چگونه در طول فروپاشی b تغییر خواهد کرد. چگونه عدد جرمی در هنگام فروپاشی تغییر می کند؟

فروپاشی بتا

واپاشی β، واپاشی رادیواکتیو یک هسته اتمی، همراه با گسیل یک الکترون یا پوزیترون از هسته. این فرآیند به دلیل تبدیل خود به خود یکی از نوکلئون های هسته به یک نوکلئون از نوع متفاوت است، یعنی: تبدیل یک نوترون (n) به یک پروتون (p)، یا یک پروتون به یک نوترون. در حالت اول، یک الکترون (e -) از هسته پرواز می کند - به اصطلاح β - واپاشی رخ می دهد. در حالت دوم، یک پوزیترون (e +) از هسته خارج می شود - β + فروپاشی رخ می دهد. حرکت تحت B.-r. الکترون ها و پوزیترون ها در مجموع ذرات بتا نامیده می شوند. دگرگونی های متقابل نوکلئون ها با ظهور یک ذره دیگر - نوترینو ( ν در مورد واپاشی β+ یا ضد نوترینو A، برابر با تعداد کل نوکلئون‌های هسته، تغییر نمی‌کند و محصول هسته‌ای هم‌باری از هسته اصلی است که در کنار آن در سمت راست در جدول تناوبی قرار دارد. از عناصر برعکس، در حین واپاشی β + - تعداد پروتون ها یک عدد کاهش می یابد و تعداد نوترون ها یک عدد افزایش می یابد و یک ایزوبار تشکیل می شود که در مجاورت سمت چپ هسته اصلی قرار دارد. به طور نمادین، هر دو فرآیند B.-r. به شکل زیر نوشته می شوند:

که در آن نوترون -Z.

ساده ترین مثال از واپاشی β، تبدیل یک نوترون آزاد به یک پروتون با گسیل یک الکترون و یک پاد نوترینو است (نیمه عمر نوترون ≈ 13 دقیقه):

مثال پیچیده تر (β - واپاشی - فروپاشی ایزوتوپ سنگین هیدروژن - تریتیوم، متشکل از دو نوترون (n) و یک پروتون (p):

بدیهی است که این فرآیند به β - فروپاشی یک نوترون محدود (هسته ای) می رسد. در این مورد، هسته تریتیوم بتا رادیواکتیو به هسته عنصر بعدی در جدول تناوبی تبدیل می شود - هسته ایزوتوپ نور هلیم 3 2 He.

یک مثال از واپاشی β + فروپاشی ایزوتوپ کربن 11 C طبق طرح زیر است:

تبدیل یک پروتون به یک نوترون در داخل یک هسته نیز می تواند در نتیجه گرفتن یکی از الکترون ها از لایه الکترونی اتم توسط پروتون رخ دهد. بیشتر اوقات، جذب الکترون اتفاق می افتد

B.-r. در هر دو ایزوتوپ رادیواکتیو طبیعی و مصنوعی رادیواکتیو مشاهده شده است. برای اینکه یک هسته نسبت به یکی از انواع تبدیل β ناپایدار باشد (یعنی می تواند تبدیلی را تجربه کند)، مجموع جرم ذرات سمت چپ معادله واکنش باید بیشتر از مجموع توده های محصولات تبدیل. بنابراین، با B.-r. انرژی آزاد می شود. انرژی B.-r. Eβ را می توان از این اختلاف جرم با استفاده از رابطه محاسبه کرد E = mc2،جایی که با -سرعت نور در خلاء در مورد واپاشی β

جایی که M -توده های اتم های خنثی در مورد واپاشی β+، یک اتم خنثی یکی از الکترون‌های پوسته‌اش، انرژی b.-r را از دست می‌دهد. برابر است با:

جایی که من -جرم الکترون

انرژی B.-r. بین سه ذره توزیع شده است: الکترون (یا پوزیترون)، آنتی نوترینو (یا نوترینو) و هسته. هر یک از ذرات نور می تواند تقریباً هر انرژی را از 0 تا E β حمل کند، یعنی طیف انرژی آنها پیوسته است. فقط در حین گرفتن K، یک نوترینو همیشه همان انرژی را با خود می برد.

بنابراین، با واپاشی β، جرم اتم اولیه از جرم اتم نهایی بیشتر می شود و با واپاشی β + این مازاد حداقل دو جرم الکترون است.

مطالعه B.-r. هسته ها بارها اسرار غیرمنتظره ای را در اختیار دانشمندان قرار داده اند. پس از کشف رادیواکتیویته، پدیده B.-r. مدتهاست که به عنوان استدلالی به نفع حضور الکترون در هسته اتم در نظر گرفته شده است. معلوم شد که این فرض در تضاد آشکار با مکانیک کوانتومی است (به هسته اتمی مراجعه کنید). سپس، ناپایداری انرژی الکترون‌های ساطع شده در طول B.-R حتی باعث ناباوری برخی از فیزیکدانان به قانون بقای انرژی شد مشخص شد که هسته هایی که در حالت هایی با انرژی بسیار مشخص هستند در این تبدیل شرکت می کنند. حداکثر انرژی الکترون هایی که از هسته فرار می کنند دقیقاً برابر با اختلاف انرژی هسته های اولیه و نهایی است. اما در این مورد، مشخص نبود که اگر الکترون های ساطع شده انرژی کمتری حمل کنند، انرژی کجا ناپدید می شود. فرض دانشمند آلمانی W. Pauli در مورد وجود یک ذره جدید - نوترینو - نه تنها قانون بقای انرژی، بلکه قانون مهم دیگری از فیزیک - قانون بقای تکانه زاویه ای را نجات داد. از آنجایی که اسپین ها (یعنی گشتاورهای ذاتی) نوترون و پروتون برابر با 1/2 است، پس برای حفظ اسپین در سمت راست معادلات B.-r. فقط می تواند تعداد فرد ذرات با اسپین 1/2 وجود داشته باشد. به طور خاص، در طول فروپاشی β یک نوترون آزاد n → p + e - + ν، تنها ظاهر یک پادنوترینو نقض قانون بقای تکانه زاویه ای را از بین می برد.

