Ядерна фізика

Радіоактивність. 
Закон радіоактивного розпаду
(Ядерна фізика)

Ядерна реакція 

Явище радіоактивності було відкрито в 1896 році французьким фізиком А. Беккерелем, який виявив, що солі урану випускають невідоме  випромінювання, здатне проникати через непрозорі для світла перешкоди й викликати почорніння фотоемульсії. Через два роки М. Складовська - Кюрі та П. Кюрі виявили радіоактивність торія й відкрили два нові радіоактивні елементи – полоній і радій.

У наступні роки дослідженням природи радіоактивних випромінювань займалися багато фізиків, у тому числі Е. Резерфорд і його учні. Було з'ясовано, що радіоактивні ядра можуть випускати частки трьох видів: позитивно, негативно заряджені й нейтральні. Ці три види випромінювань були названі α-, β- і γ-випромінюваннями. 

У магнітнім полі α- і β-промені відхиляються в протилежні боки, причому β-промені відхиляються значно більше. В магнітнім полі γ-промені  взагалі не відхиляються.

Мал. 1 Схема досліду по виявленню α-, β- і γ-випромінювань. К – свинцевий контейнер, П – радіоактивний препарат, Ф – фотопластинка, В – магнітне поле

Ці три види радіоактивних випромінювань сильно відрізняються один від одного по здатності іонізувати атоми речовини й, отже, по проникаючій здатності. Найменшу проникаючу здатність має α-випромінювання. У повітрі за нормальних умов α-промені проходять шлях у кілька сантиметрів. β-промені набагато менше поглинаються речовиною. Вони здатні пройти через шар алюмінію товщиною в кілька міліметрів. Найбільшу проникаючу здатність мають γ-промені, здатні проходити через шар свинцю товщиною 5–10 см.

У другому десятилітті XX століття, після відкриття Е. Резерфордом ядерної будови атомів було встановлено, що радіоактивність – це властивість атомних ядер. Дослідження показали, що:

α-промені це потік α-часток – ядер гелію,

β-промені – це потік електронів,

γ-промені являють собою короткохвильове електромагнітне випромінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі λ<10^-10м і внаслідок цього – яскраво вираженими корпускулярними властивостями, тобто є потоком часток – γ-квантів.

Альфа-розпад

Альфа-розпадом називається мимовільне перетворення атомного ядра із числом протонів Z і числом нейтронів N в інше (дочірнє) ядро, що містить число протонів Z – 2 і число нейтронів N – 2. При цьому випускається α-частка – ядро атома гелію. Прикладом такого процесу може служити α-розпад радію:

Альфа-частинки, що випускаються ядрами атомів радію, використовувалися Резерфордом у дослідах по розсіюванню на ядрах важких елементів. Швидкість α-часток, що випускаються при α-розпаді ядер радію, обмірювана по кривизні траєкторії в магнітнім полі, приблизно дорівнює 1,5·10⁷ м/с, а відповідна кінетична енергія біля 7,5·10^–13 Дж (приблизно 4,8 МеВ).
 

Дослідження показали, що радіоактивна речовина може випускати α-частки з декількома дискретними значеннями енергій. Це пояснюється тим, що ядра можуть перебувати, подібно атомам, у різних збуджених станах. В одному з таких збуджених станів може виявитися дочірнє ядро при α-розпаді. При наступному переході цього ядра в основний стан випускається γ-квант.
 

Таким чином, α-розпад ядер у багатьох випадках супроводжується γ-випромінюванням.

Бета-розпад 

При бета-розпаді з ядра вилітає електрон. 

Усередині ядер електрони існувати не можуть, вони виникають при β-розпаді в результаті перетворення нейтрона в протон. 

Цей процес може відбуватися не тільки усередині ядра, але й з вільними нейтронами. Середній час життя вільного нейтрона становить близько 15 хвилин. При розпаді нейтрон перетворюється в протон і електрон.
 

Виміри показали, що в цьому процесі спостерігається уявлене порушення закону збереження енергії, тому що сумарна енергія протона й електрона, що виникають при розпаді нейтрона, менше енергії нейтрона. В 1931 році В. Паулі висловив припущення, що при розпаді нейтрона виділяється ще одна частка з нульовими значеннями маси й заряду, яка несе із собою частину енергії. Нова частка одержала назву нейтрино (маленький нейтрон). Через відсутність у нейтрино достатнього заряду й маси ця частка дуже слабко взаємодіє з атомами речовини, тому її надзвичайно важко виявити експериментально. Іонізуюча здатність нейтрино настільки мала, що один акт іонізації в повітрі припадає приблизно на 500 км шляху. Ця частка була виявлена лише в 1953 р. У наш час відомо, що існує кілька різновидів нейтрино. У процесі розпаду нейтрона виникає частка, яка називається електронним антинейтрино. Тому реакція розпаду нейтрона записується у вигляді

