Alfa a beta žiarenie sa vo všeobecnosti nazývajú rádioaktívne rozpady. Ide o proces, ktorý je emisiou z jadra a prebieha obrovskou rýchlosťou. V dôsledku toho sa atóm alebo jeho izotop môže zmeniť z jedného chemického prvku na druhý. Alfa a beta rozpady jadier sú charakteristické pre nestabilné prvky. Patria sem všetky atómy s číslom náboja vyšším ako 83 a hmotnostným číslom vyšším ako 209.

Podmienky pre vznik reakcie

Rozpad, podobne ako iné rádioaktívne premeny, môže byť prirodzený alebo umelý. K tomu poslednému dochádza v dôsledku vstupu nejakej cudzorodej častice do jadra. Koľko alfa a beta rozpadu môže atóm podstúpiť, závisí len od toho, ako rýchlo sa dosiahne stabilný stav.

Za prirodzených okolností dochádza k rozpadu alfa a beta mínus.

V umelých podmienkach sú prítomné neutrónové, pozitrónové, protónové a iné, zriedkavejšie typy rozpadov a premien jadier.

Tieto mená dal niekto, kto študoval rádioaktívne žiarenie.

Rozdiel medzi stabilným a nestabilným jadrom

Schopnosť rozpadu priamo závisí od stavu atómu. Takzvané „stabilné“ alebo nerádioaktívne jadro je charakteristické pre nerozkladajúce sa atómy. Teoreticky možno takéto prvky pozorovať donekonečna, aby sa konečne overila ich stabilita. To je potrebné na oddelenie takýchto jadier od nestabilných, ktoré majú extrémne dlhý polčas rozpadu.

Omylom možno takýto „spomalený“ atóm považovať za stabilný. Pozoruhodným príkladom však môže byť telúr a konkrétnejšie jeho izotop s číslom 128, ktorý má životnosť 2,2·10 24 rokov. Tento prípad nie je ojedinelý. Lantán-138 má polčas rozpadu 10-11 rokov. Toto obdobie je tridsaťkrát staršie ako vek existujúceho vesmíru.

Podstata rádioaktívneho rozpadu

Tento proces prebieha náhodne. Každý rozpadnutý rádionuklid nadobúda rýchlosť, ktorá je pre každý prípad konštantná. Rýchlosť rozpadu sa nemôže meniť pod vplyvom vonkajších faktorov. Nezáleží na tom, či k reakcii dôjde pod vplyvom obrovskej gravitačnej sily, pri absolútnej nule, v elektrickom a magnetickom poli, pri akejkoľvek chemickej reakcii atď. Proces je možné ovplyvniť iba priamym vplyvom na vnútro atómového jadra, čo je prakticky nemožné. Reakcia je spontánna a závisí len od atómu, v ktorom prebieha, a od jeho vnútorného stavu.

Keď sa hovorí o rádioaktívnom rozpade, často sa používa termín „rádionuklid“. Pre tých, ktorí to nepoznajú, toto slovo označuje skupinu atómov, ktoré majú rádioaktívne vlastnosti, svoje vlastné hmotnostné číslo, atómové číslo a energetický stav.

V technických, vedeckých a iných oblastiach ľudskej činnosti sa využívajú rôzne rádionuklidy. Napríklad v medicíne sa tieto prvky používajú pri diagnostike chorôb, spracovaní liekov, nástrojov a iných predmetov. Existuje dokonca množstvo terapeutických a prognostických rádioterapeutických liekov.

Rovnako dôležité je určenie izotopu. Toto slovo označuje špeciálny typ atómu. Majú rovnaké atómové číslo ako bežný prvok, ale iné hmotnostné číslo. Tento rozdiel je spôsobený počtom neutrónov, ktoré neovplyvňujú náboj ako protóny a elektróny, ale menia hmotnosť. Napríklad jednoduchý vodík ich má až 3. Toto je jediný prvok, ktorého izotopy dostali pomenovania: deutérium, trícium (jediné rádioaktívne) a protium. V iných prípadoch sa názvy uvádzajú podľa atómových hmotností a hlavného prvku.

Alfa rozpad

Ide o typ rádioaktívnej reakcie. Charakteristika prírodných prvkov zo šiesteho a siedmeho obdobia periodickej tabuľky chemických prvkov. Najmä pre umelé alebo transuránové prvky.

Prvky podliehajúce rozpadu alfa

Kovy, ktoré sa vyznačujú týmto rozpadom, zahŕňajú tórium, urán a ďalšie prvky šiestej a siedmej periódy z periodickej tabuľky chemických prvkov, počnúc bizmutom. Izotopy ťažkých prvkov sú tiež podrobené procesu.

Čo sa deje počas reakcie?

