Teadaolevate α-radioaktiivsete tuumade poolestusajad on väga erinevad. Seega on volframi isotoobi 182 W poolestusaeg T 1/2 > 8,3·10 18 aastat ja protaktiinumi isotoobi 219 Pa T 1/2 = 5,3·10 -8 s.

Riis. 2.1. Radioaktiivse elemendi poolestusaja sõltuvus looduslikult radioaktiivse elemendi α-osakese kineetilisest energiast. Katkendjoon on Geigeri-Nattalli seadus.

Ühtlaste ja paaritute isotoopide puhul poolväärtusaja sõltuvus α-lagunemisenergiast Q α kirjeldatud empiiriliselt Geigeri-Nettalli seadus

kus Z on lõpliku tuuma laeng, poolväärtusaeg T 1/2 on väljendatud sekundites ja α-osakese E α energia on MeV. Joonisel fig. Joonisel 2.1 on näidatud α-radioaktiivsete paaritute isotoopide (Z varieerub vahemikus 74 kuni 106) poolväärtusaegade eksperimentaalsed väärtused ja nende kirjeldus seose (2.3) abil.
Paaritu-, paaris- ja paarituumate puhul on sõltuvuse üldine tendents
Q α log T 1/2 säilib, kuid poolestusajad on 2–100 korda pikemad kui samade Z ja Q α paaris-paarituumade puhul.
α lagunemise toimumiseks on vajalik, et algtuuma M(A,Z) mass oleks suurem kui lõpptuuma M(A-4, Z-2) ja α osakese masside summa. M α:

kus Q α = c 2 on α-lagunemisenergia.
Kuna M α<< M(A-4, Z-2), põhiosa α-lagunemisenergiast kannab α ära ‑ osake ja ainult ≈ 2% - lõplik tuum (A-4, Z-2).
Paljude radioaktiivsete elementide α-osakeste energiaspektrid koosnevad mitmest joonest (α-spektrite peenstruktuur). α-spektri peenstruktuuri ilmnemise põhjuseks on algtuuma (A,Z) lagunemine tuuma ergastatud olekusse (A-4, Z-2). Alfaosakeste spektreid mõõtes saab teavet ergastatud olekute olemuse kohta
südamikud (A-4, Z-2).
A- ja Z-tuumade väärtusvahemiku määramiseks, mille puhul α-lagunemine on energeetiliselt võimalik, kasutatakse tuumade sidumisenergiate eksperimentaalseid andmeid. α-lagunemisenergia Q α sõltuvus massiarvust A on näidatud joonisel fig. 2.2.
Jooniselt fig. 2.2 on selge, et α lagunemine muutub energeetiliselt võimalikuks alates A ≈ 140. Piirkondades A = 140–150 ja A ≈ 210 on Q α väärtusel selged maksimumid, mis tulenevad tuuma kesta struktuurist. Maksimum A = 140–150 juures on seotud neutronkesta täitumisega maagilise arvuga N = A – Z = 82 ja maksimum A ≈ 210 juures on seotud prootoni kesta täitumisega Z juures. = 82. Just tänu aatomituuma kestastruktuurile algab α-aktiivsete tuumade esimene (haruldaste muldmetallide) piirkond N = 82 ja eriti arvukaks muutuvad rasked α-radioaktiivsed tuumad alates Z = 82-st.

Riis. 2.2. α-lagunemisenergia sõltuvus massiarvust A.

Poolväärtusaegade lai valik, aga ka nende perioodide suured väärtused paljude α-radioaktiivsete tuumade puhul on seletatavad asjaoluga, et α-osake ei saa "hetkeliselt" tuumast lahkuda, hoolimata asjaolust, et see on energeetiliselt soodne. Tuumast lahkumiseks peab α-osake ületama potentsiaalse barjääri - tuuma piiril oleva piirkonna, mis tekib α-osakese elektrostaatilise tõukejõu potentsiaalse energia ja lõpptuuma vahel tekkiva tõmbejõudude toimel. nukleonid. Klassikalise füüsika seisukohalt ei saa alfaosake potentsiaalset barjääri ületada, kuna tal puudub selleks vajalik kineetiline energia. Kvantmehaanika võimaldab aga sellist võimalust − α ‑ osakesel on teatud tõenäosus läbida potentsiaalse barjääri ja lahkuda tuumast. Seda kvantmehaanilist nähtust nimetatakse "tunneliefektiks" või "tunnelimiseks". Mida suurem on tõkke kõrgus ja laius, seda väiksem on tunneldamise tõenäosus ja vastavalt pikem on poolestusaeg. Lai poolestusaeg
α-emitreid seletatakse α-osakeste kineetiliste energiate ja potentsiaalsete barjääride kõrguste erinevate kombinatsioonidega. Kui barjääri ei eksisteeriks, jätaks alfaosake tuuma iseloomuliku tuuma taha
aeg ≈ 10 -21 - 10 -23 s.
Lihtsaima α-lagunemise mudeli pakkusid 1928. aastal välja G. Gamow ning sõltumatult G. Gurney ja E. Condon. Selles mudelis eeldati, et α osake eksisteerib tuumas pidevalt. Kui alfaosake on tuumas, mõjuvad sellele tuumatõmbejõud. Nende toimeraadius on võrreldav tuuma R raadiusega. Tuumapotentsiaali sügavus on V 0 . Väljaspool tuumapinda r > R juures on potentsiaal Coulombi tõukepotentsiaal