B.-r. در عناصر تمام قسمت های جدول تناوبی رخ می دهد. تمایل به تبدیل β به دلیل وجود بیش از حد نوترون یا پروتون در تعدادی ایزوتوپ در مقایسه با مقداری که با حداکثر پایداری مطابقت دارد، ایجاد می‌شود. بنابراین، تمایل به واپاشی β + یا جذب K مشخصه ایزوتوپ های کمبود نوترون است و تمایل به واپاشی β- مشخصه ایزوتوپ های غنی از نوترون است. حدود 1500 ایزوتوپ بتا رادیواکتیو از همه عناصر جدول تناوبی، به جز سنگین ترین آنها (Z ≥ 102) شناخته شده است.

انرژی B.-r. ایزوتوپ های شناخته شده در حال حاضر محدوده از

نیمه عمر در محدوده وسیعی از 1.3 10 -2 است ثانیه(12 N) تا واپاشی بتا 2 10 13 سال (ایزوتوپ رادیواکتیو طبیعی 180 W).

مطالعه بعدی B.-r. بارها فیزیکدانان را به فروپاشی ایده های قدیمی سوق داده است. مشخص شد که ب.-ر. توسط نیروهای کاملاً جدید اداره می شود. با وجود دوره طولانی که از کشف B.-r می گذرد، ماهیت تعاملی که B.-r را تعیین می کند، به طور کامل مورد مطالعه قرار نگرفته است. این تعامل "ضعیف" نامیده شد زیرا 10 12 برابر ضعیف تر از هسته ای و 10 9 برابر ضعیف تر از الکترومغناطیسی است (فقط از برهم کنش گرانشی فراتر می رود؛ برهم کنش های ضعیف را ببینید). برهمکنش ضعیف در همه ذرات بنیادی ذاتی است (به ذرات بنیادی مراجعه کنید) (به جز فوتون). تقریباً نیم قرن گذشت تا فیزیکدانان کشف کنند که در B.-r. تقارن بین "راست" و "چپ" ممکن است شکسته شود. این عدم حفاظت از برابری فضایی به ویژگی‌های برهمکنش‌های ضعیف نسبت داده شده است.

مطالعه B.-r. جنبه مهم دیگری هم داشت طول عمر هسته نسبت به B.-r. و شکل طیف ذرات β به حالت هایی بستگی دارد که نوکلئون اصلی و نوکلئون محصول در داخل هسته قرار دارند. بنابراین، مطالعه تشدید مغناطیسی، علاوه بر اطلاعاتی در مورد ماهیت و خواص برهمکنش های ضعیف، درک ساختار هسته های اتمی را به طور قابل توجهی گسترش داده است.

احتمال B.-r. به طور قابل توجهی بستگی به نزدیکی حالت های نوکلئون ها در هسته اولیه و نهایی به یکدیگر دارد. اگر حالت نوکلئون تغییر نکند (به نظر می رسد نوکلئون در همان مکان باقی می ماند)، احتمال حداکثر است و انتقال متناظر حالت اولیه به حالت نهایی مجاز نامیده می شود. چنین انتقالی مشخصه B.-r است. هسته های سبک هسته های سبک حاوی تقریباً همان تعداد نوترون و پروتون هستند. هسته‌های سنگین‌تر نوترون بیشتری نسبت به پروتون دارند. حالات نوکلئون های انواع مختلف به طور قابل توجهی با یکدیگر متفاوت است. این کار را برای B.-r. انتقال هایی ظاهر می شود که در آن B.-r. با احتمال کم رخ می دهد این انتقال نیز به دلیل نیاز به تغییر چرخش هسته پیچیده است. چنین انتقالی ممنوع نامیده می شود. ماهیت انتقال نیز بر شکل طیف انرژی ذرات β تأثیر می گذارد.

یک مطالعه تجربی از توزیع انرژی الکترون‌های ساطع شده از هسته‌های رادیواکتیو β (طیف بتا) با استفاده از یک طیف‌سنج بتا انجام شده است. نمونه هایی از طیف β نشان داده شده است برنج. 1 و برنج. 2 .

روشن:طیف‌سنجی آلفا، بتا و گاما، ویرایش. K. Siegbana، ترجمه. از انگلیسی، V. 4, M., 1969, ch. 22-24; فیزیک هسته ای تجربی، ویرایش. E. Segre، ترجمه. از زبان انگلیسی، ج 3، م.، 1961.

E. M. Leikin.

طیف نوترون بتا. محور آبسیسا جنبشی را نشان می دهد. انرژی الکترون E در kev، بر روی اردین - تعداد الکترون های N (E) در واحدهای نسبی (میله های عمودی محدوده خطاهای اندازه گیری برای الکترون های با انرژی معین را نشان می دهد).

دایره المعارف بزرگ شوروی. - م.: دایره المعارف شوروی. 1969-1978 .

مشاهده کنید که «واپاشی بتا» در فرهنگ‌های دیگر چیست:

واپاشی بتا، تبدیلات رادیواکتیو هسته های اتمی در این فرآیند، هسته ها الکترون ها و پادنوترینوها (واپاشی بتا) یا پوزیترون ها و نوترینوها (بتا + واپاشی) منتشر می کنند. حرکت در طول B. r. الکترون ها و پوزیترون ها در مجموع نامیده می شوند. ذرات بتا در …… فرهنگ لغت بزرگ دایره المعارفی پلی تکنیک

دایره المعارف مدرن

فروپاشی بتا- (ب واپاشی)، نوعی رادیواکتیویته که در آن یک هسته در حال فروپاشی الکترون یا پوزیترون ساطع می کند. در واپاشی الکترون بتا (b)، یک نوترون (داخل هسته ای یا آزاد) با گسیل یک الکترون و یک پادنوترینو به پروتون تبدیل می شود (نگاه کنید به ... ... فرهنگ لغت دایره المعارف مصور

