Альфа та бета-випромінювання у загальному випадку називаються радіоактивними розпадами. Це процес, що є випромінювання з ядра, що відбувається з величезною швидкістю. В результаті атом або його ізотоп може перетворитися з одного хімічного елемента на інший. Альфа та бета-розпади ядер характерні для нестабільних елементів. До них відносяться всі атоми із зарядовим числом більше 83 і масовим числом, що перевищує 209.

Умови виникнення реакції

Розпад, подібно до інших радіоактивних перетворень, буває природним і штучним. Останній відбувається через попадання в ядро ​​будь-якої сторонньої частки. Скільки альфа і бета-розпаду здатний зазнати атома - залежить лише від того, коли буде досягнуто стабільний стан.

За природних обставин зустрічається альфа та бета-мінус розпаду.

За штучних умов є нейтронний, позитронний, протонний та інші, більш рідкісні різновиди розпадів і перетворень ядер.

Дані назви дав вивчення радіоактивного випромінювання.

Відмінність між стабільним та нестабільним ядром

Здатність до розпаду залежить від стану атома. Так зване "стабільне" або нерадіоактивне ядро ​​властиво атомам, що не розпадаються. Теоретично спостереження такими елементами можна вести до нескінченності, щоб остаточно переконатися у тому стабільності. Потрібно це для того, щоб відокремити такі ядра від нестабільних, які мають надто довгий період напіврозпаду.

По помилці такий "уповільнений" атом можна вважати стабільним. Однак яскравим прикладом може стати телур, а конкретніше його ізотоп з номером 128, що має в 2,2 · 10 24 років. Цей випадок непоодинокий. Лантан-138 схильний до напіврозпаду, термін якого становить 10 11 років. Цей термін у тридцять разів перевищує вік існуючого всесвіту.

Суть радіоактивного розпаду

Цей процес відбувається довільно. Кожен радіонуклід, що розпадається, набуває швидкості, що є константою для кожного випадку. Швидкість розпаду не може змінитись під впливом зовнішніх факторів. Неважливо, відбуватиметься реакція під впливом величезної гравітаційної сили, при абсолютному нулі, в електричному та магнітному полі, під час будь-якої хімічної реакції та інше. Вплинути на процес можна лише прямим впливом на нутро атомного ядра, що практично неможливо. Реакція спонтанна і залежить лише від атома, в якому протікає, та його внутрішнього стану.

При згадці про радіоактивні розпади часто зустрічається термін "радіонуклід". Тим, хто не знайомий з ним, слід знати, що це слово означає групу атомів, які мають радіоактивні властивості, власне масове число, атомний номер та енергетичний статус.

Різні радіонукліди застосовуються у технічних, наукових та інших сферах життєдіяльності людини. Наприклад, у медицині ці елементи застосовуються при діагностуванні захворювань, обробці ліків, інструментів та інших предметів. Є навіть низка лікувальних та прогностичних радіопрепаратів.

Не менш важливим є визначення ізотопу. Цим словом називають особливий різновид атомів. Вони мають однаковий атомний номер, як у звичайного елемента, але відмінне масове число. Викликана ця відмінність кількістю нейтронів, які не впливають на заряд, як протони та електрони, але змінюють масу. Наприклад, у простого водню їх є цілих 3. Це єдиний елемент, ізотопам якого було присвоєно назви: дейтерій, тритій (єдиний радіоактивний) і протий. В інших випадках імена даються відповідно до атомних мас і основного елементу.

Альфа-розпад

Це вид радіоактивної реакції. Характерний для природних елементів із шостого та сьомого періоду таблиці хімічних елементів Менделєєва. Особливо для штучних чи трансуранових елементів.

Елементи, схильні до альфа-розпаду

До металів, для яких характерний даний розпад, відносять торій, уран та інші елементи шостого та сьомого періоду з періодичної таблиці хімічних елементів, рахуючи від вісмуту. Також процесу піддаються ізотопи у складі важких елементів.

Що відбувається під час реакції?

При альфа-розпаді починається випромінювання з ядра частинок, що складаються з 2 протонів та пари нейтронів. Сама частка, що виділяється, є ядром атома гелію, з масою 4 одиниці і зарядом +2.

У результаті з'являється новий елемент, який розташований на дві клітини ліворуч від вихідного в періодичній таблиці. Таке розташування залежить від того, що вихідний атом втратив 2 протона разом із цим - початковий заряд. Через війну маса виниклого ізотопу на 4 масові одиниці зменшується проти початковим станом.

Приклади

Під час такого розпаду з урану утворюється торій. З торію з'являється радій, з нього – радон, який у результаті дає полоній, і наприкінці – свинець. При цьому в процесі з'являються ізотопи цих елементів, а не вони самі. Так, виходить уран-238, торій-234, радій-230, радон-236 і далі, аж до стабільного елемента. Формула такої реакції виглядає так:

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

Швидкість виділеної альфа-частинки у момент випромінювання становить від 12 до 20 тис. км/сек. Перебуваючи у вакуумі, така частка обійшла б земну кулю за 2 секунди, рухаючись по екватору.

Бета-розпад

Відмінність цієї частки від електрона – у місці появи. Розпад бета виникає в ядрі атома, а не електронної оболонки, що оточує його. Найчастіше зустрічається із усіх існуючих радіоактивних перетворень. Його можна спостерігати практично у всіх існуючих нині хімічних елементів. З цього випливає, що у кожного елемента є хоча б один схильний до розпаду ізотоп. У більшості випадків в результаті бета-розпаду відбувається бета-мінус розкладання.

