Материал: Бодунов Физика учебник

энергетическим уровням (оболочкам) в соответствии с законами квантовой механики (подобно электронам в атоме). Устойчивость ядер связывается с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые (магические) ядра действительно существуют – это ядра, у которых число протонов или нейтронов равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Особенно устойчивы дважды магические ядра, у которых магическим (или суммой магических чисел) одновременно является число протонов

инейтронов: 42 He, 168O, 4020 Ca, 2048Ca, 20882 Pb.

Оболочечная модель ядра объясняет различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменения их свойств.

4.4. Радиоактивность

Радиоактивность – способность ядер некоторых элементов к самопроизвольному (радиоактивному) распаду, который сопровождается радиоактивным излучением. Существует три типа радиоактивного излучения: α-, β- и γ-излучение.

Альфа-излучение и α-распад. Альфа-излучение – поток ядер гелия 42 He со скоростями ~107 м/с. Альфа-распад – самопроизвольный распад атомного ядра (материнского ядра) на дочернее и α-частицу (ядро гелия

42 He ) (рис. 4.2).

α-частица

Ядро

Рис. 4.2

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжелых ядрах с массовым числом A ≥ 140. При этом выполняется правило смещения: в результате α-распада возникает элемент Y, смещенный относительно исходного элемента X на две клетки к началу Периодической системы элементов Менделеева (зарядовое число уменьшается на 2):

85

ZA X 42 He ZA 42Y.

В этом распаде массовое число дочернего ядра ZA 42Y на четыре едини-

цы меньше массового числа материнского ядра ZA X .

Примером α-распада служат:

1) превращение ядра урана в ядро тория:

23892 U 23490Th 42 He;

2) превращение ядра радия в ядро радона:

22688 Ra 22286 Rn 42 He.

Поскольку α-частицы имеют большие массу и заряд (по сравнению с электроном), они сильно поглощаются веществом, т. е. α-излучение обладают низкой проникающей способностью. Так, при нормальном давлении слой воздуха толщиной несколько сантиметров полностью задерживает α-частицы. В конденсированной среде (жидкость, твердое тело) полное поглощение α-излучения достигается при толщине слоя вещества около 0,1 мм.

Бета-излучение и β-распад. Эксперименты показали, что β-излуче- ние– это поток электронов 10e ( -излучение) или позитронов 10e ( -излу-

чение) со скоростями, близкими к скорости света. (Позитрон – античастица по отношению к электрону, имеет массу и положительный заряд, равные массе и заряду электрона; встреча позитрона с электроном приводит к их аннигиляции, при этом образуются фотоны с большой энергией. Позитрон был предсказан теоретически П. Дираком в 1928 г. и обнаружен эксперименталь-

но в 1932 г.)

Различают три разновидности β-распада:

1)электронный -распад. В этом процессе один из нейтронов 01n ядра превращается в протон 11 p с испусканием электрона 10e и антинейтрино 00 :

01n 11 p 10e 00 .

(В ядерных реакциях при возникновении дополнительной частицы – в данном случае электрона – обязательно возникает соответствующая ей античастица – антинейтрино.)

Процесс -распада ядер записывается в виде

ZA X Z A1Y 10e 00 ,

86

где ZA X – распадающееся материнское ядро; Z A1Y – образовавшееся в результате -распада дочернее ядро (рис. 4.3).

β–-излучение

10e

Рис. 4.3

В результате -распада элемент смещается на одну клетку к концу Пе-

риодической системы элементов Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), при этом массовое число ядра не изменяется. Примером служит процесс превращения ядра цезия в ядро бария:

13755 Cs 13756 Ba 10e 00 .

Экспериментально доказано, что электроны при -распаде ядра полу-

чают разную кинетическую энергию – от нуля до E0 (рис. 4.4, где dN/dE – число электронов в единичном интервале энергий), однако при этом ядро теряет однуитужеэнергиюE0, характернуюдляданногоядра.

Опираясь на эти факты и закон сохранения энергии, В. Паули в 1932 г. предположил, что остальную часть энергии уносит другая частица: при -

распаде – антинейтрино, при -распаде – нейтрино. Нейтрино и антиней-

трино не имеют ни массы покоя, ни заряда, поэтому они очень слабо взаимодействуют с веществом и обладают огромной проникающей способностью. Экспериментально обнаружить нейтрино удалось лишь в 1956 г.;

dN dE

Рис. 4.4

87

2) позитронный - распад. В этом процессе один из протонов 11 p ядра превращается в нейтрон 01n с испусканием позитрона 10e и нейтрино

00 :

11 p 01n 10e 00 .

В результате -распада массовое число ядра остается неизменным, а

порядковый номер элемента уменьшается на единицу (элемент смещается на одну клетку к началу Периодической системы элементов Менделеева):

ZA X Z A1Y 10e 00 ;

3)электронный захват. Ядро поглощает один из электронов K-оболочки (реже из L- или M-оболочки) своего атома, в результате чего один из протоновпревращается в нейтрон, испуская при этом антинейтрино:

11 p 10e 01n 00 .

Проникающая способность -излучения значительно больше, чем у α-излучения, так как электроны по сравнению с ядрами атома гелия имеют меньшие массу и заряд. Так, -излучение проникает в ткани организма на

1–2 см, полностью задерживается слоем воздуха 2–3 м, слоем воды ~10 см и слоем свинца толщиной ~5 мм.

Гамма-излучение и γ-распад. Почти все ядра (за исключением ядер 1Н, 2Н, 3Н и 3Не) кроме основного квантового состояния имеют дискретный набор возбужденных состояний с большой энергией. Ядра в таком состоянии возникают при ядерных реакциях или при радиоактивном распаде. Боль-

шинство возбужденных состояний имеет очень малые времена жизни (10–8–

10–15 с).

При переходе ядра из возбужденного состояния в основное (иногда через несколько промежуточных состояний) излучается один или несколько

-квантов. Гамма-излучение – это электромагнитные волны с очень маленькой длиной волны (λ < 10–11 м).

В качестве примера приведем -излучение изотопа кобальта 2760 Co . Этот изотоп вначале испытывает -распад, в результате чего в возбужденном со-

стоянии возникает дочернее ядро 6028 Ni (рис. 4.5), которое практически сра-

зу же переходит в основное состояние путем последовательного испускания двух -квантов с энергией E 1 = 1,17 и E 2 = 1,33 МэВ.

88