Majoritatea nucleelor ​​atomice sunt instabile. Mai devreme sau mai târziu ei spontan (sau, după cum spun fizicienii, spontan) se descompun în nuclei mai mici și particule elementare, care sunt denumite în mod obișnuit produse de degradare sau elemente copil. Se numesc particule în descompunere materii prime sau părinţi. Toate substanțele chimice cu care suntem familiarizați (fier, oxigen, calciu etc.) au cel puțin un izotop stabil. ( izotopi sunt numite varietăți ale unui element chimic cu același număr de protoni în nucleu - acest număr de protoni corespunde numărului de serie al elementului - dar un număr diferit de neutroni.) Faptul că aceste substanțe ne sunt bine cunoscute indică stabilitatea lor - ceea ce înseamnă că trăiesc suficient pentru a se acumula în cantități semnificative în condiții naturale, fără a se rupe în componente. Dar fiecare dintre elementele naturale are, de asemenea, izotopi instabili - nucleele lor pot fi obținute în procesul de reacții nucleare, dar nu trăiesc mult, deoarece se descompun rapid.

Dezintegrarea nucleelor ​​elementelor radioactive sau izotopilor poate avea loc în trei moduri principale, iar reacțiile de descompunere nucleară corespunzătoare sunt denumite prin primele trei litere ale alfabetului grec. La dezintegrare alfa este eliberat un atom de heliu, format din doi protoni și doi neutroni - este numit în mod obișnuit o particulă alfa. Deoarece dezintegrarea alfa implică o scădere a numărului de protoni încărcați pozitiv dintr-un atom cu doi, nucleul care a emis particula alfa se transformă în nucleul elementului la două poziții sub acesta în sistemul periodic al lui Mendeleev. La dezintegrare beta nucleul emite un electron și elementul avansează cu o poziție redirecţiona conform tabelului periodic (în acest caz, în esență, neutronul se transformă într-un proton cu radiația tocmai a acestui electron). In cele din urma, degradare gamma - Acest dezintegrarea nucleelor ​​cu emisia de fotoni de înaltă energie, care sunt denumite în mod obișnuit raze gamma. În acest caz, nucleul pierde energie, dar elementul chimic nu se modifică.

Cu toate acestea, faptul de instabilitate a unuia sau altuia izotop al unui element chimic în sine nu înseamnă deloc că, după ce a reunit un anumit număr de nuclee ale acestui izotop, veți obține o imagine a dezintegrarii lor simultane. În realitate, dezintegrarea nucleului unui element radioactiv amintește oarecum de procesul de prăjire a porumbului în fabricarea floricelelor de porumb: boabele (nucleonii) cad de pe „cot” (nucleu) pe rând, într-o ordine complet imprevizibilă. , până cad toate. Legea care descrie reacția dezintegrarii radioactive, de fapt, afirmă doar acest fapt: pentru o perioadă fixă ​​de timp, un nucleu radioactiv emite un număr de nucleoni proporțional cu numărul de nucleoni care rămân în compoziția sa. Adică, cu cât mai mulți boabe-nucleoni rămân în miezul de stiuleți „subgătit”, cu atât mai mulți dintre ei vor fi eliberați în timpul unui interval de timp fix de „prăjire”. Când traducem această metaforă în limbajul formulelor matematice, obținem o ecuație care descrie dezintegrarea radioactivă:

d N = λN d t

unde D N- numărul de nucleoni emiși de nucleu cu numărul total de nucleoni Nîn timp d t, A λ - determinat experimental constanta de radioactivitate substanța studiată. Formula empirică de mai sus este o ecuație diferențială liniară, a cărei soluție este următoarea funcție, care descrie numărul de nucleoni care rămân în nucleu în acel moment t:

N = N 0e- λt

Unde N 0 este numărul de nucleoni din nucleu în momentul inițial al observației.

Constanta de radioactivitate determină astfel cât de repede se descompune nucleul. Cu toate acestea, fizicienii experimentali măsoară de obicei nu aceasta, ci așa-numita jumătate de viață nucleu (adică perioada pentru care nucleul studiat emite jumătate din nucleonii conținuti în el). Pentru diverși izotopi ai diferitelor substanțe radioactive, timpul de înjumătățire variază (în deplină conformitate cu predicțiile teoretice) de la miliarde de secundă la miliarde de ani. Adică, unele nuclee trăiesc aproape pentru totdeauna, iar unele se descompun literalmente instantaneu (aici este important să ne amintim că, după timpul de înjumătățire, jumătate din masa totală a substanței originale rămâne, după două timpi de înjumătățire - un sfert din masa sa. , după trei timpi de înjumătățire - o optime etc. d.).