Počas rozpadu alfa sa z jadra začnú vylučovať častice pozostávajúce z 2 protónov a páru neutrónov. Samotná emitovaná častica je jadrom atómu hélia s hmotnosťou 4 jednotky a nábojom +2.

V dôsledku toho sa objaví nový prvok, ktorý sa v periodickej tabuľke nachádza o dve bunky vľavo od pôvodného prvku. Toto usporiadanie je dané tým, že pôvodný atóm stratil 2 protóny a zároveň aj počiatočný náboj. V dôsledku toho sa hmotnosť výsledného izotopu zníži o 4 jednotky hmotnosti v porovnaní s počiatočným stavom.

Príklady

Pri tomto rozpade vzniká z uránu tórium. Z tória pochádza rádium, z neho radón, ktorý v konečnom dôsledku dáva polónium, a nakoniec olovo. V tomto procese sa vyrábajú izotopy týchto prvkov, nie samotné. Takže dostaneme urán-238, tórium-234, rádium-230, radón-236 a tak ďalej, kým sa neobjaví stabilný prvok. Vzorec pre takúto reakciu je nasledujúci:

Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218

Rýchlosť izolovanej častice alfa v okamihu emisie sa pohybuje od 12 do 20 tisíc km/s. Vo vákuu by takáto častica obehla zemeguľu za 2 sekundy a pohybovala by sa pozdĺž rovníka.

Beta rozpad

Rozdiel medzi touto časticou a elektrónom je v mieste jej vzhľadu. K rozpadu beta dochádza v jadre atómu, nie v elektrónovom obale, ktorý ho obklopuje. Najbežnejšia zo všetkých existujúcich rádioaktívnych premien. Dá sa pozorovať takmer vo všetkých v súčasnosti existujúcich chemických prvkoch. Z toho vyplýva, že každý prvok má aspoň jeden izotop náchylný na rozpad. Vo väčšine prípadov má beta rozpad za následok beta mínus rozklad.

Priebeh reakcie

Počas tohto procesu je z jadra vyvrhnutý elektrón, ktorý je výsledkom spontánnej premeny neutrónu na elektrón a protón. V tomto prípade protóny vďaka svojej väčšej hmotnosti zostávajú v jadre a elektrón, nazývaný beta mínus častica, opúšťa atóm. A keďže je protónov o jeden viac, samotné jadro prvku sa mení smerom nahor a nachádza sa v periodickej tabuľke napravo od pôvodného.

Príklady

Rozpad beta s draslíkom-40 ho premení na izotop vápnika, ktorý sa nachádza vpravo. Rádioaktívny vápnik-47 sa zmení na skandium-47, ktoré sa môže stať stabilným titánom-47. Ako vyzerá tento beta rozpad? Vzorec:

Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47

Emisná rýchlosť beta častice je 0,9-násobkom rýchlosti svetla, čo je 270 tisíc km/s.

V prírode nie je príliš veľa beta-aktívnych nuklidov. Významných je hneď niekoľko. Príkladom je draslík-40, ktorý prirodzene obsahuje len 119/10 000. Významnými prírodnými beta-mínus aktívnymi rádionuklidmi sú aj produkty alfa a beta rozpadu uránu a tória.

Beta rozpad má typický príklad: tórium-234, ktoré sa rozpadom alfa mení na protaktínium-234 a potom sa rovnakým spôsobom stáva uránom, ale s iným izotopom s číslom 234. Tento urán-234 sa opäť stáva tóriom vďaka alfa rozpad , ale inej odrody. Toto tórium-230 sa potom zmení na rádium-226, ktoré sa zmení na radón. A v rovnakom poradí až po tálium, len s rôznymi beta prechodmi späť. Tento rádioaktívny beta rozpad končí vytvorením stabilného olova-206. Táto transformácia má nasledujúci vzorec:

Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206

Prirodzenými a významnými beta-aktívnymi rádionuklidmi sú K-40 a prvky tália až urán.

Beta plus rozpad

Nechýba ani beta plus transformácia. Nazýva sa tiež rozpad pozitrónu beta. V ňom je z jadra emitovaná častica nazývaná pozitrón. Výsledkom je premena pôvodného prvku na prvok vľavo, ktorý má nižšie číslo.

Príklad

Keď dôjde k rozpadu elektrónového beta, horčík-23 sa stane stabilným izotopom sodíka. Z rádioaktívneho európia-150 sa stáva samárium-150.

Výsledná beta rozpadová reakcia môže vytvárať beta+ a beta- emisie. Rýchlosť emisie častíc je v oboch prípadoch 0,9-násobkom rýchlosti svetla.

Iné rádioaktívne rozpady

Okrem reakcií ako je alfa rozpad a beta rozpad, ktorých vzorec je všeobecne známy, existujú aj iné, zriedkavejšie procesy, ktoré sú charakteristické pre umelé rádionuklidy.