V(r) = 2Ze2/r.

Riis. 2.3. α-osakeste energiad E α sõltuvalt neutronite arvust N
algses tuumas. Jooned ühendavad sama keemilise elemendi isotoope.

Tuuma atraktiivse potentsiaali ja Coulombi tõukepotentsiaali koosmõju lihtsustatud diagramm on näidatud joonisel 2.4. Tuumast lahkumiseks peab α osake energiaga E α läbima potentsiaalse barjääri, mis sisaldub piirkonnas R kuni R c . α lagunemise tõenäosuse määrab peamiselt tõenäosus D, et α osake läbib potentsiaalse barjääri

Selle mudeli raames oli võimalik selgitada tõenäosuse α tugevat sõltuvust ‑ lagunemine α-osakese energiast.

Riis. 2.4. α-osakese potentsiaalne energia. Potentsiaalne barjäär.

Lagunemiskonstandi λ arvutamiseks on vaja korrutada α-osakese potentsiaalbarjääri läbimise koefitsient esiteks tõenäosusega w α, et α-osake tekkis tuumas, ja teiseks tõenäosusega, et see asub tuuma piiril. Kui alfaosakese raadiusega R tuumas on kiirus v, siis läheneb see piirile keskmiselt ≈ v/2R korda sekundis. Selle tulemusena saame lagunemiskonstandi λ jaoks seose

(2.6)

α osakese kiirust tuumas saab hinnata selle kineetilise energia E α + V 0 põhjal tuumapotentsiaali süvendis, mis annab v ≈ (0,1-0,2) s. Sellest juba järeldub, et kui tuumas on alfaosake, siis on selle tõenäosus barjääri D läbida<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
Eeleksponentsiaalse teguri umbkaudne hinnang ei ole väga oluline, sest lagunemiskonstant sõltub sellest palju vähem tugevalt kui eksponendist.
Valemist (2.6) järeldub, et poolestusaeg sõltub tugevalt tuuma R raadiusest, kuna raadius R sisaldub integreerimise piirina mitte ainult preeksponentsiaalses teguris, vaid ka eksponendis. Seetõttu on α-lagunemisandmete põhjal võimalik määrata aatomituumade raadiused. Sel viisil saadud raadiused osutuvad 20–30% suuremaks kui elektronide hajumise katsetes leiduvad. See erinevus tuleneb asjaolust, et katsetes kiirete elektronidega mõõdetakse elektrilaengu jaotuse raadiust tuumas ning α-lagunemisel mõõdetakse tuuma ja α-osakese vahelist kaugust, mille juures tuumajõud lakkavad. tegutsema.
Plancki konstandi olemasolu eksponendis (2.6) seletab poolestusaja tugevat sõltuvust energiast. Isegi väike energiamuutus toob kaasa eksponendi olulise muutuse ja seega väga järsu muutuse poolestusajas. Seetõttu on eralduvate α osakeste energiad väga piiratud. Raskete tuumade puhul lendavad α-osakesed energiaga üle 9 MeV välja peaaegu silmapilkselt ja energiaga alla 4 MeV elavad nad tuumas nii kaua, et α-lagunemist pole võimalik isegi tuvastada. Haruldaste muldmetallide α-radioaktiivsete tuumade puhul vähendatakse mõlemat energiat, vähendades tuuma raadiust ja potentsiaalse barjääri kõrgust.
Joonisel fig. Joonisel 2.5 on näidatud Hf isotoopide (Z = 72) α-lagunemisenergia sõltuvus massiarvust A massiarvude vahemikus A = 156–185. Tabelis 2.1 on näidatud 156–185 Hf isotoopide α-lagunemisenergiad, poolestusajad ja peamised lagunemiskanalid. On näha, kuidas massiarvu A kasvades α-lagunemisenergia väheneb, mis toob kaasa α-lagunemise tõenäosuse vähenemise ja β-lagunemise tõenäosuse suurenemise (tabel 2.1). 174 Hf isotoop, olles stabiilne isotoop (looduslikus isotoopide segus on see 0,16%), laguneb sellegipoolest poolestusajaga T 1/2 = 2·10 15 aastat α-osakese emissiooniga.