În ceea ce privește apariția elementelor radioactive, acestea se nasc în moduri diferite. În special, ionosfera (stratul superior rarefiat al atmosferei) a Pământului este bombardată constant de raze cosmice, constând din particule cu energii mari ( cm. particule elementare). Sub influența lor, atomii cu viață lungă sunt împărțiți în izotopi instabili: în special, din azot-14 stabil din atmosfera pământului, se formează constant un izotop instabil de carbon-14 cu 6 protoni și 8 neutroni în nucleu ( cm. datare radiometrică).

Dar cazul de mai sus este destul de exotic. Mult mai des, elementele radioactive se formează în lanțuri de reacție Fisiune nucleara . Acesta este numele dat unei serii de evenimente în timpul cărora nucleul original („părinte”) se descompune în două „fiice” (tot radioactive), care, la rândul lor, în patru nuclee „nepoate” etc. Procesul continuă până atunci până se obţin izotopi stabili. Ca exemplu, să luăm izotopul uraniu-238 (92 de protoni + 146 de neutroni) cu un timp de înjumătățire de aproximativ 4,5 miliarde de ani. Această perioadă, apropo, este aproximativ egală cu vârsta planetei noastre, ceea ce înseamnă că aproximativ jumătate din uraniul-238 din compoziția materiei primare de formare a Pământului se află încă în totalitatea elementelor pământului. natură. Uraniul-238 se transformă în toriu-234 (90 de protoni + 144 de neutroni), al cărui timp de înjumătățire este de 24 de zile. Toriul-234 se transformă în paladiu-234 (91 de protoni + 143 de neutroni) cu un timp de înjumătățire de 6 ore - și așa mai departe.După mai mult de zece etape de dezintegrare, se obține în sfârșit un izotop stabil de plumb-206.

Se pot spune multe despre dezintegrarea radioactivă, dar trebuie subliniate câteva puncte. În primul rând, chiar dacă luăm o probă pură dintr-un singur izotop radioactiv ca material de pornire, acesta se va descompune în diferite componente și, în curând, vom obține inevitabil un întreg „buchet” de diferite substanțe radioactive cu mase nucleare diferite. În al doilea rând, lanțurile naturale de reacții de dezintegrare atomică ne liniștesc în sensul că radioactivitatea este un fenomen natural, a existat cu mult înaintea omului și nu este nevoie să luăm un păcat asupra sufletului și să învinovățim doar civilizația umană pentru că are un fond de radiații. pe pamant. Uraniul-238 a existat pe Pământ încă de la începuturi, s-a degradat, se descompune – și se va descompune, iar centralele nucleare accelerează acest proces, de fapt, cu o fracțiune de procent; pentru ca acestea să nu aibă nici un efect deosebit de dăunător, pe lângă ceea ce este oferit de natură, asupra dumneavoastră și asupra mea.

În cele din urmă, inevitabilitatea dezintegrarii atomice radioactive prezintă atât provocări potențiale, cât și oportunități pentru umanitate. În special, în lanțul de reacții de descompunere a nucleelor ​​de uraniu-238, se formează radon-222 - un gaz nobil fără culoare, miros și gust, care nu intră în nicio reacție chimică, deoarece nu este capabil să formeze substanțe chimice. obligațiuni. Acest gaz inert,și curge literalmente din intestinele planetei noastre. De obicei, nu are niciun efect asupra noastră - pur și simplu se dizolvă în aer și rămâne acolo într-o concentrație mică până când se descompune în elemente și mai ușoare. Cu toate acestea, dacă acest radon inofensiv rămâne mult timp într-o cameră neventilata, atunci, în timp, produsele sale de degradare vor începe să se acumuleze acolo - și sunt dăunătoare sănătății umane (când sunt inhalate). Așa obținem așa-numita „problema radonului”.