Neutrónový rozpad. Je emitovaná neutrálna častica s hmotnosťou 1 jednotky hmotnosti. Počas nej sa jeden izotop premení na druhý s nižším hmotnostným číslom. Príkladom môže byť premena lítia-9 na lítium-8, hélia-5 na hélium-4.

Keď je stabilný izotop jód-127 ožiarený gama lúčmi, stáva sa izotopom číslo 126 a získava rádioaktivitu.

Rozpad protónov. Je to mimoriadne zriedkavé. Počas nej je emitovaný protón, ktorý má náboj +1 a 1 jednotku hmotnosti. Atómová hmotnosť sa zníži o jednu hodnotu.

Každá rádioaktívna premena, najmä rádioaktívne rozpady, je sprevádzaná uvoľňovaním energie vo forme gama žiarenia. Nazývajú sa gama kvantá. V niektorých prípadoch sa pozorujú röntgenové lúče s nižšou energiou.

Je to prúd gama kvánt. Ide o elektromagnetické žiarenie, tvrdšie ako röntgenové žiarenie, ktoré sa používa v medicíne. V dôsledku toho sa objavujú gama kvantá alebo energetické toky z atómového jadra. Röntgenové žiarenie je tiež elektromagnetické, ale vzniká z elektrónových obalov atómu.

Rozsah častíc alfa

Častice alfa s hmotnosťou 4 atómových jednotiek a nábojom +2 sa pohybujú po priamke. Z tohto dôvodu môžeme hovoriť o rozsahu alfa častíc.

Hodnota dosahu závisí od počiatočnej energie a pohybuje sa od 3 do 7 (niekedy 13) cm vo vzduchu. V hustom prostredí je to stotina milimetra. Takéto žiarenie nemôže preniknúť cez list papiera alebo ľudskú pokožku.

Alfa častica má vďaka svojej vlastnej hmotnosti a číslu náboja najväčšiu ionizačnú schopnosť a ničí všetko, čo jej stojí v ceste. V tomto ohľade sú alfa rádionuklidy najnebezpečnejšie pre ľudí a zvieratá, keď sú vystavené telu.

Penetračná sila beta častíc

Vďaka svojmu malému hmotnostnému číslu, ktoré je 1836-krát menšie ako protón, zápornému náboju a veľkosti, má beta žiarenie slabý vplyv na látku, cez ktorú letí, ale let je dlhší. Taktiež dráha častice nie je lineárna. V tejto súvislosti hovoria o penetračnej schopnosti, ktorá závisí od prijatej energie.

Schopnosť prieniku beta častíc produkovaných počas rádioaktívneho rozpadu vo vzduchu dosahuje 2,3 m, v kvapalinách sa výpočet vykonáva v centimetroch a v pevných látkach - v zlomkoch centimetra. Tkanivá ľudského tela prepúšťajú žiarenie do hĺbky 1,2 cm. Na ochranu pred beta žiarením môže slúžiť jednoduchá vrstva vody do 10 cm Prúd častíc s dosť vysokou rozpadovou energiou 10 MeV je takmer úplne absorbovaný nasledujúcimi vrstvami: vzduch - 4 m; hliník - 2,2 cm; železo - 7,55 mm; olovo - 5,2 mm.

Vzhľadom na ich malú veľkosť majú častice beta žiarenia v porovnaní s časticami alfa nízku ionizačnú schopnosť. Pri požití sú však oveľa nebezpečnejšie ako pri vonkajšej expozícii.

Neutrónové a gama žiarenie má v súčasnosti najvyššiu rýchlosť prieniku spomedzi všetkých typov žiarenia. Dosah týchto žiarení vo vzduchu niekedy dosahuje desiatky a stovky metrov, avšak s nižšími ionizačnými charakteristikami.

Väčšina izotopov gama žiarenia nepresahuje energiu 1,3 MeV. Zriedkavo sa dosahujú hodnoty 6,7 MeV. V tomto ohľade sa na ochranu pred takýmto žiarením používajú vrstvy ocele, betónu a olova ako faktor útlmu.

Napríklad na desaťnásobné zoslabenie kobaltového gama žiarenia je potrebná ochrana olovom s hrúbkou asi 5 cm, na 100-násobný útlm 9,5 cm, betónová ochrana bude 33 a 55 cm a ochrana proti vode - 70 a 115. cm.

Ionizačné vlastnosti neutrónov závisia od ich energetických parametrov.

V každej situácii bude najlepšou ochranou proti žiareniu zostať čo najďalej od zdroja a stráviť čo najmenej času v oblasti s vysokým žiarením.

