Väčšina atómových jadier je nestabilná. Skôr či neskôr spontánne (alebo, ako hovoria fyzici, spontánne) sa rozpadajú na menšie jadrá a elementárne častice, ktoré sa bežne nazývajú produkty rozkladu alebo detské prvky. Rozpadajúce sa častice sú tzv východiskové suroviny alebo rodičov. Všetky chemikálie, ktoré poznáme (železo, kyslík, vápnik atď.), majú aspoň jeden stabilný izotop. ( izotopy sa nazývajú odrody chemického prvku s rovnakým počtom protónov v jadre - tento počet protónov zodpovedá poradovému číslu prvku - ale iný počet neutrónov.) To, že tieto látky sú nám dobre známe, svedčí o ich stabilite - to znamená, že žijú dostatočne dlho na to, aby sa mohli akumulovať vo významných množstvách v prírodných podmienkach bez toho, aby sa rozpadli na zložky. Ale každý z prírodných prvkov má aj nestabilné izotopy – ich jadrá možno získať v procese jadrových reakcií, no nežijú dlho, pretože sa rýchlo rozpadajú.

Rozpad jadier rádioaktívnych prvkov alebo izotopov môže prebiehať tromi hlavnými spôsobmi a zodpovedajúce reakcie jadrového rozpadu sú pomenované prvými tromi písmenami gréckej abecedy. O alfa rozpad uvoľní sa atóm hélia pozostávajúci z dvoch protónov a dvoch neutrónov – bežne sa nazýva alfa častica. Pretože rozpad alfa znamená zníženie počtu kladne nabitých protónov v atóme o dva, jadro, ktoré emitovalo časticu alfa, sa v periodickom systéme Mendelejeva zmení na jadro prvku o dve pozície pod ním. O beta rozpad jadro vyžaruje elektrón a prvok sa posunie o jednu polohu dopredu podľa periodickej tabuľky (v tomto prípade sa v podstate neutrón mení na protón žiarením práve tohto elektrónu). nakoniec gama rozpad - Toto rozpad jadier s emisiou vysokoenergetických fotónov, ktoré sa bežne nazývajú gama lúče. V tomto prípade jadro stráca energiu, ale chemický prvok sa nemení.

Samotná skutočnosť nestability jedného alebo druhého izotopu chemického prvku však vôbec neznamená, že po spojení určitého počtu jadier tohto izotopu získate obraz o ich súčasnom rozpade. V skutočnosti rozpad jadra rádioaktívneho prvku trochu pripomína proces vyprážania kukurice pri výrobe pukancov: zrná (nukleóny) odpadávajú z „klasu“ (jadra) jedno po druhom v úplne nepredvídateľnom poradí. , kým všetky neodpadnú. Zákon popisujúci reakciu rádioaktívneho rozpadu v skutočnosti iba uvádza túto skutočnosť: rádioaktívne jadro vyžaruje počas pevne stanoveného časového obdobia počet nukleónov úmerný počtu nukleónov zostávajúcich v jeho zložení. To znamená, že čím viac zŕn-nukleónov ešte zostane v „nedostatočne tepelne upravenom“ jadre klasu, tým viac sa ich uvoľní počas pevného časového intervalu „vyprážania“. Keď túto metaforu preložíme do jazyka matematických vzorcov, dostaneme rovnicu opisujúcu rádioaktívny rozpad:

d N = λN d t

kde d N- počet nukleónov emitovaných jadrom s celkovým počtom nukleónov N v čase d t, A λ - experimentálne stanovený konštanta rádioaktivity skúmanú látku. Vyššie uvedený empirický vzorec je lineárna diferenciálna rovnica, ktorej riešením je nasledujúca funkcia, ktorá popisuje počet nukleónov zostávajúcich v jadre v danom čase t:

N = N 0e- λt

Kde N 0 je počet nukleónov v jadre v počiatočnom okamihu pozorovania.