Pe de altă parte, proprietățile radioactive ale elementelor chimice aduc oamenilor beneficii semnificative dacă sunt abordate cu înțelepciune. Fosforul radioactiv, în special, este acum injectat pentru a obține o imagine radiografică a fracturilor osoase. Gradul de radioactivitate este minim și nu dăunează sănătății pacientului. Intrând în țesutul osos al corpului împreună cu fosforul obișnuit, emite suficiente raze pentru a le fixa pe echipamente fotosensibile și a fotografia un os rupt literalmente din interior. Chirurgii, în consecință, au posibilitatea de a opera o fractură complexă nu orbește și la întâmplare, dar au studiat anterior structura fracturii din astfel de imagini. În general, aplicațiile radiografieîn știință, tehnologie și medicină este nenumărate. Și toate funcționează după același principiu: proprietățile chimice ale atomului (de fapt, proprietățile învelișului exterior al electronilor) fac posibilă atribuirea unei substanțe unui grup chimic specific; apoi, folosind proprietățile chimice ale acestei substanțe, atomul este livrat „la locul potrivit”, după care, folosind proprietatea nucleelor ​​acestui element de a se descompune în strictă conformitate cu „programul” stabilit de legile fizicii, se înregistrează produsele de degradare.

Structura și proprietățile particulelor și nucleelor ​​atomice au fost studiate de aproximativ o sută de ani în dezintegrare și reacții.
Dezintegrarile sunt o transformare spontană a oricărui obiect al fizicii microlumilor (nucleu sau particule) în mai mulți produși de dezintegrare:

Atât descompunerea, cât și reacțiile sunt supuse unei serii de legi de conservare, dintre care trebuie menționate, în primul rând, următoarele legi:

În cele ce urmează, vor fi discutate și alte legi de conservare care funcționează în dezintegrare și reacții. Legile enumerate mai sus sunt cele mai importante și, cel mai important, efectuate în toate tipurile de interacțiuni.(Este posibil ca legea de conservare a încărcăturii barionice să nu fie la fel de universală precum legile de conservare 1-4, dar până acum nu a fost găsită nicio încălcare a acesteia).
Procesele de interacțiuni ale obiectelor microlumii, care se reflectă în dezintegrari și reacții, au caracteristici probabilistice.

Decade

Dezintegrarea spontană a oricărui obiect al fizicii microlumilor (nucleu sau particule) este posibilă dacă masa de repaus a produselor de descompunere este mai mică decât masa particulei primare.

Degradările sunt caracterizate probabilități de dezintegrare , sau probabilitatea reciprocă a durata medie de viață τ = (1/λ). Valoarea asociată acestor caracteristici este, de asemenea, adesea folosită. jumătate de viață T 1/2.
Exemple de carii spontane

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

n → p + e − + e ; μ + → e + + μ + ν e ;

(2.5)

În descompunerea (2.4) există două particule în starea finală. În dezintegrari (2,5), există trei.
Obținem ecuația de dezintegrare pentru particule (sau nuclee). Scăderea numărului de particule (sau nuclee) într-un interval de timp este proporțională cu acest interval, cu numărul de particule (sau nuclee) la un moment dat și cu probabilitatea de dezintegrare:

Integrarea (2.6), luând în considerare condițiile inițiale, dă relația dintre numărul de particule la momentul t și numărul acelorași particule la momentul inițial t = 0:

Timpul de înjumătățire este timpul necesar pentru ca numărul de particule (sau nuclee) să fie redus la jumătate:

Dezintegrarea spontană a oricărui obiect al fizicii microlumilor (nucleu sau particule) este posibilă dacă masa produselor de descompunere este mai mică decât masa particulei primare. Degradările în două produse și în trei sau mai mulți sunt caracterizate de spectre de energie diferite ale produselor de dezintegrare. În cazul dezintegrarii în două particule, spectrele produselor de dezintegrare sunt discrete. Dacă există mai mult de două particule în starea finală, spectrele de produs sunt continue.

Diferența dintre masele particulei primare și ale produselor de descompunere este distribuită între produșii de descompunere sub forma energiilor lor cinetice.
Legile conservării energiei și impulsului pentru dezintegrare ar trebui scrise în sistemul de coordonate asociat cu particula (sau nucleul) în descompunere. Pentru a simplifica formulele, este convenabil să folosiți sistemul de unități = c = 1, în care energia, masa și impulsul au aceeași dimensiune (MeV). Legile de conservare pentru această degradare:

Prin urmare, obținem pentru energiile cinetice ale produselor de dezintegrare

Astfel, în cazul a două particule în stare finală se determină energiile cinetice ale produselor clar. Acest rezultat nu depinde de dacă vitezele relativiste sau non-relativiste au produse de dezintegrare. Pentru cazul relativist, formulele pentru energiile cinetice par ceva mai complicate decât (2.10), dar soluția ecuațiilor pentru energia și impulsul a două particule este din nou singura. Înseamnă că în cazul dezintegrarii în două particule, spectrele produselor de dezintegrare sunt discrete.
Dacă în starea finală apar trei (sau mai multe) produse, soluția ecuațiilor pentru legile de conservare a energiei și a impulsului nu conduce la un rezultat clar. Când, dacă există mai mult de două particule în starea finală, spectrele produselor sunt continue.(În cele ce urmează, această situație va fi luată în considerare în detaliu folosind exemplul de dezintegrare.)
În calcularea energiilor cinetice ale produselor de descompunere a nucleelor, este convenabil să se folosească faptul că numărul de nucleoni A este conservat. (Aceasta este o manifestare legea conservării încărcăturii barionice , deoarece sarcinile barione ale tuturor nucleonilor sunt egale cu 1).
Să aplicăm formulele obținute (2.11) la -desintegrarea lui 226 Ra (prima dezintegrare din (2.4)).

Diferența dintre masele de radiu și produsele sale de descompunere
ΔM = M(226 Ra) - M(222 Rn) - M(4 He) = Δ(226 Ra) - Δ(222 Rn) - Δ(4 He) = (23,662 - 16,367 - 2,424) MeV = 4,87 MeV. (Aici am folosit tabele cu masele în exces de atomi neutri și raportul M = A + pentru mase și așa-numitele. mase în exces Δ)
Energiile cinetice ale nucleelor ​​de heliu și radon rezultate din dezintegrarea alfa sunt egale cu:

,
.

Energia cinetică totală eliberată ca urmare a dezintegrarii alfa este mai mică de 5 MeV și este de aproximativ 0,5% din masa de repaus a nucleonului. Raportul dintre energia cinetică eliberată ca urmare a dezintegrarii și energiile de repaus ale particulelor sau nucleelor ​​- criteriu de admisibilitate a utilizării aproximării nerelativiste. În cazul dezintegrarilor alfa ale nucleelor, micimea energiilor cinetice în comparație cu energiile de repaus face posibil să ne reținem la aproximarea nerelativistă în formule (2.9-2.11).

Sarcina 2.3. Calculați energiile particulelor produse în dezintegrarea unui mezon

Mezonul π + se descompune în două particule: π + μ + + ν μ . Masa mezonului π + este de 139,6 MeV, masa muonului μ este de 105,7 MeV. Valoarea exactă a masei neutrinilor muoni ν μ este încă necunoscută, dar s-a stabilit că aceasta nu depășește 0,15 MeV. Într-un calcul aproximativ, acesta poate fi setat egal cu 0, deoarece este cu câteva ordine de mărime mai mic decât diferența dintre masele de pion și muoni. Deoarece diferența dintre masele mezonului π + și produsele sale de dezintegrare este de 33,8 MeV, este necesar să se utilizeze formule relativiste pentru relația dintre energie și impuls pentru neutrini. În calcule ulterioare, masa mică a neutrinului poate fi neglijată, iar neutrinoul poate fi considerat o particulă ultrarelativistă. Legile conservării energiei și a impulsului în dezintegrarea lui π + mezon:

m π = m μ + T μ + E ν
|p ν | = | p μ |

E ν = p ν

Un exemplu de dezintegrare a două particule este, de asemenea, emisia unui cuantum în timpul tranziției unui nucleu excitat la cel mai scăzut nivel de energie.
În toate descompunerea a două particule analizate mai sus, produsele de descompunere au o valoare energetică „exactă”, adică. spectru discret. Cu toate acestea, o examinare mai atentă a acestei probleme arată că spectrul chiar și al produselor de descompunere a două particule nu este o funcție a energiei.

.

Spectrul produșilor de descompunere are o lățime finită Г, care este cu atât mai mare, cu cât durata de viață a nucleului sau particulei în descompunere este mai scurtă.

(Această relație este una dintre formulările relației de incertitudine pentru energie și timp).
Exemple de descompunere cu trei corpuri sunt -descompunerea.
Neutronul suferă dezintegrare, transformându-se într-un proton și doi leptoni - un electron și un antineutrin: np + e - + e.
Degradările beta sunt, de asemenea, experimentate de leptoni înșiși, de exemplu, muonul (durata medie de viață a muonului
τ = 2,2 10 –6 sec):

.

Legile de conservare pentru dezintegrarea muonilor la impulsul maxim al electronilor:
Pentru energia cinetică maximă a electronului de dezintegrare a muonului, obținem ecuația

Energia cinetică a unui electron în acest caz este cu două ordine de mărime mai mare decât masa lui în repaus (0,511 MeV). Momentul unui electron relativist coincide practic cu energia lui cinetică, într-adevăr

p = (T 2 + 2mT) 1/2 = )