WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙТ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОАКТИВНОСТЬ Учебное пособие по специальностям 010400, 014100, 013800, 010100, 510400 ВОРОНЕЖ 2003 2 Утверждено научно – методическим советом физического факультета 12 ноября 2002 г.

Составители : Левин М.Н., Гитлин В.Р.

Учебное пособие подготовлено на кафедре ядерной физики физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендовано длястудентов дневного отделения физического факультета, а также длястудентов 4 курса математического факультета Учебное пособие подготовлено в обеспечение поточного лекционного курса «Физика», читаемого длястудентов 4 курса математического факультета, спецкурсов «Радиационная физика», «Радиоэкология», «Физическое материаловедение», читаемых студентам по специализациям «Физика ядра и элементарных частиц» и «Медицинская физика», а также для кольцевого практикума по ядерной физике.

3 РАДИОАКТИВНОСТЬ Радиоактивность – первый ядерный процесс открытый человеком. Открытие радиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники.. Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры вещества. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности и многих других областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией быливызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям. За работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии.

Радиоактивность ( от латинского radio-излучаю, radius-луч и aktivusдейственный) представляет собой процесс самопроизвольного распада атомных ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Ядра, подверженные радиоактивному распаду, называются радиоактивными. Ядра, не испытывающие радиоактивного распада, называются стабильными. В процессе радиоактивного распада у ядер может изменяться как атомный номер Z, так и массовое число А.

Все известные типы радиоактивных превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий микромира: сильных взаимодействий (ядерные силы) или слабых взаимодействий. Сильные взаимодействия ответственны за превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц, например, -частиц, протонов, или осколков деления ядер. Слабые взаимодействия проявляются в -распаде ядер. Электромагнитные взаимодействия ответственны за квантовые переходы между различными состояниями одного и того же ядра, которые сопровождаются испусканием гамма-излучения. Эти переходы не связаны с изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной классификации, не принадлежат к числу радиоактивных превращений. Понятие радиоактивность распространяется также на -распад нейтронов.

Радиоактивность отличают от превращений составных ядер, образующихся в процессе ядерных реакций в результате поглощения ядроммишенью падающей на него ядерной частицы. Время жизни такого ядра значительно превышает время пролета падающей частицей расстояния порядка ядерных размеров (10-21 – 10-22с, так называемое, характерное ядерное время ) и может достигать 10-13 – 10-14 с. Поэтому нижней границей продолжительности жизни радиоактивных ядер условно считается время порядка 10-12 с.

Характерной особенностью радиоактивности являются огромные, в масштабах микромира, времена жизни радиоактивных ядер. Так, например, при характерном ядерном времени, которое имеет порядок 10-21с, радиоактивное ядро U238 имеет среднее время жизни 1010 лет (т.е. ~ 1017c.).

Процесс радиоактивного распада всегда экзотермичен, т.е. идет с выделением энергии. Поэтому при расчете энергетического баланса необходимо учитывать релятивистскую связь массы с энергией Ерел = Мс2, так как при распаде могут рождаться новые частицы, на что будет затрачиваться энергия.

Необходимым условием радиоактивного распада является его энергетическая выгодность – масса материнского (исходного) ядра должна быть больше суммы масс дочернего ядра (ядра – продукта) и частиц, образующихся в процессе распада. Время жизни радиоактивного ядра сильно зависит от энергии, выделяющейся при распаде.

Радиоактивный распад характеризуется временем его прохождения, видом частиц, испускаемых во время распада, энергиями испускаемых частиц, угловыми распределениями направлений вылета частиц, спинами материнских и дочерних ядер и испускаемых частиц.