Štiepenie atómových jadier

Atómami rozumieme spontánne alebo pod vplyvom neutrónov na dve časti, približne rovnako veľké.

Tieto dve časti sa stávajú rádioaktívnymi izotopmi prvkov z hlavnej časti tabuľky prvkov. Začínajú od medi k lantanoidom.

Počas uvoľnenia unikne pár ďalších neutrónov a objaví sa prebytok energie vo forme gama žiarenia, ktorý je oveľa väčší ako pri rádioaktívnom rozpade. Pri jednom akte rádioaktívneho rozpadu sa teda objaví jedno gama kvantá a pri štiepnom akte 8,10 gama kvanta. Rozptýlené fragmenty majú tiež vysokú kinetickú energiu, ktorá sa mení na tepelné indikátory.

Uvoľnené neutróny môžu vyvolať oddelenie páru podobných jadier, ak sa nachádzajú v blízkosti a neutróny ich zasiahnu.

V tomto smere existuje možnosť rozvetvenia, zrýchlenia reťazovej reakcie oddeľovania atómových jadier a vzniku veľkého množstva energie.

Keď je takáto reťazová reakcia pod kontrolou, môže sa použiť na určité účely. Napríklad na kúrenie alebo elektrinu. Takéto procesy sa vykonávajú v jadrových elektrárňach a reaktoroch.

Ak stratíte kontrolu nad reakciou, dôjde k atómovému výbuchu. To je to, čo sa používa v jadrových zbraniach.

V prírodných podmienkach existuje len jeden prvok – urán, ktorý má len jeden štiepny izotop s číslom 235. Je zbraňovej kvality.

V obyčajnom uránovom jadrovom reaktore vzniká z uránu-238 vplyvom neutrónov nový izotop číslo 239 a z neho plutónium, ktoré je umelé a v prírode sa nevyskytuje. V tomto prípade sa výsledné plutónium-239 používa na zbrojné účely. Tento proces štiepenia atómových jadier je podstatou všetkých atómových zbraní a energie.

Fenomény ako alfa rozpad a beta rozpad, ktorých vzorec sa študuje v škole, sú v našej dobe rozšírené. Vďaka týmto reakciám existujú jadrové elektrárne a mnohé ďalšie odvetvia založené na jadrovej fyzike. Netreba však zabúdať na rádioaktivitu mnohých z týchto prvkov. Pri práci s nimi je potrebná špeciálna ochrana a dodržiavanie všetkých opatrení. V opačnom prípade by to mohlo viesť k nenapraviteľnej katastrofe.

To už viete v polovici 20. storočia. problém nastal pri hľadaní nových zdrojov energie. V tejto súvislosti upútali pozornosť vedcov termonukleárne reakcie.

• Termonukleárna reakcia je fúzna reakcia ľahkých jadier (ako je vodík, hélium atď.), ktorá prebieha pri teplotách od desiatok do stoviek miliónov stupňov.

Vytvorenie vysokej teploty je nevyhnutné na to, aby jadrá mali dostatočne veľkú kinetickú energiu – iba za tejto podmienky budú jadrá schopné prekonať sily elektrického odpudzovania a priblížiť sa natoľko, že spadnú do zóny pôsobenia jadrových síl. Pri takýchto malých vzdialenostiach sily jadrovej príťažlivosti výrazne prevyšujú sily elektrického odpudzovania, vďaka čomu je možná syntéza (t. j. fúzia, asociácia) jadier.

V § 58 sa na príklade uránu ukázalo, že pri štiepení ťažkých jadier sa môže uvoľniť energia. V prípade ľahkých jadier sa energia môže uvoľniť pri spätnom procese – pri ich fúzii. Navyše reakcia fúzie ľahkých jadier je energeticky priaznivejšia ako reakcia štiepenia ťažkých jadier (ak porovnáme uvoľnenú energiu na nukleón).

Príkladom termonukleárnej reakcie je fúzia izotopov vodíka (deutérium a trícium), čo vedie k tvorbe hélia a emisii neutrónu:

Ide o prvú termonukleárnu reakciu, ktorú sa vedcom podarilo uskutočniť. Bol implementovaný v termonukleárnej bombe a mal nekontrolovateľný (výbušný) charakter.

Ako už bolo uvedené, termonukleárne reakcie sa môžu vyskytnúť pri uvoľnení veľkého množstva energie. Aby sa však táto energia mohla využiť na mierové účely, je potrebné naučiť sa vykonávať riadené termonukleárne reakcie. Jednou z hlavných ťažkostí pri uskutočňovaní takýchto reakcií je zadržiavanie vysokoteplotnej plazmy (takmer úplne ionizovaného plynu) vo vnútri zariadenia, v ktorom dochádza k jadrovej fúzii. Plazma by sa nemala dostať do kontaktu so stenami inštalácie, v ktorej sa nachádza, inak sa steny premenia na paru. V súčasnosti sa používajú veľmi silné magnetické polia na obmedzenie plazmy v uzavretom priestore v primeranej vzdialenosti od stien.