Konštanta rádioaktivity teda určuje, ako rýchlo sa jadro rozpadne. Experimentálni fyzici však väčšinou merajú nie to, ale tzv polovičný život jadro (čiže obdobie, počas ktorého skúmané jadro vyžaruje polovicu nukleónov v ňom obsiahnutých). Pre rôzne izotopy rôznych rádioaktívnych látok sa polčas rozpadu mení (v úplnom súlade s teoretickými predpoveďami) od miliardtín sekundy až po miliardy rokov. To znamená, že niektoré jadrá žijú takmer večne a niektoré sa rozpadajú doslova okamžite (tu je dôležité si uvedomiť, že po polčase rozpadu zostáva polovica celkovej hmotnosti pôvodnej látky, po dvoch polčasoch rozpadu štvrtina jej hmotnosti , po troch polčasoch rozpadu - jedna osmina atď. d.).

Čo sa týka výskytu rádioaktívnych prvkov, tie sa rodia rôznymi spôsobmi. Najmä ionosféra (horná riedka vrstva atmosféry) Zeme je neustále bombardovaná kozmickým žiarením, ktoré pozostáva z častíc s vysokými energiami ( cm. elementárne častice). Pod ich vplyvom sa atómy s dlhou životnosťou štiepia na nestabilné izotopy: najmä zo stabilného dusíka-14 v zemskej atmosfére neustále vzniká nestabilný izotop uhlíka-14 so 6 protónmi a 8 neutrónmi v jadre ( cm. rádiometrické datovanie).

Ale vyššie uvedený prípad je dosť exotický. Oveľa častejšie vznikajú rádioaktívne prvky v reakčné reťazce jadrové štiepenie . Toto je názov pre sériu udalostí, počas ktorých sa pôvodné („materské“) jadro rozpadne na dve „dcérske“ (tiež rádioaktívne), z ktorých sa následne vytvoria štyri „vnučkové“ jadrá atď. Proces pokračuje dovtedy kým sa nezískajú stabilné izotopy. Ako príklad si zoberme izotop uránu-238 (92 protónov + 146 neutrónov) s polčasom rozpadu približne 4,5 miliardy rokov. Toto obdobie sa, mimochodom, približne rovná veku našej planéty, čo znamená, že asi polovica uránu-238 zo zloženia primárnej hmoty vzniku Zeme je ešte v súhrne prvkov zemskej prírody. Urán-238 sa mení na tórium-234 (90 protónov + 144 neutrónov), ktorého polčas rozpadu je 24 dní. Tórium-234 sa mení na paládium-234 (91 protónov + 143 neutrónov) s polčasom rozpadu 6 hodín - atď.. Po viac ako desiatich štádiách rozpadu sa konečne získa stabilný izotop olova-206.

O rádioaktívnom rozpade sa dá povedať veľa, ale je potrebné zdôrazniť niekoľko bodov. Po prvé, aj keď ako východiskový materiál vezmeme čistú vzorku jedného rádioaktívneho izotopu, rozpadne sa na rôzne zložky a čoskoro nevyhnutne získame celú „kyticu“ rôznych rádioaktívnych látok s rôznymi jadrovými hmotnosťami. Po druhé, prirodzené reťazce reakcií atómového rozpadu nás uisťujú v tom zmysle, že rádioaktivita je prirodzený jav, existovala dávno pred človekom a netreba brať hriech na dušu a obviňovať len ľudskú civilizáciu z radiačného pozadia. na Zemi. Urán-238 existuje na Zemi od jej vzniku, rozkladá sa, rozkladá – a rozkladá sa a jadrové elektrárne tento proces urýchľujú v skutočnosti o zlomok percenta; aby na vás a na mňa nemali nijaký zvlášť škodlivý vplyv, okrem toho, čo poskytuje príroda.

Napokon nevyhnutnosť rádioaktívneho atómového rozpadu predstavuje pre ľudstvo potenciálne výzvy a príležitosti. Najmä v reťazci reakcií rozpadu jadier uránu-238 vzniká radón-222 - vzácny plyn bez farby, vône a chuti, ktorý nevstupuje do žiadnych chemických reakcií, pretože nie je schopný tvoriť chemické látky. dlhopisov. Toto inertný plyn, a doslova vyteká z útrob našej planéty. Zvyčajne na nás nemá žiadny vplyv – jednoducho sa rozpustí vo vzduchu a v malej koncentrácii tam zostane, kým sa nerozpadne na ešte ľahšie prvky. Ak sa však tento neškodný radón zdržiava v nevetranej miestnosti dlhší čas, tak sa tam časom začnú hromadiť produkty jeho rozpadu – a tie sú škodlivé pre ľudské zdravie (pri vdýchnutí). Takto dostaneme takzvaný „radónový problém“.

