Радиоактивность. Атомные ядра, состоящие из одного и того же числа нуклонов, называ­ются изобарами: Z + N = А = const

Атомные ядра, состоящие из одного и того же числа нуклонов, называ­ются изобарами: Z + N = А = const. При А = const изобары отличаются друг от друга значениями чисел Z и N. Установлено, что большинству массовых чисел А соответствует только один стабильный изобар, а все другие изобары - нестабильны, т.е. самопроизвольно превращаются в другие ядра.

Стабильный изобар является таковым потому, что он обладает наи­меньшей энергией покоя Мс² по сравнению со всеми ядрами, в которые он мог бы превратиться. Различия в энергиях ядер-изобар обусловлены неравенством масс протона и нейтрона и наличием у протона электри­ческого заряда. Так как масса нейтрона больше массы протона, при замене в ядре протона на нейтрон увеличивается масса и энергия покоя ядра, что делает его менее устойчивым. С другой стороны, при уве­личении числа протонов энергия ядра увеличивается за счет увеличе­ния положительной энергии их кулоновского отталкивания. Устойчивые ядра характеризуются определенным значением отношения N/Z числа нейтронов к числу протонов. Для ядер, содержащих не очень большое число нуклонов (такие ядра называются легкими), это отношение близко к единице. С увеличением числа нуклонов в ядре отношение N/Z растет, достигая для тяжелых ядер значения 1,6.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустой­чивых ядер одного химического элемента в ядра другого элемента. Та­кое превращение может происходить различными путями. Основными путями самопроизвольного распада ядер являются а -распад, β -распад, протонная радиоактивность и спонтанное деление тяжелых ядер.

При а -распаде из ядра вылетает а -частица, т.е. ядро атома гелия ⁴ ₂Не;

.

Так как а -частица состоит из четырех нуклонов, среди которых два про­тона, при ее вылете из ядра X образуется ядро У элемента, порядковый номер которого на две единицы меньше, а массовое число меньше на четыре единицы. Это правило называется законом смещения.

Туннельный эффект при а-распаде при прохождении а-частиц через отталкивающий кулоновский потенциал

Притягивающий ядерный потенциал сильных взаимодействий

Радиус ядра

Тунелирование

Отталкивающий кулоновский потенциал

Масса нейтрона больше суммы масс протона и электрона. Поэтому возможен самопроизвольный распад нейтрона п на протон р и электрон е^-. При этом кроме протона и электрона образуется еще одна частица, которая не имеет ни массы, ни заряда. Эта частица называется анти­нейтрино и обозначается символом . Реакция распада нейтрона имеет вид

п —> р+ е^- + .

Самопроизвольное превращение атомного ядра, в результате которого его заряд увеличивается или уменьшается на один элементарный элек­трический заряд, называется β -распадом. Такие ядра называются β -радиоактивными. Если один из нейтронов в ядре превратится в протон, то произойдет реакция

которая называется электронным β -распадом.

Запишем закон сохранения энергии для электронного β -распада поко­ящегося ядра X, масса которого равна M _X

M_X c ² = M_Y c ² + T_Y + m_e c ² + T_e + T (23.8)

где M_y и т_е - массы покоя ядра У и электрона соответственно, мас­са покоя антинейтрино равна нулю; Т_у, Т_е и Т_р - кинетические энергии продуктов реакции. Как следует из уравнения (23.8), сумма этих кине­тических энергий есть постоянная величина:

T_Y + T_e +T = (M_X - M_Y - m_e) c ².

В каждом конкретном акте бета-распада кинетическая энергия распреде­ляется между ядром У, электроном е^- и антинейтрино произвольным образом. Поэтому энергия электрона, испускаемого при бета-распаде ядра, может принимать любое значение в пределах от 0 до

T _max = (M_X – M_Y - m_e) c ².

В таком случае говорят, что бета-спектр, т.е. спектр энергий бета-частицы (электрона) является сплошным и имеет верхнюю границу, определяемую значением T _max.

Экспериментально и теоретически доказано, что каждой элементар­ной частице соответствует

античастица. Частица, являющаяся антича­стицей для электрона, называется позитроном. Масса позитрона равна массе электрона, а его заряд - положителен и равен по величине эле­ментарному электрическому заряду е. Позитрон обозначается символом е⁺. Антинейтрино является античастицей по отношению к частице и, которая называется нейтрино. При столкновении частицы со своей ан­тичастицей происходит их аннигиляция, т.е. эти частицы исчезают, а вместо них рождаются два (редко три) фотона высоких энергий, так на­зываемые γ - кванты. Например, взаимодействие электрона и позитрона приводит к их аннигиляции:

e ^- + e ⁺ → γ + γ

Наблюдается также обратный процесс - рождение электрона и позитрона при прохождении γ -кванта вблизи атомного ядра:

γ + X → e ^- + e ⁺ + X

При испускании ядром позитрона заряд ядра уменьшается на один элементарный электрический заряд. Кроме позитрона и нового ядра среди продуктов распада присутствует нейтрино:

.

Такой β -распад называется позитронным.

Как уже говорилось выше, среди изобар легких элементов стабильны­ми являются те, в которых количества протонов и нейтронов примерно одинаковы. Ядра, в которых нейтронов существенно больше, чем про­тонов, нестабильны по отношению к электронному β -распаду, а ядра с избытком протонов претерпевают позитронный β -распад.

Протонная радиоактивность, как показывает само название, есть пре­вращение ядер, при котором они испускают один или два протона.

Ядра, массовые числа которых больше, чем у ядра урана, способны к самопроизвольному делению на две части. После деления ядра продук­ты деления, называемые ядрами-осколками, разлетаются в противопо­ложные стороны под действием кулоновских сил отталкивания.

Следует отметить, что во всех описанных в этом разделе реакциях распада ядер сохраняются числа нуклонов и суммарный заряд частиц, т.е. число нуклонов в исходном ядре равно числу нуклонов в продуктах распада, а заряд ядра равен заряду частиц, на которые оно распадает­ся. Законы сохранения числа нуклонов и электрического заряда необхо­димо учитывать при написании уравнения распада и при вычислениях массового и зарядового чисел нового ядра. Эти вычисления приводят к соответствующим законам смещения.