Большинство радиоактивных ядер в природе невстречается, а получено в лабораториях искусственным путем. Отдельные радиоактивные изотопы образуются в природе в результате различных ядерных реакций. Ядра с большими средними временами жизни (превышающими сотни миллионов лет) неуспели полностью распасться за время, прошедшее с момента образования Солнечной системы (~109лет). Таких долгоживущих радиоактивных изотопов известно около 20. Важнейшие из них: Th232, U238 и U235. В естественных условиях в природе могут встречаться и сравнительно быстро распадающиеся радиоактивные изотопы. Существоватьв значительных количествах они могут лишь при наличии в природе процессов, способных восполнять их убыль за счет радиоактивного распада. Существуют два таких процесса. Первым из них является процесс распада долгоживущих изотопов, при котором образуются короткоживущие радиоактивные ядра. Например, изотопы урана, распадаясь переходят в новые изотопы, времена жизни которых значительно меньше.

Второй процесс связан с образованием радиоактивных ядер при ядерных реакциях, вызываемых космическими лучами – потоками частиц падающих на Землю из космоса. Так существование в атмосфере Земли радиоактивного изотопа С14 обусловлено ядерными реакциями под действием космических лучей.



Область существования атомных ядер Установлено, что атомные ядра могут существовать в определенной ограниченной области значений величин А и Z. Вне этих границ атомные ядра существовать не могут, так как они за характерное ядерное время ( я а /с 10-23 с, где а – радиус действия ядерных сил, с – скорость света) распадаются с испусканием одного или двух нуклонов. Внутри области возможного существования ядер не все ядра стабильны. Однако, они распадаются непутем практически мгновенного испускания нуклона, а за счет более медленных процессов. На рис.1 показана нейтронно-протонная диаграмма атомных ядер. Стабильные ядра (они обозначены черными точками ) образуют, так называемую долину стабильности. При малых А стабильные ядра сдержат примерно одинаковое число протонов и нейтронов, а при увеличении А процентное содержание нейтронов возрастает. С левой стороны от долины стабильности находятся ядра, имеющие избыток протонов, справа – ядра, имеющие избыток нейтронов. Протоноизбыточные ядра являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном за счет + -распадов. При этом протон, входящий в состав ядра, превращается в нейтрон. Нейтроноизбыточные ядра также являются радиоактивными и переходят в стабильные в результате -распадов с превращением нейтрона в протон. Самые тяжелые стабильные изотопы – изотопы свинца (Z = 82) и Рис.1.

Нейтронно-протоннаядиаграмма атомных ядер висмута (Z = 83). Тяжелые ядра наряду с+ и - подвержены также -распаду и спонтанному делению, которые становятся основными каналами их распада. На рис.1 пунктирная линя очерчивает область возможного существования атомных ядер. Линия Вр (Вр-энергия вырывания из ядра протона) ограничивает областьсуществования атомных ядер слева, линия Вn (Вn энергия вырывания нейтрона) – справа.

Энергия связи ядра Энергия связиядра – энергия, необходимаядляполного разделения ядра на составляющие его нуклоны. Она характеризует прочность ядра и необходима для расчета любых процессов распадов и превращений ядер. Энергию выбивания протона из ядра Вр - можно представитьв виде разности энергии связи ядер XA и XA-1 :

Bp = Есв (Z,A) – (Z-1, A-1) Энергия выбивания нейтрона :

Bn = Есв (Z,A) – (Z, A-1) Длявыбивания из ядра -частицы необходима энергия:

B = Есв (Z, A) – Eсв (Z-2, A-4) – Eсв (), где Eсв () – энергия связи -частицы.

В практике часто используют удельную энергию связи или энергию связи на один нуклон: Eсв /A.

Из теории относительности следует, что масса М и полнаяэнергия Ерел любой физической системы связаны соотношением Эйнштейна:

Ерел = М с2.

С помощью этого соотношения энергию связи ядра можно выразитьчерез его массу МZ, A и массы протона и нейтрона:

Есв (Z, A) = (Z,Mp + NMn - MZ,A) c2.

Видно, что масса ядра на величину Есв / c2 меньше суммы масс нуклонов, составляющих ядро.

Законы радиоактивного распада.