Termonukleárne reakcie zohrávajú dôležitú úlohu vo vývoji vesmíru, najmä pri premene chemických látok v ňom.

Vďaka termonukleárnym reakciám prebiehajúcim v hlbinách Slnka sa uvoľňuje energia, ktorá dáva život obyvateľom Zeme.

Naše Slnko vyžaruje svetlo a teplo do vesmíru už takmer 4,6 miliardy rokov. Prirodzene, vedci sa vždy zaujímali o otázku, čo je „palivo“, vďaka ktorému Slnko produkuje obrovské množstvo energie tak dlho.

V tejto veci existovali rôzne hypotézy. Jedným z nich bolo, že energia na Slnku sa uvoľňuje v dôsledku chemickej spaľovacej reakcie. Ale v tomto prípade, ako ukazujú výpočty, Slnko mohlo existovať len niekoľko tisíc rokov, čo je v rozpore s realitou.

Pôvodná hypotéza bola vyslovená v polovici 19. storočia. Bolo to tak, že k zvýšeniu vnútornej energie a zodpovedajúcemu zvýšeniu teploty Slnka dochádza v dôsledku poklesu jeho potenciálnej energie počas gravitačnej kompresie. Ukázalo sa to tiež ako neudržateľné, keďže v tomto prípade sa životnosť Slnka zvyšuje na milióny rokov, ale nie na miliardy.

Predpoklad, že k uvoľňovaniu energie na Slnku dochádza v dôsledku termonukleárnych reakcií, ktoré na ňom prebiehajú, vyslovil v roku 1939 americký fyzik Hans Bethe.

Navrhli aj tzv vodíkový cyklus t.j. reťazec troch termonukleárnych reakcií vedúcich k tvorbe hélia z vodíka:

kde je častica nazývaná „neutríno“, čo v taliančine znamená „malý neutrón“.

Aby sa vytvorili dve jadrá potrebné na tretiu reakciu, prvé dve sa musia vyskytnúť dvakrát.

Už viete, že v súlade so vzorcom E = mс 2, keď klesá vnútorná energia telesa, znižuje sa aj jeho hmotnosť.

Aby sme si predstavili obrovské množstvo energie, ktorú Slnko stráca v dôsledku premeny vodíka na hélium, stačí vedieť, že hmotnosť Slnka klesá každú sekundu o niekoľko miliónov ton. No napriek stratám by zásoby vodíka na Slnku mali vydržať ešte 5-6 miliárd rokov.

K rovnakým reakciám dochádza aj vo vnútri iných hviezd, ktorých hmotnosť a vek sú porovnateľné s hmotnosťou a vekom Slnka.

Otázky

1. Aká reakcia sa nazýva termonukleárna? Uveďte príklad reakcie.
2. Prečo sú termonukleárne reakcie možné len pri veľmi vysokých teplotách?
3. Ktorá reakcia je energeticky priaznivejšia (na nukleón): fúzia ľahkých jadier alebo štiepenie ťažkých?
4. Čo je jednou z hlavných ťažkostí pri uskutočňovaní termonukleárnych reakcií?
5. Aká je úloha termonukleárnych reakcií v existencii života na Zemi?
6. Aký je zdroj slnečnej energie podľa moderných predstáv?
7. Ako dlho by podľa výpočtov vedcov mala trvať zásoba vodíka na Slnku?

Toto je zaujímavé...

Elementárne častice. Antičastice

Častice, ktoré tvoria atómy rôznych látok – elektrónu, protónu a neutrónu – sa nazývajú elementárne. Slovo „elementárne“ naznačovalo, že tieto častice sú primárne, najjednoduchšie, ďalej nedeliteľné a nemenné. Čoskoro sa ale ukázalo, že tieto častice vôbec nie sú nemenné. Všetci majú schopnosť transformovať sa do seba pri interakcii.

Preto sa v modernej fyzike pojem „elementárne častice“ zvyčajne nepoužíva v jeho presnom význame, ale na pomenovanie veľkej skupiny najmenších častíc hmoty, ktoré nie sú atómami alebo atómovými jadrami (výnimkou je protón, ktorý je jadrom). atómu vodíka a zároveň patrí medzi elementárne častice).