Riis. 2.5. Hf isotoopide α-lagunemisenergia Q α sõltuvus (Z = 72)
massinumbrist A.

Tabel 2.1

α-lagunemisenergia sõltuvus Q α, poolestusaeg T 1/2,
H f isotoopide (Z = 72) erinevad lagunemisviisid sõltuvalt massiarvust A

Hf isotoobid, mille A = 176–180, on stabiilsed isotoobid. Nendel isotoopidel on ka positiivne α lagunemisenergia. Kuid α-lagunemisenergia ~ 1, 3–2, 2 MeV on liiga madal ja nende isotoopide α-lagunemist ei tuvastatud, hoolimata α-lagunemise tõenäosusest nullist. Massiarvu A edasisel suurenemisel > 180 muutub β-lagunemine domineerivaks lagunemiskanaliks.
Radioaktiivsete lagunemiste käigus võib lõplik tuum sattuda mitte ainult põhiolekusse, vaid ka ühte ergastatud olekusse. α-lagunemise tõenäosuse tugev sõltuvus α-osakese energiast viib aga selleni, et lagunemine lõpptuuma ergastatud tasemeteks toimub tavaliselt väga madala intensiivsusega, sest kui lõplik tuum on ergastatud, siis lõpptuuma lagunemine α-osakese energia väheneb. Seetõttu saab katseliselt jälgida ainult suhteliselt madala ergastusenergiaga lagunemist pöörlemistasemeteks. Lõpliku tuuma ergastatud tasemeteks lagunemine toob kaasa peenstruktuuri ilmnemise emiteeritud α-osakeste energiaspektris.
Peamine α lagunemise omadusi määrav tegur on α osakeste läbimine potentsiaalsest barjäärist. Teised tegurid avalduvad suhteliselt nõrgalt, kuid mõnel juhul võimaldavad saada lisainformatsiooni tuuma ehituse ja tuuma α-lagunemise mehhanismi kohta. Üks neist teguritest on kvantmehaanilise tsentrifugaalbarjääri tekkimine. Kui spinniga J i tuumast (A,Z) kiirgub α osake ja moodustub lõplik tuum
(A-4, Z-2) olekus spinniga J f, siis peab α-osake viima minema kogu impulsi J, mis on määratud seosega

Kuna α-osakesel on null spin, langeb selle kogu nurkimpulss J kokku orbiidi nurkimpulsiga l, mille α-osake kannab

Selle tulemusena tekib kvantmehaaniline tsentrifugaalbarjäär.

Potentsiaalibarjääri kuju muutus tsentrifugaalenergia mõjul on ebaoluline, peamiselt seetõttu, et tsentrifugaalenergia väheneb vahemaaga palju kiiremini kui Coulombi energia (1/r 2, mitte 1/r). Kuna aga see muutus jagatakse Plancki konstandiga ja langeb eksponendisse, siis suures l-s toob see kaasa muutuse tuuma elueas.
Tabelis 2.2 on näidatud tsentrifugaalbarjääri B l arvutuslik läbilaskvus orbitaalimpulsiga l emiteeritud α-osakeste puhul võrreldes tsentrifugaalbarjääri B 0 läbilaskvusega orbitaalimpulsiga l = 0 emiteeritud α-osakeste puhul, kui tuumas on Z = 90, α-osakeste energia E α = 4,5 MeV. On näha, et α-osakese poolt ära kantava orbiidi impulsi l suurenemisega langeb kvantmehaanilise tsentrifugaalbarjääri läbilaskvus järsult.