فروپاشی بتا- (واپاشی β) دگرگونی های رادیواکتیو هسته های اتمی، که طی آن هسته ها الکترون ها و پادنوترینوها (واپاشی β) یا پوزیترون ها و نوترینوها (واپاشی β+) ساطع می کنند. حرکت در طول B. r. الکترون ها و پوزیترون ها در مجموع ذرات بتا (ذرات β) نامیده می شوند... دایره المعارف روسی حمایت از کار

- (ب زوال). تبدیل های خود به خودی (خود به خودی) یک نوترون n به یک پروتون p و یک پروتون به یک نوترون در داخل at. هسته ها (و همچنین تبدیل یک نوترون آزاد به پروتون)، همراه با گسیل الکترون e یا پوزیترون e+ و آنتی نوترینوهای الکترونی... ... دایره المعارف فیزیکی

تبدیل خود به خود یک نوترون به پروتون و یک پروتون به نوترون در داخل هسته اتم و همچنین تبدیل یک نوترون آزاد به پروتون همراه با گسیل یک الکترون یا پوزیترون و یک نوترینو یا پادنوترینو. تجزیه بتا مضاعف... ... اصطلاحات انرژی هسته ای

- (به بتا مراجعه کنید) تبدیل رادیواکتیو یک هسته اتمی، که در آن یک الکترون و یک پادنوترینو یا یک پوزیترون و یک نوترینو گسیل می‌شوند. در طی واپاشی بتا، بار الکتریکی هسته اتم یک تغییر می کند، اما عدد جرمی تغییر نمی کند. فرهنگ لغت جدید...... فرهنگ لغت کلمات خارجی زبان روسی

پوسیدگی بتا- پرتوهای بتا، فروپاشی بتا، ذرات بتا. قسمت اول [بتا] تلفظ می شود... فرهنگ لغت دشواری های تلفظ و استرس در زبان روسی مدرن

اسم، تعداد مترادف ها: 1 پوسیدگی (28) ASIS Dictionary of Synonyms. V.N. تریشین. 2013 … فرهنگ لغت مترادف

فروپاشی بتا، فروپاشی بتا... فرهنگ لغت املا - کتاب مرجع

پوسیدگی بتا- (واپاشی β) تبدیل رادیواکتیو یک هسته اتمی (برهمکنش ضعیف)، که در آن یک الکترون و یک پادنوترینو یا یک پوزیترون و یک نوترینو گسیل می‌شوند. با B.r. بار الکتریکی هسته اتم یک بار تغییر می کند، جرم (نگاه کنید به) تغییر نمی کند ... دایره المعارف بزرگ پلی تکنیک

کتاب ها

• در مورد مسائل تابش و ماده در فیزیک. تحلیل انتقادی نظریه‌های موجود: ماهیت متافیزیکی مکانیک کوانتومی و ماهیت توهم‌آمیز نظریه میدان کوانتومی. یک جایگزین، مدل ذرات سوسو زن، Petrov Yu.I. ، این کتاب به تجزیه و تحلیل مشکلات وحدت و تقابل مفاهیم "موج" و "ذره" اختصاص دارد. در جست و جوی راه حلی برای این مسائل، مبانی ریاضی پایه ... دسته بندی:

با توجه به انواع تشعشعات رادیواکتیو، چندین نوع واپاشی رادیواکتیو (انواع تبدیل رادیواکتیو) وجود دارد. عناصری که تعداد زیادی پروتون یا نوترون در هسته خود دارند، دچار دگرگونی رادیواکتیو می شوند. بیایید انواع واپاشی رادیواکتیو را در نظر بگیریم.

1. فروپاشی آلفامشخصه عناصر رادیواکتیو طبیعی با عدد اتمی زیاد (یعنی با انرژی اتصال کم). حدود 160 نوع هسته آلفا فعال شناخته شده است که اکثراً شماره سریال آنها بیش از 82 است (Z > 82). واپاشی آلفا با انتشار از هسته یک عنصر ناپایدار یک ذره آلفا همراه است که هسته اتم هلیوم He است (شامل 2 پروتون و 2 نوترون است). بار هسته ای 2، عدد جرمی - 4 کاهش می یابد.

ZAX → Z-2 A-4 U + 2 4He; 92 238U → 24 او + 90 234th;

88 226Ra→2 4He + 86 222Ra + γ منتشر شده است.

بیش از 10 درصد ایزوتوپ های رادیواکتیو دچار واپاشی آلفا می شوند.

2. فروپاشی بتا.تعدادی از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو طبیعی و مصنوعی دچار فروپاشی شده و الکترون یا پوزیترون ساطع می‌کنند:

الف) واپاشی بتا الکترونیکی. مشخصه رادیونوکلئیدهای طبیعی و مصنوعی که دارای نوترون اضافی هستند (یعنی عمدتاً برای ایزوتوپ های رادیواکتیو سنگین). حدود 46 درصد از تمام ایزوتوپ های رادیواکتیو تحت واپاشی بتا الکترونیکی قرار می گیرند. در این حالت، یکی از نوترون ها تبدیل می شود و هسته یک پادنوترینو ساطع می کند. بار هسته و بر این اساس، عدد اتمی عنصر یک عدد افزایش می یابد، اما عدد جرمی بدون تغییر باقی می ماند.

AZ X → AZ+1 Y + e- + v-; 24194Pu→24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.

هنگام انتشار ذرات β، هسته‌های اتمی می‌توانند در حالت برانگیختگی قرار گیرند، زمانی که انرژی اضافی در هسته دختر تشخیص داده شود، که توسط ذرات جسمی جذب نمی‌شود. این انرژی اضافی به شکل پرتوهای گاما ساطع می شود.

13785Cs → 13756 Ba + e -+ v- + γ انتشار;

ب) واپاشی بتا پوزیترون. در برخی از ایزوتوپ های رادیواکتیو مصنوعی که دارای پروتون اضافی در هسته هستند، مشاهده می شود. این مشخصه 11 درصد از ایزوتوپ های رادیواکتیو است که در نیمه اول جدول مندلیف یافت می شود (Z<45). При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в , заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.

