Экологичные технологии
Навигация
Библиотека
Скачать Книги
Поиск по сайту

Главная > Энергия атома > β-распад.

β-распад.

Бета-излучение - поток β - частиц, испускаемых атомными ядрами при β – распаде радиоактивных изотопов. β –распад - радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо нейтрона (n) в протон (p), либо протона в нейтрон. Вылетающие при β - распаде электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы - нейтрино (n) в случае β+ - распада или антинейтрино в случае β- - распада.

Масса β - частиц в абсолютном выражении равна 9,1-10 28 г. β - частицы несут один элементарный электрический заряд и распространяются в среде со скоростью от 100 тыс. км/с до 300 тыс. км/с (т.е. до скорости света) в зависимости от энергии излучения. Энергия β - частиц колеблется в значительных пределах. Это объясняется тем, что при каждом β - распаде радиоактивных ядер образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, β - частицами и нейтрино в разных соотношениях, причем энергия β - частиц может колебаться от нуля до какого-то максимального значения. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,015-0,05 МэВ (мягкое излучение) до 3-13,5 МэВ (жесткое излучение).

Так как β - частицы имеют заряд, то под действием электрического и магнитного полей они отклоняются от прямолинейного направления. Обладая очень малой массой, β - частицы при столкновении с атомами и молекулами также легко отклоняются от своего первоначального направления (т.е. происходит сильное рассеяние их). Поэтому определить длину пути β - частиц очень трудно - этот путь слишком извилистый. Пробег β –частиц в связи с тем, что они обладают различным запасом энергии, также подвергается колебаниям. Длина пробега в воздухе может достигать 25 см, а иногда и нескольких метров. В биологических тканях пробег частиц составляет до 1 см. На путь пробега влияет также плотность среды.

Периоды полураспада заключены в широком интервале: от 1,3*10-2 сек (12N) до 2*1013 лет (природный радиоактивный изотоп 180W).

β -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. Таким образом, тенденция к β+ - распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к β- - распаду - для нейтроноизбыточных изотопов.

Если изотоп имеет меньшее массовое число, чем указано в периодической системе Менделеева, то велика вероятность того, что он будет β+ - активным, т.е. протон внутри такого ядра будет стремиться превратиться в нейтрон. Если масса изотопа больше, чем указано в периодической системе Менделеева, то возрастает вероятность того, что он будет β--активным, т.е. в таком ядре нейтрон будет стремиться пре¬вратиться в протон. В обоих случаях ядро становится неустойчивым, и его распад ведёт к восстановлению соотношения протонов и нейтронов.

Природа β-распада.

Исследование β -распада ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности явление β -распада долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой. Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при β - распаде, даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы - нейтрино - спасло не только закон сохранения энергии, но и другой важнейший закон физики - закон сохранения момента количества движения.

Источник.

Взаимные превращения нуклонов в легких и тяжелых ядрах при участии слабых взаимодействий.

Энергия.

Для того чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов β-превращения, сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при β -распаде происходит выделение энергии.

Энергия β - распада распределяется между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из лёгких частиц может уносить практически любую энергию т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.

Три вида распадов. Термодинамические условия их протекания.

Бета-распад может быть трех видов:

а) электронный β- - распад характерен как для естественных, так и для искусственных радионуклидов, которые имеют излишек нейтронов. Этот распад в основном характерен для тяжелых радиоактивных изотопов. Электронному β--распаду подвергается около 46 % всех радиоактивных изотопов. При этом один из нейтронов превращается в протон, а ядро ис¬пускает электрон и антинейтрино. Массовое число ядра, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядропродукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов.

При испускании β- - частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии, когда в дочернем ядре обнаруживается избыток энергии, которая не захвачена корпускулярными частицами. Этот излишек энергии высвечивается в виде γ -квантов.

б) позитронный β+ - распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов, у которых в ядре имеется излишек протонов. Он характерен для 11 % радиоактивных изотопов, находящихся в первой половине таблицы Д.И.Менделеева (Z<45). При позитронном β - распаде один из протонов превращается в нейтрон, заряд ядра и, соответственно, атомный номер уменьшаются на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два γ - кванта с энергией, эквивалентной массе частиц. Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два γ -кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение - аннигиляционного. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую - γ – фотоны.

в) электронный К—захват. Это такой вид радиоактивного превращения, когда ядро атома захватывает электрон из ближайшего к ядру энергетического К-уровня (электронный К-захват) или, реже, в 100 раз - из L уровня. В результате один из протонов ядра нейтрализуется электроном превращаясь в нейтрон. Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше, а массовое число не изменяется. Ядро испускает антинейтрино. Освободившееся место, которое занимал в К или L-уровне захваченный электрон, заполняется электроном из более удаленных от ядра энергетических уровней. Избыток энергии, освободившийся при таком переходе, испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения.

Электронный К-захват характерен для 25% всех радиоактивных ядер, но в основном для искусственных радиоактивных изотопов, расположенных в другой половине таблицы Д.И. Менделеева и имеющих излишек протонов (Z = 45 - 105). Только три естественных элемента претерпевают К-захват: калий-40, лантан-139, лютеций-176 .

Некоторые ядра могут распадаться двумя или тремя способами: путем а и β - распада и К-захвата.Калий-40 подвергается, как уже отмечалось, электронному распаду 88% и К-захвату - 12%. Медь-64 превращается в никель (позитронный распад - 19%, К-захват - 42%; (электронный распад - 39%).

Проникающая и ионизационная способность.

Ионизирующая способность β - частиц значительно ниже, чем α - частиц. Степень ионизации зависит от скорости: меньше скорость — больше ионизация. На 1 см пути пробега в воздухе β - частица образует 50-100 пар ионов (1000-25000 пар ионов на всем пути в воздухе ). β - частицы больших энергий, пролетая мимо ядра слишком быстро, не успевают вы¬звать такой же сильный ионизирующий эффект, как медленные β - частицы. При потере энергии электрон захватывается либо положительным ионом с образованием нейтрального атома, либо атомом с образованием отрицательного иона.

Проникающая способность в воздухе до 1 м, в биологических тканях до 1 см.