Tabel 2.2

Tsentrifugaalbarjääri suhteline läbilaskvusα -osakesed,
väljub orbitaalimpulsiga l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)

Olulisem tegur, mis võib α-lagunemise erinevate harude tõenäosusi dramaatiliselt ümber jaotada, võib olla vajadus tuuma sisemise struktuuri oluliseks ümberkorraldamiseks α-osakeste emissiooni ajal. Kui algtuum on sfääriline ja lõpliku tuuma põhiolek on tugevalt deformeerunud, siis lõpptuuma põhiolekusse arenemiseks peab algtuum alfaosakese kiirgamise käigus ümber korraldama, muutudes suuresti. selle kuju. Selline tuuma kuju muutus hõlmab tavaliselt suurt hulka nukleone ja väheste nukleonidega süsteemi nagu α ‑ tuumast lahkuv osake ei pruugi seda pakkuda. See tähendab, et põhiolekus lõpliku tuuma moodustumise tõenäosus on tühine. Kui lõpptuuma ergastatud olekute hulgas on sfäärilisele lähedane olek, siis algtuum võib ilma olulise ümberpaigutamiseta sellesse minna α tulemusena. ‑ lagunemine Sellise taseme populatsiooni tõenäosus võib osutuda suureks, ületades oluliselt madalamate olekute, sealhulgas põhiseisundi populatsiooni tõenäosust.
Isotoopide 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra α-lagunemisdiagrammidelt α-lagunemise tõenäosuse ergastatud olekutesse tugevad sõltuvused α-osakese energiast ja orbitaalmomendist l, mida kannab ära α-osakesed on nähtavad.
α lagunemine võib toimuda ka aatomituumade ergastatud olekutest. Näitena on tabelites 2.3 ja 2.4 näidatud isotoopide 151 Ho ja 149 Tb põhi- ja isomeersete olekute lagunemisrežiimid.

Tabel 2.3

151Ho põhi- ja isomeerse oleku α-lagunemine

Tabel 2.4

149 Tb põhi- ja isomeerse oleku α-lagunemine

Joonisel fig. Joonisel 2.6 on toodud isotoopide 149 Tb ja 151 Ho põhi- ja isomeersete olekute lagunemise energiadiagrammid.

Riis. 2.6 Isotoopide 149 Tb ja 151 Ho põhi- ja isomeersete olekute lagunemise energiadiagrammid.

α-lagunemine 151 Ho isotoobi isomeersest olekust (J P = (1/2) + , E isomeer = 40 keV) on tõenäolisem (80%) kui e-püüdmine sellesse isomeersesse olekusse. Samal ajal laguneb 151 Ho põhiseisund peamiselt e-püüdmise tulemusena (78%).
149 Tb isotoobis toimub isomeerse oleku (J P = (11/2) - , E isomeer = 35,8 keV) lagunemine valdaval juhul e-püüdmise tulemusena. Maapinna ja isomeersete olekute lagunemise täheldatud tunnused on seletatavad α-lagunemise ja e-püüdmise energia suuruse ning α-osakeste või neutriinode poolt kantud orbiidi nurkimmentiga.

Enamiku aatomite tuumad on üsna stabiilsed moodustised. Kuid radioaktiivsete ainete aatomite tuumad muutuvad radioaktiivse lagunemise käigus spontaanselt teiste ainete aatomite tuumadeks. Nii avastas Rutherford 1903. aastal, et anumasse pandud raadium muutus mõne aja pärast radooniks. Ja anumasse ilmus täiendav heelium: (88^226)Ra→(86^222)Rn+(2^4)He. Kirjaliku väljendi tähenduse mõistmiseks uurige aatomi tuuma massi- ja laenguarvu teemat.

Oli võimalik kindlaks teha, et peamised radioaktiivse lagunemise tüübid: alfa- ja beetalagunemine toimuvad järgmise nihkereegli järgi:

Alfa lagunemine

Alfa lagunemise ajal eraldub alfaosake (heeliumi aatomi tuum). Ainetest, mille aatomituumas on prootoneid Z ja neutroneid N, muutub see aineks, mille prootonite arv on Z-2 ja neutronite arv N-2 ning vastavalt ka aatommass A-4: (Z ^A)X→(Z-2^ (A-4))Y +(2^4)He. See tähendab, et saadud element nihutatakse perioodilisuse tabelis kaks lahtrit tagasi.

α lagunemise näide:(92^238)U→(90^234)Th+(2^4)He.

Alfa lagunemine on tuumasisene protsess. Raske tuuma osana tekib tuuma- ja elektrostaatiliste jõudude keerulise kombinatsiooni tõttu iseseisev α-osake, mida Coulombi jõud tõrjuvad palju aktiivsemalt kui teised nukleonid. Teatud tingimustel suudab see ületada tuuma vastasmõju jõud ja lennata tuumast välja.

Beeta lagunemine

Beeta lagunemise ajal emiteeritakse elektron (β osake). Ühe neutroni lagunemise tulemusena prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks suureneb tuuma koostis ühe prootoni võrra ning elektron ja antineutriino kiirguvad väljapoole: (Z^A)X→(Z+1^A) Y+(-1^0)e+(0^0)v. Vastavalt sellele nihutatakse moodustatud elementi perioodilisustabelis ühe lahtri võrra ettepoole.