AZX → AZ-1У + e+ + v+; 3015P → 3014Si + e+ + v+; 6428Ni + e+ + v+.

یک پوزیترون که از هسته خارج شده است، "اضافی" را از پوسته اتم جدا می کند یا با یک الکترون آزاد برهمکنش می کند و یک جفت "پوزیترون-الکترون" را تشکیل می دهد که فوراً به دو کوانتا گاما با معادل انرژی تبدیل می شود. به جرم ذرات (e و e). فرآیند تبدیل یک جفت پوزیترون-الکترون به دو کوانتا گاما را نابودی (نابودی) و تابش الکترومغناطیسی حاصل را نابودی می نامند. در این مورد، تبدیل یک شکل ماده (ذرات ماده) به دیگری - فوتون های گاما وجود دارد.

ج) ضبط الکترونیکی این یک نوع تبدیل رادیواکتیو است زمانی که هسته یک اتم یک الکترون را از سطح انرژی K نزدیکترین به هسته (گرفتن الکترونیکی K) یا کمتر 100 بار از سطح L می گیرد. در نتیجه، یکی از پروتون های هسته توسط یک الکترون خنثی می شود و به آن تبدیل می شود. شماره سریال هسته جدید یک عدد کمتر می شود اما عدد جرمی تغییر نمی کند. هسته پادنوترینو ساطع می کند. فضای خالی که در سطح K یا L توسط فضای اشغال شده اشغال شده بود با الکترونی از سطوح انرژی دورتر از هسته پر می شود. انرژی اضافی آزاد شده در طول این انتقال توسط اتم به شکل تشعشع پرتو ایکس مشخص می شود.

AZХ + e- → AZ-1 У + v- + تشعشع اشعه ایکس.

4019K + e- → Ar + v-+ تابش اشعه ایکس.

6429Сu + e- → 6428 Ni+v- + تشعشع اشعه ایکس.

جذب الکترون K مشخصه 25 درصد از تمام هسته های رادیواکتیو است، اما عمدتاً برای ایزوتوپ های رادیواکتیو مصنوعی واقع در نیمه دیگر جدول D.I. مندلیف و داشتن بیش از حد پروتون (Z = 45 - 105). فقط سه عنصر طبیعی تحت جذب K قرار می گیرند: پتاسیم-40، لانتانیم-139، لوتیتیم-176 (4019K، 15957La، 17671Lu).

برخی از هسته ها می توانند به دو یا سه روش تجزیه شوند: با واپاشی آلفا و بتا و جذب K.

همانطور که قبلاً اشاره شد پتاسیم-40 دچار پوسیدگی الکترونیکی - 88٪ و K-capture - 12٪ می شود. مس-64 (6428Сu) به نیکل تبدیل می شود (واپاشی پوزیترون - 19٪، جذب K - 42٪؛ (واپاشی الکترونیکی - 39٪).

3. انتشار تابش γ نوعی واپاشی رادیواکتیو نیست (هیچ تبدیلی در عناصر وجود ندارد)، بلکه جریانی از امواج الکترومغناطیسی است که از واپاشی آلفا و بتا هسته‌های اتمی (هم ایزوتوپ‌های رادیواکتیو طبیعی و هم مصنوعی) ناشی می‌شود. هنگامی که هسته دختر حاوی انرژی اضافی است که توسط تشعشعات جسمی (ذرات آلفا و بتا) جذب نشده است. این مازاد فوراً به شکل پرتوهای گاما روشن می شود.

13153I → 13154Xe + e- +v- +2γ کوانتومی; 22688Ra → 42He + 22286Rn + کوانتوم γ.

4. - گسیل یک پروتون از هسته در حالت پایه. این فرآیند را می توان در هسته های تولید شده مصنوعی با کمبود زیاد نوترون مشاهده کرد:

لوتسیم - 151 (15171Lu) - 24 نوترون کمتر از ایزوتوپ پایدار 17671Lu دارد.

1. فیزیک هسته اتم 1.4. فروپاشی β

انواع و خواص پوسیدگی بتا. عناصر تئوری واپاشی بتا. خانواده های رادیواکتیو

فروپاشی بتاهسته فرآیند تبدیل خود به خود یک هسته ناپایدار به یک هسته ایزوبار در نتیجه گسیل یک الکترون (پوزیترون) یا گرفتن یک الکترون است. حدود 900 هسته بتا رادیواکتیو شناخته شده است. از این تعداد، تنها 20 مورد طبیعی هستند، بقیه به صورت مصنوعی به دست می آیند.
انواع و خواص پوسیدگی بتا

سه نوع وجود دارد β پوسیدگی: الکترونیکی β – پوسیدگی، پوزیترونیک β + - واپاشی و جذب الکترون ( ه-گرفتن). نوع اصلی اول است.

در β الکترونیکی – -پوسیدگییکی از نوترون های هسته با گسیل یک الکترون و یک الکترون پادنوترینو به پروتون تبدیل می شود.

مثال: واپاشی یک نوترون آزاد

, تی 1/2 = 11.7 دقیقه;

تجزیه تریتیوم

, تی 1/2 = 12 سال.

در پوزیترون β + -پوسیدگییکی از پروتون های هسته با گسیل یک الکترون با بار مثبت (پوزیترون) و یک نوترینو الکترونی به نوترون تبدیل می شود.

. (1.41b)

مثال

از مقایسه نیمه عمر اجداد خانواده ها با طول عمر زمین شناسی زمین (4.5 میلیارد سال)، مشخص است که تقریباً تمام توریم-232 در ماده زمین حفظ شده است، اورانیوم-238 تقریباً تجزیه شده است. نیمی، اورانیوم-235 - در بیشتر موارد، نپتونیوم-237 تقریباً همه.