V súčasnosti je známych viac ako 350 rôznych elementárnych častíc. Tieto častice sú svojimi vlastnosťami veľmi rôznorodé. Môžu sa od seba líšiť hmotnosťou, znamienkom a veľkosťou elektrického náboja, životnosťou (t.j. časom od okamihu, keď sa častica vytvorí až do okamihu, keď sa premení na inú časticu), schopnosťou prieniku (t.j. schopnosťou prejsť cez hmotu) a ďalšie charakteristiky. Napríklad väčšina častíc má „krátku životnosť“ - žijú nie viac ako dve milióntiny sekundy, zatiaľ čo priemerná životnosť neutrónu mimo atómového jadra je 15 minút.

Najdôležitejší objav v oblasti výskumu elementárnych častíc sa podaril v roku 1932, keď americký fyzik Carl David Anderson objavil stopu neznámej častice v oblačnej komore umiestnenej v magnetickom poli. Na základe povahy tejto stopy (polomer zakrivenia, smer ohybu atď.) vedci určili, že ju zanechala častica, ktorá je ako elektrón s kladným elektrickým nábojom. Táto častica sa nazývala pozitrón.

Zaujímavosťou je, že rok pred experimentálnym objavom pozitrónu jeho existenciu teoreticky predpovedal anglický fyzik Paul Dirac (existencia práve takejto častice vyplývala z rovnice, ktorú odvodil). Okrem toho Dirac predpovedal takzvané procesy anihilácie (zmiznutia) a zrodenie elektrón-pozitrónového páru. Anihilácia spočíva v tom, že elektrón a pozitrón po stretnutí zmiznú a premenia sa na γ-kvantá (fotóny). A keď sa γ-kvantum zrazí s akýmkoľvek masívnym jadrom, zrodí sa pár elektrón-pozitrón.

Oba tieto procesy boli prvýkrát experimentálne pozorované v roku 1933. Obrázok 166 ukazuje stopy elektrónu a pozitrónu, ktoré vznikli v dôsledku zrážky γ-kvanta s atómom olova pri prechode γ-lúčov cez olovenú dosku. Experiment sa uskutočnil v oblačnej komore umiestnenej v magnetickom poli. Rovnaké zakrivenie stôp označuje rovnakú hmotnosť častíc a zakrivenie v rôznych smeroch naznačuje opačné znaky elektrického náboja.

Ryža. 166. Dráhy elektrón-pozitrónového páru v magnetickom poli

V roku 1955 bola objavená ďalšia antičastica - antiprotón (ktorého existencia tiež vyplývala z Diracovej teórie) a o niečo neskôr - antineutrón. Antineutrón, podobne ako neutrón, nemá elektrický náboj, no nepochybne patrí medzi antičastice, pretože sa podieľa na procese anihilácie a zrodu páru neutrón-antineutrón.

Možnosť získať antičastice viedla vedcov k myšlienke vytvorenia antihmoty. Atómy antihmoty by mali byť postavené týmto spôsobom: v strede atómu je negatívne nabité jadro pozostávajúce z antiprotónov a antineutrónov a pozitróny obiehajú okolo jadra. Vo všeobecnosti je atóm neutrálny. Tento nápad získal aj vynikajúce experimentálne potvrdenie. V roku 1969 získali sovietski fyzici na protónovom urýchľovači v Serpuchove jadrá atómov antihélia.

V súčasnosti boli experimentálne objavené antičastice takmer všetkých známych elementárnych častíc.

Zhrnutie kapitoly. Najdôležitejšie

Nižšie sú uvedené fyzikálne pojmy a javy. Postupnosť prezentácie definícií a formulácií nezodpovedá postupnosti pojmov atď.

Názvy pojmov si preneste do zošita a do hranatých zátvoriek zadajte poradové číslo definície (znenia) zodpovedajúcej tomuto pojmu.

• Rádioaktivita;
• jadrový (planetárny) model štruktúry atómu;
• atómové jadro;
• rádioaktívne premeny atómových jadier;
• experimentálne metódy na štúdium častíc v atómovej a jadrovej fyzike;
• jadrové sily;
• jadrová väzbová energia;
• hmotnostný defekt atómového jadra;
• reťazová reakcia ;
• nukleárny reaktor ;
• environmentálne a sociálne problémy vyplývajúce z používania jadrových elektrární;
• absorbovaná dávka žiarenia.

