Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

Відома також узагальнена модель ядра (О. Бор, Б. Моттельсон, 1952 – 1953 рр.), що є спробою синтезу двох попередніх. Проте, кожна з цих моделей не характеризує загальної поведінки ядер.

 

 

8.3.1. Радіоактивність – процес самовільного перетворення деяких (нестабільних) ядер в інші з випромінюванням часток. До радіоактивних перетворень відносяться: -розпад, -розпад (з випромінюванням електрона, позитрона чи захопленням орбітального електрона), спонтанний поділ важких ядер, протонна та нейтронна радіоактивність. Радіоактивність нестабільних ядер, які існують в природі (їх відомо ~ 300) називається природною (А.Беккерель, 1896 р.), а тих, що одержані шляхом ядерних реакцій (їх відомо ~ 1700), – штучною (І. та Ф. Жоліо-Кюрі,1934 р). Обидва види радіоактивності підкоряються одному законові радіоактивного розпаду.

Із-за незалежності радіоактивних перетворень окремих ядер можна вважати, що кількість ядер dN, які розпадаються за проміжок часу dt, пропорційна до наявного числа ядер N і до величини проміжку часу dt, тобто

 , (8.13)

де  – постійна розпаду, яка характеризує ймовірність розпаду кожного ядра за одиницю часу; знак мінус вказує, що число ядер зменшується з часом. Інтегруючи (8.13) при умові  , одержуємо закон радіоактивного розпаду

 . (8.14)

Він показує, що число радіоактивних ядер N, які не розпалися до моменту часу t, зменшується з часом експоненційно (рис.8.3).

Кількість ядер, які розпались за час t,

 , (8.15)

Час Т, протягом якого розпадається половина початкової кількості ядер, називається періодом піврозпаду. Підставляючи в (8.15) t = T i   одержуємо

 . (8.16)

Період піврозпаду відомих радіонуклідів змінюється в дуже широких межах: від 310-7с до 51015 років. Очевидно, величина   має сенс середнього часу життя ядра, тому з (8.13) випливає

 . (8.17)

Виявляється, що в процесі радіоактивного перетворення вихідного (материнського) ядра виникає дочірнє ядро, яке теж може бути радіоактивним. В результаті виникає ряд (сімейство) радіоактивних елементів, генетично зв’язаних між собою. Для природно-радіоактивних елементів відомо 3 таких ряди: ряд торію   ряд урану   ряд актиноурану  ; ці елементи започатковують свої ряди, які закінчуються стабільними ізотопами свинцю (     ). Для штучно-радіоактивних елементів відомий ряд нептунію   (найбільш довгоживучий елемент ряду), який починається з плутонію   і закінчується стабільним ізотопом талію  

З часом в кожному радіоактивному сімействі встановлюється так звана вікова рівновага, при якій швидкості утворення і розпаду проміжних членів ряду зрівнюються, тобто

 . (8.18)

Вікова рівновага встановлюється на протязі десяти періодів піврозпаду найбільш довгоживучого члена ряду. По мірі його розпаду загальний вміст членів ряду в земній корі повільно зменшується. Оскільки для нептунію період піврозпаду складає ~   середнього віку Землі, членів його ряду в природі немає, вони були одержані штучно. Для     будь-якого іншого елемента його ряду, крім свинцю, для якого λ = 0. Тому через великі проміжки часу виникає стільки ядер свинцю, скільки розпадається ядер урану, тобто  . Очевидно також, що  . Виключаючи невідому початкову концентрацію ядер урану   одержуємо  . Сучасна концентрація урану та свинцю в уранових рудах може бути виміряна експериментально, що для середнього віку Землі дає величину ~ 4,5109 років. 

Вже перші дослідники природної радіоактивності (П. та М. Кюрі, Е. Резерфорд) виявили, що радіоактивна речовина є джерелом трьох видів випромінювань: -, - і  -променів. 

 

8.3.2. -промені являють собою потік ядер гелію  ; -розпад відбувається за схемою

 . (8.19)

Індекси дочірнього ядра встановлюються на основі законів збереження зарядового і масового чисел: зарядове чи масове число до реакції рівне сумі відповідних чисел після реакції. Звідси випливають так звані правила зміщення; зокрема, при -розпаді Z дочірнього ядра на 2, а А на 4 менші, ніж у материнського ядра; наприклад,

 .

Енергія реакції -розпаду визначається на основі формули (8.7), де дефект маси реакції

 . (8.20)

Ця енергія виділяється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції, і розподіляється між -частинкою і дочірнім ядром у відношенні, обернено пропорційному їх масам (це можна показати на основі законів збереження енергії та імпульсу).

Певний радіоактивний елемент випромінює -частинки декількох чітко визначених груп. Це обумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати не тільки в основному стані 1, але і в збуджених станах 2,3,… (рис.8.4). За час існування збуджених станів   (10-8 – 10-15) с дочірнє ядро переходить в більш низький чи нормальний стан, випромінюючи -квант. Так виникають -промені, які, звичайно, супроводжують -розпад, хоча дочірнє ядро може звільнитись від надлишку енергії також іншими способами: випромінюючи яку-небудь частинку або іонізуючи атом (процес внутрішньої конверсії).

Процес -розпаду не можна пояснити на основі класичної механіки. Досліди показують, що з радіоактивних ядер випромінюються -частинки з енергією ~6 МеВ. В той же час -частинки з енергією ~8 МеВ не проникають в