Аналогічний процес відбувається й всередині ядер при β-розпаді. Електрон, що утворюється в результаті розпаду одного з ядерних нейтронів, негайно викидається з «рідного дому» (ядра) з величезною швидкістю, яка може відрізнятися від швидкості світла лише на частки відсотка. Тому що розподіл енергії, що виділяється при β-розпаді, між електроном, нейтрино й дочірнім ядром носить випадковий характер, β-електрони можуть мати різні швидкості в широкому інтервалі значень.
 

При β-розпаді зарядове число Z збільшується на одиницю, а масове число A залишається незмінним. Дочірнє ядро виявляється ядром одного з ізотопів елемента, порядковий номер якого в таблиці Менделєєва на одиницю перевищує порядковий номер вихідного ядра. 

Типовим прикладом β-розпаду може служити перетворення ізотону торія, виникаючого при α-розпаді урану, у палладій:

Поряд з електронним β-розпадом виявлений так званий позитронний β+-розпад, при якім з ядра вилітають позитрон і нейтрино. Позитрон – це частка-двійник електрона, що відрізняється від нього тільки знаком заряду. Існування позитрона було передбачено видатним фізиком П. Діраком в 1928 р. Через кілька років позитрон було виявлено у складі космічних променів. Позитрони виникають у результаті реакції перетворення протона в нейтрон за наступною схемою:

 Гамма-розпад

На відміну від α- і β-радіоактивності, γ-радіоактивність ядер не пов'язана зі зміною внутрішньої структури ядра й не супроводжується зміною зарядового або масового чисел. Як при α-, так і при β-розпаді дочірнє ядро може виявитися в деякому збудженому стані й мати надлишок енергії. Перехід ядра зі збудженого стану в основний супроводжується випущенням одного або декількох γ-квантів, енергія яких може досягати декількох Мев.

Закон радіоактивного розпаду

У будь-якому зразку радіоактивної речовини втримується величезна кількість радіоактивних атомів. Так як радіоактивний розпад має випадковий характер й не залежить від зовнішніх умов, то закон убування кількісті N(t) ядер, що нерозпалися до даного моменту часу t може служити важливою статистичною характеристикою процесу радіоактивного розпаду.

Мал. 4 Закон радіоактивного розпаду

Нехай за малий проміжок часу Δt кількість ядер N (t), що нерозпалися, змінилося на ΔN < 0. Так як ймовірність розпаду кожного ядра незмінна в часі, то число розпадів буде пропорційно кількості ядер N(t) і проміжку часу Δt:

 ΔN = –λN(t)Δt.

Коефіцієнт пропорційності λ – це ймовірність розпаду ядра за час 

Δt = 1 с. 

Ця формула означає, що швидкість зміни функції N (t) прямо пропорційна самій функції.

Подібна залежність виникає в багатьох фізичних задачах (наприклад, при розряді конденсатора через резистор). Розв'язок цього рівняння приводить до експонентного закону:

де N0 – початкове число радіоактивних ядер при t = 0. За час τ = 1/λ кількіст ядер, що нерозпалися, зменшиться в e ≈ 2,71 рази.

  Величину τ називають середнім часом життя радіоактивного ядра.

Для практичного використання закон радіоактивного розпаду зручно записати в іншому виді, використовуючи в якості основи число 2, а не e:

Величина T називається періодом напіврозпаду. За час T розпадається половина початкової кількості радіоактивних ядер. Величини T і τ пов'язані співвідношенням

Період напіврозпаду – основна величина, що характеризує швидкість процесу радіоактивного розпаду. Чим менший період напіврозпаду, тим інтенсивніше протікає розпад. Так, для урану T ≈ 4,5 млрд років, а для радію T ≈ 1600 років. Тому активність радію значно вище, чим урану. Існують радіоактивні елементи з періодом напіврозпаду в частки секунди.

При α- і β-радіоактивному розпаді дочірнє ядро також може виявитися нестабільним. Тому можливі серії послідовних радіоактивних розпадів, які закінчуються утворенням стабільних ядер. У природі існує кілька таких серій. Найбільш довгою є серія урану, що полягає з 14 послідовних розпадів (8 α-розпадів і 6 β-розпадів). Ця серія закінчується стабільним ізотопом свинцю.
 

Ядерна реакція розпаду ядра під впливом нейтрона