1. Registrácia častíc pomocou Geigerovho počítača, štúdium a fotografovanie stôp častíc (vrátane tých, ktoré sa podieľajú na jadrových reakciách) v oblačnej komore a bublinovej komore.
2. Príťažlivé sily pôsobiace medzi nukleónmi v jadrách atómov a výrazne prevyšujúce sily elektrostatického odpudzovania medzi protónmi.
3. Minimálna energia potrebná na rozdelenie jadra na jednotlivé nukleóny.
4. Spontánna emisia rádioaktívnych lúčov atómami určitých prvkov.
5. Zariadenie určené na vykonávanie riadenej jadrovej reakcie.
6. Pozostáva z nukleónov (t.j. protónov a neutrónov).
7. Rádioaktívny odpad, možnosť nehôd, podpora šírenia jadrových zbraní.
8. Atóm pozostáva z kladne nabitého jadra umiestneného v jeho strede, okolo ktorého obiehajú elektróny vo vzdialenosti podstatne väčšej ako je veľkosť jadra.
9. Transformácia jedného chemického prvku na iný prostredníctvom α- alebo β-rozpadu, v dôsledku čoho dochádza k zmenám v jadre pôvodného atómu.
10. Rozdiel medzi súčtom hmotností nukleónov tvoriacich jadro a hmotnosťou tohto jadra.
11. Samostatne fungujúca štiepna reakcia ťažkých jadier, pri ktorej neustále vznikajú neutróny, čím sa delia stále nové a nové jadrá.
12. Energia ionizujúceho žiarenia absorbovaná emitovanou látkou (najmä telesnými tkanivami) a vypočítaná na jednotku hmotnosti.

skontrolujte sa

Štruktúra a vlastnosti častíc a atómových jadier sa skúmajú asi sto rokov pri rozpadoch a reakciách.
Rozpady predstavujú spontánnu premenu akéhokoľvek objektu fyziky mikrosveta (jadra alebo častice) na niekoľko produktov rozpadu:

Rozpady aj reakcie podliehajú niekoľkým zákonom zachovania, medzi ktorými treba spomenúť predovšetkým tieto zákony:

V budúcnosti sa bude diskutovať o ďalších zákonoch ochrany pôsobiacich v rozpadoch a reakciách. Vyššie uvedené zákony sú najdôležitejšie a čo je obzvlášť dôležité, sa vykonávajú vo všetkých typoch interakcií.(Je možné, že zákon zachovania baryónového náboja nemá takú univerzálnosť ako zákony zachovania 1-4, ale jeho porušenie ešte nebolo zistené).
Procesy interakcií medzi objektmi mikrosveta, ktoré sa odrážajú v rozpadoch a reakciách, majú pravdepodobnostné charakteristiky.

Rozpadajú sa

Spontánny rozpad akéhokoľvek objektu fyziky mikrosveta (jadra alebo častice) je možný, ak je zvyšková hmotnosť produktov rozpadu menšia ako hmotnosť primárnej častice.

Charakteristické sú rozpady pravdepodobnosti rozpadu alebo inverzná pravdepodobnosť priemerná doba života τ = (1/A). Často sa používa aj množstvo spojené s týmito charakteristikami polovičný život T 1/2.
Príklady spontánnych rozpadov

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

n → p + e − + e; μ + → e + + μ + ν e;

(2.5)

V rozpadoch (2.4) sú v konečnom stave dve častice. V rozpadoch (2,5) sú tri.
Získame rovnicu rozpadu pre častice (alebo jadrá). Pokles počtu častíc (alebo jadier) za časový interval je úmerný tomuto intervalu, počtu častíc (jadier) v danom čase a pravdepodobnosti rozpadu:

Integrácia (2.6) pri zohľadnení počiatočných podmienok dáva vzťah medzi počtom častíc v čase t a počtom tých istých častíc v počiatočnom čase t = 0:

Polčas rozpadu je čas, počas ktorého sa počet častíc (alebo jadier) zníži o polovicu:

Spontánny rozpad akéhokoľvek objektu fyziky mikrosveta (jadra alebo častice) je možný, ak hmotnosť produktov rozpadu je menšia ako hmotnosť primárnej častice. Rozpady na dva produkty a na tri alebo viac sa vyznačujú rôznymi energetickými spektrami produktov rozpadu. V prípade rozpadu na dve častice sú spektrá produktov rozpadu diskrétne. Ak sú v konečnom stave viac ako dve častice, spektrá produktov sú spojité.

Rozdiel v hmotnostiach primárnej častice a produktov rozpadu je rozdelený medzi produkty rozpadu vo forme ich kinetických energií.
Zákony zachovania energie a hybnosti pre rozpad by mali byť zapísané v súradnicovom systéme spojenom s rozpadajúcou sa časticou (alebo jadrom). Pre zjednodušenie vzorcov je vhodné použiť systém jednotiek = c = 1, v ktorom energia, hmotnosť a hybnosť majú rovnaký rozmer (MeV). Zákony ochrany pre tento úpadok:

Odtiaľ získavame kinetické energie produktov rozpadu

Teda v prípade dvoch častíc v konečnom stave určujú sa kinetické energie produktov určite. Tento výsledok nezávisí od toho, či produkty rozpadu majú relativistické alebo nerelativistické rýchlosti. Pre relativistický prípad vyzerajú vzorce pre kinetické energie o niečo zložitejšie ako (2.10), ale riešenie rovníc pre energiu a hybnosť dvoch častíc je opäť jedinečné. Znamená to, že v prípade rozpadu na dve častice sú spektrá produktov rozpadu diskrétne.
Ak v konečnom stave vzniknú tri (a viac) produktov, riešenie rovníc pre zákony zachovania energie a hybnosti nevedie k jednoznačnému výsledku. Kedy, ak sú v konečnom stave viac ako dve častice, spektrá produktov sú spojité.(V nasledujúcom texte na príklade -rozpadov sa táto situácia podrobne zváži.)
Pri výpočte kinetických energií produktov rozpadu jadra je vhodné využiť skutočnosť, že počet nukleónov A je zachovaný. (Toto je prejav zákon zachovania baryónového náboja , pretože baryónové náboje všetkých nukleónov sú rovnaké 1).
Aplikujme získané vzorce (2.11) na -rozpad 226 Ra (prvý rozpad v (2.4)).

Hmotnostný rozdiel medzi rádiom a produktmi jeho rozpadu
AM = M(226Ra) - M(222Rn) - M(4He) = Δ(226Ra) - Δ(222Rn) - Δ(4He) = (23,662 - 16,367 - 2,424) MeV = 4,87 MeV. (Tu sme použili tabuľky nadbytočných hmotností neutrálnych atómov a vzťah M = A + pre hmotnosti atď. prebytočné masy Δ)
Kinetické energie jadier hélia a radónu vyplývajúce z rozpadu alfa sa rovnajú:

,
.

Celková kinetická energia uvoľnená v dôsledku rozpadu alfa je menšia ako 5 MeV a predstavuje asi 0,5 % pokojovej hmotnosti nukleónu. Pomer kinetickej energie uvoľnenej v dôsledku rozpadu a zvyšných energií častíc alebo jadier - kritérium prípustnosti použitia nerelativistickej aproximácie. V prípade alfa rozpadov jadier nám malá kinetická energia v porovnaní s pokojovými energiami umožňuje obmedziť sa na nerelativistickú aproximáciu vo vzorcoch (2.9-2.11).

Problém 2.3. Vypočítajte energie častíc produkovaných pri rozpade mezónov

Rozpad mezónu π + nastáva na dve častice: π + μ + + ν μ. Hmotnosť mezónu π + je 139,6 MeV, hmotnosť miónu μ je 105,7 MeV. Presná hodnota hmotnosti miónového neutrína ν μ zatiaľ nie je známa, ale zistilo sa, že nepresahuje 0,15 MeV. V približnom výpočte ju môžeme nastaviť na 0, pretože je o niekoľko rádov nižšia ako rozdiel medzi hmotnosťou piónu a miónu. Keďže rozdiel medzi hmotnosťami mezónu π + a produktov jeho rozpadu je 33,8 MeV, pre neutrína je potrebné použiť relativistické vzorce na vzťah medzi energiou a hybnosťou. V ďalších výpočtoch možno nízku hmotnosť neutrína zanedbať a neutríno považovať za ultrarelativistickú časticu. Zákony zachovania energie a hybnosti pri rozpade mezónu π +:

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

E ν = p ν

Príkladom rozpadu dvoch častíc je aj emisia -kvanta pri prechode excitovaného jadra na nižšiu energetickú hladinu.
Vo všetkých vyššie analyzovaných rozpadoch dvoch častíc majú produkty rozpadu „presnú“ energetickú hodnotu, t.j. diskrétne spektrum. Hlbšia úvaha o tomto probléme to však ukazuje spektrum dokonca produktov rozpadu dvoch častíc nie je funkciou energie.

.

Spektrum produktov rozpadu má konečnú šírku Γ, ktorá je tým väčšia, čím kratšia je životnosť rozpadajúceho sa jadra alebo častice.

(Tento vzťah je jednou z formulácií vzťahu neurčitosti pre energiu a čas).
Príklady rozpadov troch telies sú -rozpady.
Neutrón sa rozpadá, mení sa na protón a dva leptóny - elektrón a antineutríno: np + e - + e.
Beta rozpady zažívajú aj samotné leptóny, napríklad mión (priemerná životnosť miónu
τ = 2,2 ·10 –6 s):

.

Zákony zachovania miónového rozpadu pri maximálnej hybnosti elektrónov:
Pre maximálnu kinetickú energiu miónového rozpadového elektrónu získame rovnicu

Kinetická energia elektrónu je v tomto prípade o dva rády vyššia ako jeho pokojová hmotnosť (0,511 MeV). Hybnosť relativistického elektrónu sa skutočne zhoduje s jeho kinetickou energiou

p = (T2 + 2mT) 1/2 = )