Na druhej strane, rádioaktívne vlastnosti chemických prvkov prinášajú ľuďom značné výhody, ak sa k nim pristupuje rozumne. Na získanie rádiografického obrazu zlomenín kostí sa teraz vstrekuje najmä rádioaktívny fosfor. Stupeň jeho rádioaktivity je minimálny a nepoškodzuje zdravie pacienta. Vstup do kostného tkaniva tela spolu s obyčajným fosforom vyžaruje dostatok lúčov na to, aby ich zafixoval na fotosenzitívne zariadenie a urobil snímky zlomenej kosti doslova zvnútra. Chirurgovia preto dostávajú príležitosť operovať zložitú zlomeninu nie slepo a náhodne, ale predtým, ako z takýchto obrázkov študovali štruktúru zlomeniny. Vo všeobecnosti aplikácie rádiografiu vo vede, technike a medicíne je nespočetné množstvo. A všetky fungujú na rovnakom princípe: chemické vlastnosti atómu (v skutočnosti vlastnosti vonkajšieho elektrónového obalu) umožňujú priradiť látku ku konkrétnej chemickej skupine; potom sa pomocou chemických vlastností tejto látky atóm dopraví „na správne miesto“, a potom sa s využitím vlastnosti jadier tohto prvku rozpadne v prísnom súlade s „plánom“ stanoveným fyzikálnymi zákonmi, produkty rozpadu sa zaznamenávajú.

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

Rozpady aj reakcie podliehajú sérii zákonov zachovania, medzi ktorými treba spomenúť predovšetkým tieto zákony:

V nasledujúcom texte sa budú diskutovať o ďalších zákonoch ochrany pôsobiacich v rozpadoch a reakciách. Vyššie uvedené zákony sú najdôležitejšie a čo je najdôležitejšie, vykonávané vo všetkých typoch interakcií.(Je možné, že zákon zachovania baryónového náboja nie je taký univerzálny ako zákony zachovania 1-4, ale zatiaľ nebolo zistené žiadne jeho porušenie).
Procesy interakcií objektov 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 recipročná pravdepodobnosť priemerná doba života τ = (1/A). Často sa používa aj hodnota spojená 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), berúc do úvahy počiatočné podmienky, dáva vzťah medzi počtom častíc v čase t a počtom tých istých častíc v počiatočnom čase t = 0:

Polčas rozpadu je čas, za ktorý sa počet častíc (alebo jadier) zníži na 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 medzi hmotnosťou 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:

Získame teda kinetické energie produktov rozpadu

Teda v prípade dvoch častíc v konečnom stave určujú sa kinetické energie produktov jasne. Tento výsledok nezávisí od toho, či relativistické alebo nerelativistické rýchlosti majú produkty rozpadu. 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 jediné. Znamená to, že v prípade rozpadu na dve častice sú spektrá produktov rozpadu diskrétne.
Ak sa v konečnom stave objavia tri (alebo 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 bude táto situácia podrobne zvážená na príklade -rozpadov.)
Pri výpočte kinetických energií produktov rozpadu jadier je vhodné využiť skutočnosť, že počet nukleónov A je zachovaný. (Toto je prejav zákon zachovania baryónového náboja pretože baryónové náboje všetkých nukleónov sú rovné 1).
Aplikujme získané vzorce (2.11) na -rozpad 226 Ra (prvý rozpad v (2.4)).

Rozdiel medzi hmotnosťou rádia 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 pomer M = A + pre hmotnosti a tzv. prebytočné hmoty 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 aplikácie nerelativistickej aproximácie. V prípade alfa rozpadov jadier malá kinetická energia v porovnaní s pokojovými energiami umožňuje obmedziť sa na nerelativistickú aproximáciu vo vzorcoch (2.9-2.11).

Úloha 2.3. Vypočítajte energie častíc produkovaných pri rozpade mezónu

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

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 najnižšiu energetickú hladinu.
Vo všetkých vyššie analyzovaných rozpadoch dvoch častíc majú produkty rozpadu "presnú" energetickú hodnotu, t.j. diskrétne spektrum. Bližšie skúmanie tohto problému to však ukazuje spektrum aj produktov dvojčasticových rozpadov nie je funkciou energie.

.

Spektrum produktov rozpadu má konečnú šírku Г, 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 miónov
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 = )