β lagunemise näide:(19^40)K→(20^40)Ca+(-1^0)e+(0^0)v.

Beeta lagunemine on tuumasisene protsess. Neutron läbib teisenduse. On olemas ka beeta pluss lagunemine või positroni beeta lagunemine. Positroni lagunemisel kiirgab tuum positroni ja neutriino ning element liigub perioodilisuse tabeli ühe raku võrra tagasi. Positroni beeta lagunemisega kaasneb tavaliselt elektronide püüdmine.

Gamma lagunemine

Lisaks alfa- ja beetalagunemisele on olemas ka gamma-lagunemine. Gamma lagunemine on gamma kvantide emissioon tuumade poolt ergastatud olekus, milles neil on ergastamata olekuga võrreldes kõrge energia. Tuumad võivad sattuda ergastatud olekusse tuumareaktsioonide või teiste tuumade radioaktiivse lagunemise ajal. Enamikul tuumade ergastatud olekutel on väga lühike eluiga – vähem kui nanosekund.

Esineb ka lagunemisi neutroni, prootoni, klastri radioaktiivsuse ja mõne muu, väga haruldase lagunemisviisiga. Aga ülekaalus

Slaid 11

Alfalagunemine on alfaosakeste (heeliumi tuumade) eraldumine aatomituuma poolt maapealses (ergastamata) olekus.

Poolväärtusaja peamised omadused T 1/2, kineetiline energia T α ja läbisõit asjas R αα-osakesed aines.

Alfa lagunemise põhiomadused

1. Alfa lagunemist täheldatakse ainult rasketes tuumades. Teada on umbes 300 α-radioaktiivset tuuma

2. α-aktiivsete tuumade poolestusaeg on väga laias vahemikus

10 17 aastat vana ()

ja on kindlaks määratud Geigeri-Nettalli seadus

. (1.32)

näiteks Z=84 konstandi korral A= 128,8 ja B = - 50,15, T α– α-osakese kineetiline energia in Mev

3. Radioaktiivsete tuumade α-osakeste energiad sisalduvad selles

(Mev)

Tαmin = 1,83 Mev (), Tαmax = 11,65 Mev(isomeer

4. Vaadeldakse radioaktiivsete tuumade α-spektrite peenstruktuuri. Need spektrid diskreetne. Joonisel 1.5. Näidatud on plutooniumi tuuma lagunemise skeem. α-osakeste spekter koosneb mitmest monoenergeetilisest joonest, mis vastavad üleminekutele tütartuuma erinevatele tasanditele.

6. α-osakeste läbisõit õhus normaaltingimustes

R α (cm) = 0,31 T α 3/2 Mev kell (4< T α <7 Mev) (1.33)

7. α-lagunemisreaktsiooni üldskeem

kus on ematuum, on tütartuum

α-osakese sidumisenergia tuumas peab olema väiksem kui null, et toimuks α lagunemine.

E St α =<0 (1.34)

α-lagunemise käigus vabanev energia Eα koosneb α osakese kineetilisest energiast T Tütartuuma α ja kineetiline energia T i

E α =| E St α | = T α + T i (1,35)

α osakese kineetiline energia moodustab üle 98% α lagunemise koguenergiast

Beeta-lagunemise tüübid ja omadused

Beeta-lagunemise slaid 12

Tuuma beetalagunemine on ebastabiilse tuuma iseeneslik muundumine isobar tuumaks elektroni (positroni) emissiooni või elektroni kinnipüüdmise tulemusena. Teada on umbes 900 beeta-radioaktiivset tuuma.

Elektroonilise β-lagunemise korral muutub üks tuuma neutronitest elektroni ja elektroni antineutriino emissiooniga prootoniks.

vaba neutronite lagunemine , T 1/2 = 10,7 min;

triitiumi lagunemine , T 1/2 = 12 aastat .

Kell positroni β+ lagunemineüks tuuma prootonitest muutub positiivselt laetud elektroni (positroni) ja elektronneutriino emissiooniga neutroniks

Millal elektrooniline e-pildistamine tuum püüab kinni elektroni enda aatomi elektronkihist (tavaliselt K-kihist).

β - -lagunemisenergia asub vahemikus

()0,02 Mev < Е β < 13,4 Mev ().

Emiteeritud β-osakeste spekter pidev nullist maksimaalse väärtuseni. Arvutusvalemid beeta-lagunemise maksimaalne energia:

, (1.42)

, (1.43)

. (1.44)

kus on ematuuma mass, on tütartuuma mass. m e- elektroni mass.