دستگاه‌های ذخیره‌سازی یون‌های سنگین فرصت‌های اساسی جدیدی را در مطالعه ویژگی‌های هسته‌های عجیب و غریب باز می‌کنند. به ویژه، آنها اجازه تجمع و استفاده طولانی مدت از اتم های کاملا یونیزه - هسته های "برهنه" را می دهند. در نتیجه، بررسی خواص هسته‌های اتمی که محیط الکترونیکی ندارند و در آن‌ها اثر کولنی پوسته الکترونی بیرونی با هسته اتم وجود ندارد، ممکن می‌شود.

برنج. 3.2 طرح e-capture در ایزوتوپ (سمت چپ) و اتم های کاملا یونیزه شده و (راست)

واپاشی به حالت محدود یک اتم برای اولین بار در سال 1992 کشف شد. واپاشی β یک اتم کاملا یونیزه شده به حالت های اتمی محدود مشاهده شد. هسته 163 Dy با رنگ سیاه در نمودار N-Z هسته اتم مشخص شده است. این بدان معنی است که یک هسته پایدار است. در واقع، به عنوان بخشی از یک اتم خنثی، هسته 163 Dy پایدار است. حالت پایه آن (5/2 +) را می توان در نتیجه گرفتن الکترونیکی از حالت پایه (7/2 +) هسته 163 هو پر کرد. هسته 163 هو که توسط یک پوسته الکترونی احاطه شده است، رادیواکتیو β است و نیمه عمر آن 10 4 سال است. با این حال، این تنها در صورتی صادق است که هسته را توسط یک پوسته الکترونی احاطه شده در نظر بگیریم. برای اتم های کاملا یونیزه شده، تصویر اساسا متفاوت است. اکنون حالت پایه هسته 163 Dy از نظر انرژی بالاتر از حالت پایه هسته 163 Ho است و احتمال فروپاشی 163 Dy باز می شود (شکل 3.2).

الکترون حاصل از واپاشی را می توان به لایه خالی K یا L یون جذب کرد. در نتیجه، واپاشی (3.8) دارای شکل است

→ + e - + e (در حالت محدود).

انرژی β-واپاشی به پوسته های K و L به ترتیب برابر با (1±50.3) کو و (1±1.7) کو است. برای مشاهده فروپاشی به حالت های محدود K- و L-پوسته، 108 هسته کاملا یونیزه شده در حلقه ذخیره سازی ESR در GSI انباشته شدند. در طول زمان تجمع، هسته‌ها در نتیجه فروپاشی β + تشکیل شدند (شکل 3.3).

برنج. 3.3. دینامیک انباشت یون: a - جریان یونهای Dy 66+ انباشته شده در حلقه ذخیره سازی ESR در طی مراحل مختلف آزمایش، شدت β- یونهای Dy 66+ و Ho 67+ که به ترتیب توسط آشکارسازهای حساس به موقعیت خارجی و داخلی اندازه گیری می شوند.

از آنجایی که یون های Ho 66+ عملاً همان نسبت M/q را با یون های پرتوی اولیه Dy 66+ دارند، در همان مدار تجمع می یابند. زمان تجمع حدود 30 دقیقه بود. برای اندازه گیری نیمه عمر هسته Dy 66+، پرتو انباشته شده در مدار باید از مخلوط یون های Ho 66+ پاک می شد. برای تمیز کردن پرتو از یون ها، یک جت گاز آرگون با چگالی 6·10 12 اتم بر سانتی متر مربع و قطر 3 میلی متر به داخل محفظه تزریق شد که از پرتو یون انباشته شده در جهت عمودی عبور کرد. با توجه به اینکه یون های Ho 66+ الکترون ها را جذب کردند، مدار تعادل را ترک کردند. پرتو تقریباً 500 ثانیه تمیز شد. پس از آن جریان گاز مسدود شد و یون‌های Dy 66+ و یون‌های Ho 66+ که به تازگی (پس از خاموش کردن جریان گاز) در نتیجه پوسیدگی تشکیل شده بودند، به گردش در حلقه ادامه دادند. مدت زمان این مرحله از 10 تا 85 دقیقه متغیر بود. تشخیص و شناسایی Ho 66+ بر اساس این واقعیت بود که Ho 66+ می تواند بیشتر یونیزه شود. برای انجام این کار، در آخرین مرحله، دوباره یک جت گاز به حلقه ذخیره تزریق شد. آخرین الکترون از یون 163 Ho 66+ جدا شد که منجر به یون 163 Ho 67+ شد. یک آشکارساز حساس به موقعیت در کنار جت گاز قرار داشت که 163 یون Ho 67+ را که از پرتو خارج می‌شوند را ثبت کرد. در شکل شکل 3.4 وابستگی تعداد 163 هسته هو را نشان می دهد که در نتیجه فروپاشی β به زمان انباشتگی تشکیل شده اند. ورودی وضوح فضایی آشکارساز حساس به موقعیت را نشان می دهد.
بنابراین، انباشته شدن 163 هسته هو در پرتو 163 Dy شاهدی بر احتمال فروپاشی بود.

→ + e - + e (در حالت محدود).

برنج. 3.4. نسبت یون های دختر 163 Ho 66+ به اولیه 163 Dy 66+ بسته به زمان انباشتگی. در داخل، پیک 163 Ho 67+، ثبت شده توسط آشکارساز داخلی

با تغییر فاصله زمانی بین تمیز کردن پرتو از ناخالصی Ho 66+ و زمان ثبت یون های Ho 66+ تازه تشکیل شده در پرتو، می توان نیمه عمر ایزوتوپ کاملا یونیزه شده Dy 66+ را اندازه گیری کرد. معلوم شد که برابر با 0.1 سال است.
فروپاشی مشابهی برای 187 Re 75+ کشف شد. نتیجه به دست آمده برای اخترفیزیک بسیار مهم است. واقعیت این است که اتم های خنثی 187 Re نیمه عمر 4·10 10 سال دارند و به عنوان ساعت های رادیواکتیو استفاده می شوند. نیمه عمر 187 Re 75+ تنها 2±33 سال است. بنابراین لازم است اصلاحات مناسب در اندازه گیری های اخترفیزیکی انجام شود، زیرا در ستاره ها، 187 Re اغلب در حالت یونیزه یافت می شود.
مطالعه ویژگی‌های اتم‌های کاملاً یونیزه شده، مسیر جدیدی از تحقیقات را در مورد ویژگی‌های عجیب و غریب هسته‌ها باز می‌کند که از تأثیر کولن پوسته الکترونی بیرونی محروم هستند.