Радиоактивность - процесс статистический. Одинаковые ядра распадаются за различные промежутки времени, но среднее время жизни ядер одного вида не зависит от процесса образования этих ядер, от давления, температуры, агрегатного состояния, типа химического соединения, куда входит радиоактивный элемент, и является величиной постоянной. Поэтому среднее время жизни, или просто время жизни (), является физической характеристикой распада ядер. На практике продолжительность жизни радиоактивных ядер обычно характеризуют периодом полураcпада – промежутком времени Т1/2, в течение которого число радиоактивных ядер уменьшается в 2 раза.

Независимость распада отдельного ядра от остальных ядер определяет выбор постоянной распада (вероятностьраспада ядра за единицу времени), как естественной статистической величины. При большом числе N одинаковых нестабильных ядер величина N называется активностью и показывает количество распадающихся ядер за единицу времени. Активность характеризует интенсивность излучения препарата в целом. Исторически единицей активности была (в настоящее время это внесистемнаяединица) кюри (Ки), котораяпервоначально определялась как активность 1г Ra. В дальнейшем под 1 Ки стали понимать активность радиоактивного препарата, в котором происходит 3,71010 распадов в секунду. Другой внесистемной единицей активности является резерфорд (Рд) : 1Рд = 106 расп./с. В системе СИ единицей измерения активности в настоящее время является 1 беккерель (Бк ), имеющаяразмерностьс-1 и равная 1 распаду в секунду.

Свойством радиоактивности является независимость от времени. В любые моменты времени одинакова.

Если в момент времени t имеется большое количество N радиоактивных ядер и за промежуток времени dt распадается в среднем dN ядер, то можно записать:

dN = - N dt. (1) Знак – показывает убыль радиоактивных ядер в процессе распада. После интегрирования:

N = N0 e-t, (2 ) где N0 – количество радиоактивных ядер в произвольный начальный момент времени t = 0. Таким образом видно, что дляпроцессов радиоактивного распада характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа активных ядер. Активность А является производной от N по времени, взятой с обратным знаком:

А = N = -dN/dt. (3) Так как N(Т1/2) = N0 /2, то:

N0 /2 = N0 e-Т, e-Т = 1/откуда:

= ln2/Т1/2 ~ 0,69 / Т1/2. (4) Из (1):

dN/dt = -( 0,69 / Т1/2) N.

Среднее время жизни ядра равно обратной величине от постоянной распада : = 1/, или Т1/2 = ln 2 = 0,69.





Радиоактивные ряды (семейства) Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными и тогда образованию стабильного изотопа предшествует цепочка из целого ряда актов радиоактивного распада. Все тяжелые ядра с массовым числом А >209 нестабильны к -распаду за счет возрастания роли кулоновской энергии. Если массовое число А намного больше 209, то это ядро в стабильное переходит путем цепи нескольких последовательных распадов.

Однако невсе звенья этой цепи будут -распадами. При каждом акте -распада массовое число А уменьшается на 4, а зарядядра (атомный номер)- на 2. При этом процент нейтронов в ядре увеличивается. Но стабильные относительно распаа ядра при меньших А должны содержатьнебольший, а меньший процент нейтронов. Отсюда видно, что стабильное относительно -распада тяжелое ядро послеодного или нескольких последовательных актов -рапада станет нестабильным к -распаду. Поэтому в цепях распадов процессы - и распадов чередуются друг сдругом. Исследование радиоактивных элементов, встречающихся в природе показало, что все они могут быть расположены в, виде трех последовательных цепочек радиоактивных семейств или рядов.

Последовательность радиоактивных распадов в радиоактивных семействах Рис. 2а Рис. 2б Последовательностьраспадов в радиоактивных семействах показаны на рис.2а, 2б, 2в. Ряды начинаются изотопами тяжелых элементов:

U238, U235, Th232 и заканчиваются стабильными изотопами свинца Pb206, Pb207, Pb208 (урановый, актиниевый и ториевый ряды). Массовое число А при - распаде не меняется, а при -распаде уменьшается на 4 для каждого радиоактивного семейства. При этом в первом случае заряд следующего элемента увеличивается на 1, во втором – понижается на 2. Эта закономерность называется правилами смещения. Из них следует, что массовые числа членов всех трех семейств описываются формулой:

А = 4n + C, где n – целое число, С = 2 для семейства урана, С = 3 для семейства актиноурана, С = 0 для семейства тория. С =1 для четвертого семейства, состоящего из изотопов невстречающихся в природе,– семейства нептуниевого (рис.2г), которое начинается Pu241 и заканчивается Bi209.