Pool elu T 1/2 seotud tõenäosusega beeta-lagunemise seos

Beeta-lagunemise tõenäosus sõltub tugevalt beeta-lagunemise energiast ( ~ Eβ 5 kl Eβ >> m e c 2) seega poolväärtusaeg T 1/2 varieerub suuresti

10-2 sek< T 1/2< 2 10 15 лет

Beeta lagunemine toimub nõrga interaktsiooni tulemusena, mis on üks põhilisi koostoimeid.

Radioaktiivsed perekonnad (sari) 13. slaid

Tuuma nihke seadused α-lagunemise ajal ( A→A – 4 ; Z → Z- 2) β-lagunemise ajal ( A→A; Z → Z+1).Alates massinumbrist Aα-lagunemise ajal muutub see 4-ks ja β-lagunemise ajal A ei muutu, siis ei lähe erinevate radioaktiivsete perekondade liikmed omavahel “segadusse”. Nad moodustavad eraldi radioaktiivseid seeriaid (tuumade ahelaid), mis lõpevad nende stabiilsete isotoopidega.

Iga radioaktiivse perekonna liikmete masside arvu iseloomustatakse valemiga

a = 0 tooriumi perekonna jaoks, a= 1 neptuunia perekonna jaoks, a= 2 uraani perekonna jaoks, a= 3 aktinouraani perekonna jaoks. n- täisarv. vaata tabelit 1.2

Tabel 1.2

Perekondade esivanemate poolestusaegade võrdlusest Maa geoloogilise elueaga (4,5 miljardit aastat) selgub, et peaaegu kogu toorium-232 säilis Maa aines, uraan-238 lagunes umbes pool, uraan-235 enamjaolt ja peaaegu kogu neptuunium-237.

Seda tüüpi lagunemise korral laguneb tuum, mille aatomnumber on Z ja massiarv A, kiirgades alfaosakesi, mille tulemusena moodustub aatomnumbriga Z-2 ja massiarvuga A-4 tuum:

Praegu on teada enam kui 200 alfat kiirgavat nukliidi, mille hulgas kerged ja keskmised tuumad peaaegu puuduvad. Kergete tuumade hulgas on erand 8 Be, lisaks on teada umbes 20 haruldaste muldmetallide elementide alfa-kiirgust kiirgavat nukliidi. Valdav enamus a-emiteerivaid isotoope kuulub radioaktiivsete elementide hulka, s.o. elementidele, mille Z> 83, millest oluline osa on tehisnukliidid. Looduslike nukliidide hulgas on umbes 30 alfa-aktiivset tuuma, mis kuuluvad kolme radioaktiivse perekonda (uraani-, aktiiniumi- ja tooriumiseeria), millest on juttu eespool. Teadaolevate alfa-radioaktiivsete nukliidide poolestusajad jäävad vahemikku 0,298 μs 212 Po puhul kuni >10 15 aastat 144 Nd, 174 Hf korral. Alfaosakeste energia, mida kiirgavad põhiolekutest rasked tuumad, on 4-9 MeV ja haruldaste muldmetallide tuumade poolt 2-4,5 MeV.

Et alfa lagunemise tõenäosus suureneb suurenedes Z, tingitud asjaolust, et seda tüüpi tuumatransformatsioon on seotud Coulombi tõukejõuga, mis tuumade suuruse kasvades suureneb proportsionaalselt Z 2, samas kui tuumatõmbejõud kasvavad lineaarselt massiarvu suurenemisega A.

Nagu varem näidatud, on tuum a-lagunemise suhtes ebastabiilne, kui ebavõrdsus kehtib:

kus ja on vastavalt alg- ja lõpptuumade puhkemassid;

– a-osakese mass.

Tuumade α-lagunemise energia ( Eα) koosneb ematuuma poolt emiteeritud alfaosakese kineetilisest energiast Tα ja kineetiline energia, mille tütartuum omandab alfaosakese emissiooni tulemusena (tagasilöögienergia) T osakond:

Energia ja impulsi jäävuse seadusi kasutades saame seose:

Kus M osakond = – tagasilöögi südamiku mass;

Mα on alfaosakese mass.