فروپاشی آلفا(a-decay) - یک نوع واپاشی رادیواکتیو هسته اتم، هنگامی که یک ذره آلفا ساطع می شود، بار هسته 2 واحد کاهش می یابد، عدد جرمی 4. واپاشی آلفا مشخصه عناصر رادیواکتیو با عدد اتمی زیاد است. ز.

برنج. 1. نمایش شماتیک a-decay.

واپاشی آلفا تبدیل خود به خودی یک هسته اتم با تعداد پروتون است زو نوترون ها نبه هسته دیگر (دختری) حاوی تعداد پروتون ز-2 و نوترون N- 2. در این مورد، یک ذره آلفا منتشر می شود - هسته اتم هلیوم 4//^+.

طبق این طرح، در طی واپاشی a هسته اصلی، عدد اتمی هسته حاصل دو واحد کاهش می‌یابد و عدد جرمی آن 4 واحد کاهش می‌یابد:

نمونه هایی از واپاشی عبارتند از فروپاشی ایزوتوپ اورانیوم 238:

(در طول این فروپاشی، هسته توریم و ذره آلفا با انرژی جنبشی 0.07 MeV و 4.18 MeV پرواز می کنند) و رادیوم-226:

اینجاست که قانون تغییر فرموله شده توسط فایانس و سودی وارد عمل می شود: عنصری که از عنصر دیگری با گسیل پرتوهای a تشکیل شده است، در جدول تناوبی دو گروه در سمت چپ عنصر اصلی قرار می گیرد.

درجه ناپایداری هسته ها با مقدار نیمه عمر مشخص می شود - دوره زمانی که در طی آن نیمی از هسته های یک ایزوتوپ رادیواکتیو معین تجزیه می شوند. بیشتر ایزوتوپ های رادیواکتیو الگوهای واپاشی پیچیده ای دارند. در چنین مواردی، نمودارها درصد این نوع تابش را نسبت به تعداد کل انتقال ها نشان می دهد (شکل 1 و 2).

برنج. 2. طرح زوال 230 Th.

کل انرژی فروپاشی a:

جایی که E a- انرژی ذره a E tlانرژی اتم پس زدن و R“shb انرژی برانگیختگی هسته دختر است.

برای نوکلیدهای زوج سبک تر (L

انرژی جنبشی ذرات آلفا در طول واپاشی آلفا (E و)با جرم هسته اولیه و نهایی و ذره آلفا تعیین می شود. اگر هسته نهایی در حالت برانگیخته تشکیل شود، این انرژی می تواند تا حدودی کاهش یابد و برعکس، اگر هسته ساطع کننده ذره آلفا برانگیخته شده بود، اندکی افزایش یابد (به چنین ذرات آلفای با انرژی افزایش یافته دوربرد می گویند). با این حال، در همه موارد، انرژی واپاشی a همیشه به اختلاف جرم و سطوح برانگیختگی هسته اولیه و نهایی مرتبط است و بنابراین طیف ذرات a منتشر شده همیشه پیوسته نیست، بلکه خط‌دار است.

انرژی آزاد شده در حین واپاشی

جایی که مامان و M A -4 - توده های هسته های مادر و دختر، M a -جرم یک ذره انرژی Eبین ذره a و هسته دختر به نسبت معکوس جرم آنها تقسیم می شود که انرژی ذرات a از آنجا ناشی می شود:

انرژی پس زدگی:

انرژی پس زدگی هسته دختر معمولاً در ناحیه حدود 1 مگا ولت است که مربوط به طول سفر در هوا چند میلی متر است.

در شرایط زمینی، حدود 40 ایزوتوپ رادیواکتیو a وجود دارد. آنها در سه سری رادیواکتیو ترکیب می شوند که با 2 3 6 U ( آ = 477)، 2 3 8 U (آ = 477+2)، 2 35U ( آ = 477+3). اینها می توانند به صورت مشروط (از آنجایی که ایزوتوپ های این سری در طول وجود زمین موفق به فروپاشی شدند) شامل سری چهارم است که با 2 3?Np (A = 477+1) شروع می شود. پس از یک سری واپاشی پی در پی، هسته های پایدار با تعدادی پروتون و نوترون نزدیک یا مساوی اعداد جادویی (Z = 82، N = 126)، به ترتیب 2o8 Pb، 2o6 Pb، 2 ° 7 Pb، 2 ° تشکیل می شوند. 9Bi. طول عمر هسته های فعال از یو 17سال (2 °4Рь) تا سوم * 7 s (212 Rho). نوکلیدهای با عمر طولانی 2 Ce، *44Ne، 17 4Hf هستند که نیمه عمر آنها

(2+5) 10*5 سال.

برنج. 3. پرتوهای مسطح پرتوهای a از یک منبع کوچک: a - منبع 210 Po، یک گروه از پرتوهای a; ب - منبع 227 Th، دو گروه با طول مسیرهای نزدیک. ج - منبع 2u Bi+ 2n Po، دو ذره a 211Р0 قابل مشاهده است. d - منبع ~ 8 Th با محصولات فروپاشی آن ^Ra, 2 3-Th, 21b Po, 212 Bi+ 212 Po 6 گروه.

واپاشی آلفا در صورتی امکان پذیر است که انرژی اتصال ذره آلفا نسبت به هسته مادر منفی باشد. برای اینکه هسته یک رادیواکتیو باشد، باید شرطی وجود داشته باشد که نتیجه قانون بقای انرژی است.

M (ها؟) >M(L-4^-2) + M a, (9)

جایی که M(A,Z)و M(A- 4,Z-2) به ترتیب جرمهای باقیمانده هسته اولیه و نهایی هستند. M a- جرم ذره a. در این حالت، در نتیجه پوسیدگی، هسته نهایی و ذره آلفا انرژی جنبشی کل به دست می آورند. E.