Рис. 2в Рис. 2г Последовательностьраспадов в радиоактивных семействах Правила смещения помогли правильно идентифицировать члены радиоактивных семейств. Первые три радиоактивные ряда сыграли исключительно важную роль на начальном этапе ядерной физики, когда все методы изучения атомного ядра были связаны с естественной радиоактивностью изотопов входивших в эти ряды. В настоящее время они имеют важное прикладное значение дляядерной техники, геологии, геофизики и смежных с ними наук, поскольку содержат изотопы периоды полураспада которых сравнимы с с временем жизни Солнечной системы. Все 4 изотопа открывающие радиоактивные ряды имеют периоды полураспада намного большие, чем у всех остальных изотопов в каждом ряду. Из сравнения периодов полураспада начальных изотопов рядов с временем жизни Земли (~109 лет) видно, что торий – Th232 (Т1/2 = 1,4 1010лет) в Земле почти весь сохранился, уран – U238 (Т1/2 = 4,5 109лет) распался лишь частично, а актиний – U235 (Т1/2 = 7 108 лет) большей частью распался. Изотоп нептуния Np237 (Т1/2 = 2,2 106 лет) за время существования Земли распался практически весь. Поэтому четвертое радиоактивное семейство было исследовано гораздо позднее трех остальных, когда научились получатьискусственные изотопы.

Искусственная радиоактивность Впервые искусственную радиоактивность атомных ядер наблюдали французские физики супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1934 году. В настоящее время известно более 2000 радиоактивных изотопов и только лишь около 300 из них природного происхождения, остальные получены искусственным путем. Такие изотопы есть у всех химических элементов от водорода до урана. Получены искусственным путем элементы с Z = (технеций Тс99) и Z = 61 (прометий Pm145), которые ранее в природе не наблюдались. Получены изотопы трансурановых элементов (Z > 92). Между естественной и искусственной радиоактивностью нет принципиального различия. Изучение искусственной радиоактивности привело к важнейшим открытиям в области превращений ядер и структуры атомного ядра.

Искусственные радиоактивные элементы получают путем облучения стабильных изотопов нейтронами (n), высокоэнергетическим (жестким) излучением, быстрыми заряженными частицами: -частицами, протонами (р), дейтронами (d) и т.д.

В результате реакций типа (d,р), (n, р), (n, ) и т.д. часто образуется нестабильный нейтроноизбыточный изотоп. Протоноизбыточные нестабильные изотопы получают обычно в реакциях типа (p, n), (d, n), (,n), (n,2n) и т.д. Состояние устойчивости для первого случая может быть достигнуто путем замещения нейтрона протоном при одновременном испускании электрона и антинейтрино. Во втором случае протон замещается нейтроном, а это может идти либо путем испускания позитрона и нейтрино, либо -частицы, либо захватом орбитального электрона и испускания нейтрино.

Дляполучения радиоактивных изотопов часто используются нейтроны, так как дляних несуществует электростатических сил отталкивания от ядра. При этом вероятностьзахвата нейтронов ядрами обратно пропорциональна их скорости.

При захвате ядром теплового нейтрона образуется ядро в возбужденном состоянии. Избыток энергии, равный энергии связи в ядре (5 – 8 МэВ), выделяется в виде -квантов. Такие реакции носят название радиационного захвата нейтрона. Они могут бытьпредставлены в виде:

BA + 0n1 ZCA+1* ZCA+1 +, Z где BA - исходное ядро, CA+1* и CA+1 – ядро продукт в возбужденном и Z Z Z основном состоянии соответственно.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.