Lahendades võrrandid (4.3) ja (4.4) koos, saame:

. (4.5)

Ja vastavalt

. (4.6)

Võrranditest (4.5 ja 4.6) on selge, et põhiosa alfa lagunemisenergiast (umbes 98%) kannavad ära alfaosakesed. Tagasilöögi tuuma kineetiline energia on ≈100 keV (alfa-lagunemisenergiaga ≈5 MeV). Tuleb märkida, et isegi sellised näiliselt väikesed tagasilöögiaatomite kineetilise energia väärtused on väga olulised ja põhjustavad sarnaste tuumadega aatomite kõrget reaktsioonivõimet. Võrdluseks pange tähele, et molekulide soojusliikumise energia toatemperatuuril on ligikaudu 0,04 eV ja keemiliste sidemete energia on tavaliselt alla 2 eV. Seetõttu ei katkesta tagasilöögituum mitte ainult keemilist sidet molekulis, vaid kaotab ioonide moodustumisega osaliselt ka elektronkihi (elektronid lihtsalt ei suuda tagasilöögi tuumaga sammu pidada).

Erinevat tüüpi radioaktiivse lagunemise, sealhulgas alfalagunemise kaalumisel kasutatakse energiadiagramme. Lihtsaim energiaskeem on näidatud joonisel fig. 4.1.

Riis. 4.1. Lihtsaim alfa-lagunemise skeem.

Süsteemi energiaseisund enne ja pärast lagunemist on kujutatud horisontaalsete joontega. Alfaosakest kujutab nool (paks või topelt), mis liigub paremalt vasakule. Nool näitab eralduvate alfaosakeste energiat.

Tuleb meeles pidada, et joonisel fig. 4.1 diagramm on lihtsaim juhtum, kui tuuma kiirgavatel alfaosakestel on üks konkreetne energia. Tavaliselt on alfaspektril peen struktuur, s.t. sama nukliidi tuumad kiirgavad alfaosakesi, mille energiad on üsna lähedased, kuid siiski erinevad suurusjärgus. Leiti, et kui tütartuuma ergastatud olekus toimub alfa-üleminek, siis on alfaosakeste energia vastavalt väiksem kui energia, mis on omane üleminekule radionukliidide alg- ja tütartuumade põhiolekute vahel. . Ja kui selliseid ergastatud olekuid on mitu, siis on võimalikud alfa-üleminekud mitu. Sel juhul tekivad erineva energiaga tütartuumad, mis maapinnale või stabiilsemasse olekusse üleminekul kiirgavad gammakiirgust.

Teades kõigi alfaosakeste ja gamma kvantide energiat, saame koostada energia lagunemise diagrammi.

Näide. Koostage lagunemisdiagramm, kasutades järgmisi andmeid:

· α-osakeste energia on: 4,46; 4,48; 4,61; ja 4,68 MeV,

· γ-kvantide energia – 0,07; 0,13; 0,20; ja 0,22 MeV.

Kogu lagunemisenergia on 4,68 MeV.

Lahendus. Algtuuma energiatasemelt joonistame neli noolt, millest igaüks näitab teatud energiaga α-osakeste emissiooni. Arvutades üksikute α-osakeste rühmade energiate erinevused ja võrreldes neid erinevusi γ-kvantide energiatega, leiame, millised üleminekud vastavad iga energia γ-kvantide emissioonile.

4,48 – 4,46 = 0,02 MeV vastavaid γ-kvante pole

4,61 – 4,46 = 0,15 MeV

4,61 – 4,48 = 0,13 MeV energiad vastavad energiatele

4,68–4,46 = 0,22 MeV lagunemise ajal eraldunud γ-kvante

4,68 – 4,48 = 0,20 MeV 230 Th

4,68 – 4,61 = 0,07 MeV

Riis. 4.2 – 230 tuh lagunemise skeem.

Samas on võimalik ka teine ​​juhtum, mil toimub alfa-üleminek algtuuma ergastatud olekust tütartuuma põhiolekusse. Neid juhtumeid liigitatakse tavaliselt kaugmaa alfaosakeste ilmnemisena, mille emissioon tekib kompleksse beeta-lagunemise tulemusena tekkinud ergastatud tuumadest. Näiteks on joonisel 4.3 kujutatud vismut-212 tuuma β-lagunemise tulemusena moodustunud poloonium-212 tuuma pikamaa α-osakeste emissiooni diagramm. On näha, et olenevalt β-siirde olemusest võib poloonium-212 tuum tekkida maapealses ja ergastatud olekus. Poloonium-212 tuuma ergastatud olekutest eralduvad alfaosakesed on pikamaa. Siiski tuleb meeles pidada, et sel viisil moodustunud alfa-aktiivsete tuumade puhul on tõenäolisem üleminek ergastatud olekust γ-kvanti, mitte pikamaa-alfaosakese kiirgamise teel. Seetõttu on pika levialaga alfaosakesed väga haruldased.

