), а таксама металічны уран. Пласцінка нязменна засвечвалася. Змясціўшы паміж соллю і пласцінкай металічны крыжык, Бекерэль атрымаў слабыя контуры крыжыка на пласцінцы. Тады стала ясна, што адкрыты новыя прамяні, якія праходзяць скрозь непразрыстыя прадметы, але не з'яўляюцца рэнтгенаўскімі.

Бекерэль устанавіў, што інтэнсіўнасць выпраменьвання вызначаецца толькі колькасцю ўрану ў прэпараце і зусім не залежыць ад таго, у якія злучэння ён уваходзіць. Такім чынам, гэта ўласцівасць была ўласціва не злучэнням, а хімічнаму элементу - ўрану.

Сваім адкрыццём Бекерэль дзеліцца з навукоўцамі, якімі ён супрацоўнічаў. У 1898 г. Марыя Кюры і П'ер Кюры выявілі радыеактыўнасць торыя, пазней імі былі адкрыты радыеактыўныя элементы палоній і радый.

Яны высветлілі, што уласцівасцю натуральнай радыеактыўнасці валодаюць усе злучэнні ўрану і ў найбольшай ступені сам уран. Бекерэль жа вярнуўся да цікавіўшага яго люмінафора. Праўда, ён зрабіў яшчэ адно буйное адкрыццё, якое адносіцца да радыеактыўнасці. Аднойчы для публічнай лекцыі Бекерэлю спатрэбілася радыеактыўнае рэчыва, ён узяў яго ў сямейства Кюры і паклаў прабірку ў кішэню камізэлькі. Прачытаўшы лекцыю, ён вярнуў радыеактыўны прэпарат уладальнікам, а на наступны дзень выявіў на целе пад кішэняй камізэлькі пачырваненне скуры ў форме прабіркі. Бекерэль распавёў пра гэта П'еру Кюры, і той паставіў на сабе вопыт: на працягу дзесяці гадзін насіў прывязаную да перадплечча прабірку з радыем. Праз некалькі дзён у яго таксама з'явілася пачырваненне, якое перайшло затым у цяжкую язву, ад якой ён пакутаваў на працягу двух месяцаў. Так упершыню было адкрыта біялагічнае дзеянне радыеактыўнасці.

Але і пасля гэтага сям'я Кюры мужна рабілі сваю справу. Дастаткова сказаць, што Марыя Кюры памерла ад прамянёвай хваробы (дажыўшы, тым не менш, да 66 гадоў).

У 1955 г. былі абследаваны запісныя кніжкі Марыі Кюры. Яны да гэтага часу выпраменьваюць, дзякуючы радыеактыўнаму забруджванню, унесеным пры іх запаўненні. На адным з лісткоў захаваўся радыеактыўны адбітак пальца П'ера Кюры.

Альфа-распад[правіць | правіць зыходнік]

Асноўны артыкул: Альфа-распад

Альфа-распадам называюць самаадвольны распад атамнага ядра на даччынае ядро ​​і α-часціцу (ядро атама ).[6]

Альфа-распад, як правіла, адбываецца ў цяжкіх ядрах з масавым лікам (хоць ёсць некалькі выключэнняў). Унутры цяжкіх ядзер за кошт уласцівасці насычэння ядзерных сіл утвараюцца α-часціцы, якія складаюцца з двух пратонаў і двух нейтронаў.  Утвораная α-часціца схільная большаму дзеянню кулонаўскіх сіл адштурхвання ад пратонаў ядра, чым асобныя пратоны. Адначасова α-часціца адчувае меншае ядзернае прыцягненне да нуклонаў ядра, чым астатнія нуклоны. Утвораная альфа-часціца на мяжы ядра адлюстроўваецца ад патэнцыйнага бар'ера ўнутр, аднак з некаторай верагоднасцю яна можа пераадолець яго (гл. Тунэльны эфект) і вылецець вонкі. Са змяншэннем энергіі пранікальнасць альфа-часціцы патэнцыйнага бар'ера вельмі хутка (экспанентна) змяншаецца, таму час жыцця ядзер з меншай даступнай энергіяй альфа-распаду пры іншых роўных умовах больш.

Правіла зрушэння Содзі для α-распаду:

Прыклад (альфа-распад урану-238 у торый-234):

У выніку α-распаду атам ссоўваецца на 2 клеткі да пачатку табліцы Мендзялеева (гэта значыць зарад ядра Z памяншаецца на 2), масавы лік даччынага ядра памяншаецца на 4.

Гама-распад (ізамерны пераход)[правіць | правіць зыходнік]

Асноўны артыкул: Ізамерыя атамных ядраў

Амаль усе ядра маюць, акрамя асноўнага квантавага стану, дыскрэтны набор узбуджаных станаў з большай энергіяй (выключэннем з'яўляюцца ядра 1H, 2H, 3H і 3He). Узбуджаныя станы могуць засяляцца пры ядзерных рэакцыях альбо пры радыёактыўным распадзе іншых ядраў. Большасць узбуджаных станаў маюць вельмі малыя часы жыцця (менш за нанасекунды). Аднак існуюць і дастаткова доўгажывучых станы ( час жыцця якіх вымяраецца мікрасекундамі, суткамі ці гадамі), якія называюцца изамернымі, хоць мяжа паміж імі і кароткачасовымі станамі вельмі ўмоўная. Изамерныя станы ядраў, як правіла, распадаюцца ў асноўны стан (часам праз некалькі прамежкавых станаў). Пры гэтым выпраменьваюцца адзін ці некалькі гама-квантаў; ўзбуджэнне ядра можа здымацца таксама пасродкам вылету канверсійных электронаў з атамнай абалонкі. Изамерныя станы могуць распадацца таксама і з дапамогай звычайных бэта-і альфа-распадаў.

    • А.Н.Климов. Ядерная физика и ядерные реакторы. — Москва: Энергоатомиздат, 1985. — С. 352.
    • Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — Москва: Энергоатомиздат, 1982.
    • I.R.Cameron, University of New Brunswick. Nuclear fission reactors. — Canada, New Brunswick: Plenum Press, 1982
    • И.Камерон. Ядерные реакторы. — Москва: Энергоатомиздат, 1987. — С. 320.
    • Манолов К., Тютюнник В. Биография атома. Атом — от Кембриджа до Хиросимы. — Переработанный пер. с болг.. — М.: Мир, 1984. — С. 20—21. — 246 с.
    • Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика. В 2 кн. Кн. 1. Физика атомного ядра. Ч. I. Свойства нуклонов, ядер и радиоактивных излучений. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — С. 137.