انرژی جنبشی ذرات آلفا از 1.83 MeV (*44Nd) تا 11.65 MeV (212m Po ایزومر) متغیر است. انرژی ذرات آلفای ساطع شده توسط رامی سنگین از حالت های پایه 4+9 مگا ولت و انرژی ساطع شده از عناصر خاکی کمیاب 2+4.5 مگا ولت است. محدوده یک ذره a با انرژی معمولی E a =6 MeV در هوا در شرایط عادی 5- سانتی متر و در A1 0.05 میلی متر است.

برنج. 4. طیف تجربی ایزوتوپ های پلوتونیوم.

طیف ذرات ناشی از فروپاشی هسته مادر اغلب شامل چندین خط تک انرژی است که مربوط به انتقال کوانتومی به سطوح انرژی مختلف هسته دختر است.

از آنجایی که ذره a هیچ اسپینی ندارد، قوانین انتخاب برای تکانه زاویه ای I-Lو برابری، که از قوانین مربوط به حفاظت ناشی می شود، ساده است. حرکت زاویه ای L or-particle ها می توانند مقادیری در محدوده داشته باشند:

کجا /، و اگر- لحظه‌های زاویه‌ای حالت‌های اولیه و نهایی هسته‌ها (مادر و دختر). در این حالت، فقط مقادیر زوج L مجاز هستند اگر برابری های هر دو حالت منطبق باشند، و مقادیر فرد در صورت عدم تطابق برابری ها مجاز است.

برنج. 5. وابستگی به ال جی تیاز جانب E a "1/2برای ایزوتوپ های یکنواخت پلونیوم، رادون و رادیوم.

ویژگی a-decay وجود یک وابستگی قطعی و، علاوه بر این، بسیار قوی بین انرژی ذرات "- گسیل شده" و نیمه عمر "هسته های رادیواکتیو" است. با یک تغییر کوچک در انرژی ذرات آلفا، نیمه عمر (T) با مرتبه های بزرگی تغییر می کند. بنابراین 2 از 2 TЪ؟„=4.08 MeV، 7=1.41 10 yu l، و 2l8 Th E a = 9.85 مگا ولت، تی=یو میکرو ثانیه دو برابر شدن انرژی مربوط به تغییر در نیمه عمر 24 مرتبه بزرگی است.

برای ایزوتوپ های زوج یک عنصر، وابستگی نیمه عمر به انرژی واپاشی a به خوبی با رابطه (قانون گایگر-نتال) توصیف می شود:

که در آن Ci و c 2 ثابت هایی هستند که ضعیف به Z بستگی دارند.

برای ثابت واپاشی، قانون گایگر-نتال به شکل زیر است:

جایی که binb 2 -ثابت ها و b 2 -عمومی، و ب- فردی برای هر سری طبیعی، R-طول مسیر یک ذره آلفا در هوا، E a -انرژی ذره ای

وابستگی از این نوع به طور تجربی در سال 1912 توسط G. Geiger و J. Netall ایجاد شد و به لحاظ نظری در سال 1928 توسط G. Gamow به عنوان یک نتیجه از بررسی مکانیکی کوانتومی فرآیند a-decay که از طریق یک انتقال تونلی رخ می‌دهد، اثبات شد. این نظریه به خوبی انتقال بین حالت های پایه هسته های زوج و زوج را توصیف می کند. برای هسته های زوج، فرد، زوج و فرد، روند کلی باقی می ماند، اما نیمه عمر آنها 2 تا 1000 برابر بیشتر از هسته های زوج و فرد با Z داده شده است و E a.

شیوع پرتوزایی α تا حد زیادی با وابستگی شدید طول عمر چنین هسته هایی به انرژی فروپاشی آنها تعیین می شود. اگر نیمه عمر در محدوده کیلوگرم 12 ثانیه = 10 ولت سال فعالیت 1 گرم ایزوتوپ c باشد، این انرژی مثبت است. آ= 200 فقط 1.810 متر مربع سیای است).

برای ایزوتوپ های عناصر با ز

بیش از 200 هسته فعال a شناخته شده است که عمدتاً در انتهای جدول تناوبی، پشت سرب (Z> 82) قرار دارند که پر شدن پوسته هسته پروتون با Z=82 را تکمیل می کند. پوسیدگی آلفا با

دافعه کولن، که با افزایش اندازه هسته ها سریعتر (به عنوان Z 2) از نیروهای جاذبه هسته ای، که با افزایش عدد جرمی A به صورت خطی افزایش می یابد، افزایش می یابد.

برنج. 6. وابستگی انرژی واپاشی a ایزوتوپ های عناصر پلونیوم (Z=84) به فرمیم (Z=ioo) به تعداد نوترون های هسته.

همچنین حدود 20 ایزوتوپ رادیواکتیو a از عناصر کمیاب خاکی وجود دارد (A=i40-ri6o). در اینجا a-decay برای هسته‌هایی با N= 84، که هنگام انتشار ذرات آلفا، به هسته هایی با پوسته نوترونی پر تبدیل می شوند. (N= 82). همچنین گروه کوچکی از گسیل‌کننده‌های α در شکاف بین هسته‌های خاکی کمیاب و سنگین وجود دارد و چندین هسته‌ی فاقد نوترون ساطع کننده α با A~ وجود دارد.

طول عمر هسته های فعال a بسیار متفاوت است: از 3-10- اینچ (برای 2.2 پو) تا (2-5)-10*5 لیتر (ایزوتوپ های طبیعی '4 2 Ce, * 44 Nd, WHO. انرژی a- واپاشی در محدوده 44 تا 9 مگا الکترون ولت (به جز در مورد ذرات a با برد بلند) برای تمام هسته های سنگین و 24-4.5 مگا ولت برای عناصر خاکی کمیاب است عناصر با Z = 84. -100 در شکل 6 نشان داده شده است.