Lisaks on teadlased loonud väga olulise mustri: millal väike suurendades a-osakeste energiat, muutuvad poolestusajad võrra mitu suurusjärku. Nii et 232 tuh T a = 4,08 MeV, T 1/2 = 1,41 × 10 10 aastat ja 230 Th - T a = 4,76 MeV, T 1/2 = 1,7∙10 4 aastat.

Riis. 4.3. Järjestikune lagunemismuster: 212 Bi – 212 Po – 208 Pb

On näha, et alfaosakeste energia vähenemisega ligikaudu 0,7 MeV võrra kaasneb poolestusaja pikenemine 6 suurusjärku. Kell T α < 2 МэВ период полураспада становится настолько большим, что экспериментально обнаружить альфа-активность практически невозможно. Разброс в значениях периодов полураспада, характерных для альфа-распада, весьма велик:

10 16 aastat ≥ T 1/2 ≥ 10–7 sek,

ja samal ajal on radioaktiivsete tuumade poolt kiiratavate alfaosakeste energiate vahemik väga kitsas:

2 MeV ≤ Tα ≤ 9 MeV.

Seos alfaosakese poolestusaja ja energia vahel tegid eksperimentaalselt kindlaks Geiger ja Nattall aastatel 1911-1912. Nad näitasid, et sõltuvus lg T 1/2 lg Tα on sirgjoonega hästi ligikaudne:

. (4.7)

See seadus kehtib hästi paaris-paarituumade puhul. Kusjuures paaritu-paaritu tuumade puhul täheldatakse väga olulist kõrvalekallet seadusest.

Alfa lagunemise tõenäosuse ja seega ka poolestusaja tugevat sõltuvust energiast selgitasid G. Gamow ja E. Condon 1928. aastal, kasutades tuuma üheosakese mudeli teooriat. Selles mudelis eeldatakse, et alfaosake on tuumas pidevalt olemas, s.t. Ematuum koosneb tütartuumast ja alfaosakesest. Eeldatakse, et alfaosake liigub raadiusega sfäärilises piirkonnas R (R– tuuma raadius) ja seda hoiavad tuumas lähimaa Coulombi tuumajõud. Tütartuuma raadiusest suurematel kaugustel r R, Toimivad Coulombi tõukejõud.

Joonisel fig. Joonis 4.4 näitab alfaosakese ja tagasilöögituuma vahelise potentsiaalse energia sõltuvust nende tsentrite vahelisest kaugusest.

Abstsisstelg näitab tütartuuma ja alfaosakese vahelist kaugust ning ordinaattelg süsteemi energiat. Coulombi potentsiaal on kaugelt ära lõigatud R, mis on ligikaudu võrdne tütartuuma raadiusega. Coulombi barjääri B kõrgus, mille alfaosake peab tuumast lahkumiseks ületama, määratakse seosega:

Kus Z Ja z on vastavalt tütartuuma ja alfaosakese laengud.

Riis. 4.4. Süsteemi potentsiaalse energia muutus tütartuuma ja alfaosakese vahelise kaugusega.

Potentsiaalibarjääri suurus ületab oluliselt radioaktiivsete tuumade poolt kiiratavate alfaosakeste energiat ja klassikalise mehaanika seaduste kohaselt ei saa alfaosake tuumast lahkuda. Kuid elementaarosakeste puhul, mille käitumist kirjeldavad kvantmehaanika seadused, on võimalik, et need osakesed läbivad potentsiaalse barjääri, mida nimetatakse tunneli üleminekuks.

Vastavalt alfalagunemise teooriale, mille alguse panid G. Gamow ja E. Condon, kirjeldab osakese olekut lainefunktsioon ψ, mis vastavalt normaliseerimistingimustele mis tahes ruumipunktis. on nullist erinev ja seega on piiratud tõenäosus alfaosakeste tuvastamiseks nii barjääri sees kui ka väljaspool. See tähendab, et alfaosakese niinimetatud tunnelimise protsess läbi potentsiaalse barjääri on võimalik.

On näidatud, et barjääri läbilaskvus sõltub aatomarvust, aatommassist, südamiku raadiusest ja potentsiaalsetest barjääri omadustest.

On kindlaks tehtud, et paaris-paarituumade alfa-üleminekuid emanukliidide põhitasemelt tütarnukliidide põhitasemele iseloomustavad väikseimad poolestusajad. Paaritu-, paaris- ja paarituumate puhul jääb üldine trend püsima, kuid nende poolestusajad on 2-1000 korda pikemad kui paarispaaris tuumade puhul, mille Z ja Tα Kasulik on meeles pidada: sama massiarvuga radionukliidide kiiratavate alfaosakeste energia suureneb tuumalaengu suurenedes.