در تئوری واپاشی α، فرض بر این است که هسته مادر یک چاه بالقوه برای ذرات α است که توسط یک مانع بالقوه محدود شده است. انرژی ذره آلفا در هسته برای غلبه بر این مانع کافی نیست. فرار یک ذره آلفا از هسته تنها به دلیل یک پدیده مکانیکی کوانتومی به نام اثر تونل امکان پذیر است. بر اساس مکانیک کوانتومی، احتمال غیر صفر عبور ذره از یک سد پتانسیل وجود دارد. پدیده تونل زنی ماهیتی احتمالی دارد.

اثر تونل(تونل زنی) - غلبه بر یک مانع پتانسیل توسط یک ریزذره در صورتی که انرژی کل آن (که در طول تونل زنی بدون تغییر باقی می ماند) کمتر از ارتفاع مانع باشد. اثر تونل - پدیده ای از طبیعت کوانتومی که در مکانیک کلاسیک غیرممکن است. یک آنالوگ از اثر تونل در اپتیک موج می تواند نفوذ یک موج نور به یک محیط بازتابنده در شرایطی باشد که از نقطه نظر اپتیک هندسی، بازتاب داخلی کل رخ می دهد. پدیده اثر تونل زمینه ساز بسیاری از فرآیندهای مهم در فیزیک اتمی و مولکولی است. V فیزیک هسته اتم، حالت جامد و غیره در نهایت، تونل زنی با یک رابطه عدم قطعیت توضیح داده می شود.

برنج. 7.

عامل اصلی تعیین کننده احتمال واپاشی α و وابستگی آن به انرژی ذره α و بار هسته، سد کولن است. ساده ترین تئوری واپاشی α به توصیف حرکت ذره α در یک چاه پتانسیل با یک مانع می رسد (شکل 7). از آنجایی که انرژی ذرات آلفا 5-6 مگا الکترون ولت است و ارتفاع سد کولن برای هسته های سنگین 30-254 مگا ولت است، فرار یک ذره آلفا از هسته تنها به دلیل اثر تونل زنی رخ می دهد که احتمال آن وجود دارد. توسط نفوذپذیری مانع تعیین می شود. احتمال واپاشی α به طور تصاعدی به انرژی ذره α بستگی دارد.

در شکل شکل 7 وابستگی انرژی پتانسیل برهمکنش یک ذره آلفا با یک هسته باقیمانده را بسته به فاصله بین مراکز آنها نشان می دهد. پتانسیل کولن در فاصله ای قطع می شود R،که تقریباً برابر با شعاع هسته باقیمانده است. ارتفاع سد کولن نسبت مستقیم با بار هسته، بار ذره آلفا و نسبت معکوس دارد. R=r(A 1/s r 0 - شعاع هسته. بسیار مهم است، به عنوان مثال، برای 2 گرم، مانع کولن دارای ارتفاع 30 مگا ولت است، بنابراین، طبق مفاهیم کلاسیک، یک ذره آلفا با انرژی 4.5 مگا ولت نمی تواند بر چنین مانعی غلبه کند. با این حال، به دلیل خواص موجی، ذره a همچنان بر چنین مانعی غلبه می کند.

در نمودار انرژی هسته ای سه منطقه قابل تشخیص است:

i" - چاه پتانسیل کروی با عمق V.در مکانیک کلاسیک، یک ذره a با انرژی جنبشی E a + V 0می تواند در این منطقه حرکت کند، اما قادر به ترک آن نیست. در این منطقه یک برهمکنش قوی بین ذره آلفا و هسته باقی مانده وجود دارد.

R ناحیه ای از سد پتانسیل است که در آن انرژی پتانسیل بیشتر از انرژی ذره آلفا است، یعنی. این منطقه ای است که برای یک ذره کلاسیک ممنوع است.

7*>r e - ناحیه خارج از مانع پتانسیل. در مکانیک کوانتومی امکان عبور یک ذره آلفا از یک مانع (تونل زنی) وجود دارد، اما احتمال این امر بسیار کم است.

نظریه تونل زنی گامو وابستگی شدید نیمه عمر هسته های گسیلنده α به انرژی ذره α را توضیح داد. با این حال، نیمه عمر برای بسیاری از هسته ها با خطاهای بزرگ پیش بینی شد. بنابراین، نظریه گامو چندین بار بهبود یافته است. هم احتمال فروپاشی هسته‌هایی با تکانه مداری غیر صفر و هم تغییر شکل قوی هسته‌ها در نظر گرفته شد (ذرات a راحت‌تر در امتداد محور اصلی بیضی فرار می‌کنند و میانگین احتمال فرار با هسته کروی متفاوت است. )، و غیره. نظریه گامو ساختار حالت های هسته های اولیه و نهایی و مسئله تشکیل ذره آلفا در هسته را که احتمال آن برابر با 1 فرض شده بود در نظر نگرفت. این تقریب آزمایش را به خوبی توصیف می کند. با این حال، اگر تغییر ساختار هسته های اولیه به هسته های نهایی به طور قابل توجهی دشوار باشد، مقادیر محاسبه شده نیمه عمر می تواند با دو مرتبه بزرگی تغییر کند.

یک ذره آلفا همیشه در هسته در حال فروپاشی α وجود ندارد، اما به احتمال محدود قبل از خروج روی سطح آن ظاهر می شود. در لایه سطحی هسته‌های سنگین، گروه‌های a-ذره‌ای از نوکلئون‌ها وجود دارد که از دو پروتون و دو نوترون (خوشه‌های a) تشکیل شده‌اند. مشخص است که وقتی یک ذره a از جفت‌های نوترون و پروتون تشکیل می‌شود، واپاشی 2 تا 4 مرتبه سریع‌تر اتفاق می‌افتد، در مقایسه با واپاشی زمانی که یک ذره a از نوکلئون‌های جفت‌نشده تشکیل می‌شود. در حالت اول، a-decay مطلوب نامیده می شود، و تمام انتقالات a بین حالت های پایه هسته های زوج و زوج چنین است. در حالت دوم، a-decay نامطلوب نامیده می شود.