Перебіг реакції

При цьому процесі відбувається викидання з ядра електрона, що виник через мимовільне перетворення нейтрона в електрон і протон. У цьому протони з допомогою більшої маси залишаються у ядрі, а електрон, званий бета-мінус часткою, залишає атом. І оскільки протонів побільшало на одиницю, ядро ​​самого елемента змінюється у більшу сторону і розташовується праворуч від вихідного в періодичній таблиці.

Приклади

Розпад бета з калієм-40 перетворює його на ізотоп кальцію, який розташований праворуч. Радіоактивний кальцій-47 стає скандією-47, який може перетворитися на стабільний титан-47. Який вигляд має такий бета-розпад? Формула:

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

Швидкість вильоту бета-частинки становить 0,9 від швидкості світла, що дорівнює 270 тис. км/сек.

У природі бета-активних нуклідів не надто багато. Значних із них досить мало. Прикладом може бути калій-40, якого в природній суміші міститься лише 119/10000. Також природними бета-мінус-активними радіонуклідами з-поміж значущих є продукти альфа і бета-розпад урану і торію.

Розпад бета має типовий приклад: торій-234, який при альфа-розпаді перетворюється на протактиній-234, а потім таким же чином стає ураном, але іншим його ізотопом під номером 234. Цей уран-234 знову через альфа-розпад стає торієм , але вже інший його різновид. Потім цей торій-230 стає радієм-226, який перетворюється на радон. І в тій самій послідовності, аж до талію, лише з різними бета-переходами назад. Закінчується цей радіоактивний бета-розпад виникненням стабільного свинцю-206. Це перетворення має таку формулу:

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

Природними та значущими бета-активними радіонуклідами є К-40 та елементи від талію до урану.

Розпад бета-плюс

Також існує бета-плюс перетворення. Воно також називається позитронний бета-розпад. У ньому відбувається випромінювання з ядра частки під назвою позитрон. Результатом стає перетворення вихідного елемента на ліворуч, який має менший номер.

приклад

Коли відбувається електронний розпад бета, магній-23 стає стабільним ізотопом натрію. Радіоактивний європій-150 стає самарієм-150.

Реакція бета-розпаду, що виникла, може створити бета+ і бета-випускання. Швидкість вильоту частинок в обох випадках дорівнює 09 від швидкості світла.

Інші радіоактивні розпади

Крім таких реакцій, як альфа-розпад і бета-розпад, формула яких широко відома, існують інші, більш рідкісні і характерні для штучних радіонуклідів процеси.

Нейтронний розпад. Відбувається випромінювання нейтральної частки 1 одиниці маси. Під час нього один ізотоп перетворюється на інший з меншим масовим числом. Прикладом може стати перетворення літію-9 на літій-8, гелію-5 на гелій-4.

При опроміненні гамма-квантами стабільного ізотопу йоду-127 він стає ізотопом з номером 126 і набуває радіоактивності.

Протонний розпад. Зустрічається вкрай рідко. Під час нього відбувається випромінювання протона, що має заряд +1 та 1 одиницю маси. Атомна вага стає меншою на одне значення.

Будь-яке радіоактивне перетворення, зокрема радіоактивні розпади, супроводжуються виділенням енергії у формі гамма-випромінювання. Його називають гамма-квантами. У деяких випадках спостерігається рентгенівське випромінювання з меншою енергією.

Являє собою потік гамма-квантів. Є електромагнітним випромінюванням, жорсткішим, ніж рентгенівське, яке застосовується в медицині. В результаті з'являються гамма-кванти або потоки енергії з атомного ядра. Рентгенівське випромінювання є електромагнітним, але виникає з електронних оболонок атома.

Пробіг альфа-часток

Альфа-частинки з масою від 4 атомних одиниць та зарядом +2 рухаються прямолінійно. Через це можна говорити про пробіг альфа-часток.

Значення пробігу залежить від початкової енергії та коливається від 3 до 7 (іноді 13) см у повітрі. У щільному середовищі становить соту частку від міліметра. Подібне випромінювання не може пробити аркуш паперу та людську шкіру.

Через власну масу та зарядове число альфа-частка має найбільшу іонізуючу здатність і руйнує все на шляху. У зв'язку з цим альфа-радіонукліди є найбільш небезпечними для людей і тварин при впливі на організм.

Проникаюча здатність бета-часток

У зв'язку з малим масовим числом, яке у 1836 разів менше протона, негативним зарядом і розміром, бета-випромінювання має слабку дію на речовину, через яку пролітає, але до того ж політ довше. Також шлях частинки не прямолінійний. У зв'язку з цим говорять про здатність, що проникає, яка залежить від отриманої енергії.

Проникні здібності у бета-часток, що виникли під час радіоактивного розпаду, у повітрі досягають 2,3 м, у рідинах підрахунок ведеться у сантиметрах, а у твердих тілах – у частках від сантиметра. Тканини організму людини пропускають випромінювання на 1,2 см завглибшки. Для захисту від бета-випромінювання може послужити простий шар води до 10 см. Потік частинок з досить великою енергією розпаду в 10 Мев майже весь поглинається такими шарами: повітря - 4 м; алюміній – 2,2 см; залізо – 7,55 мм; свинець – 5,2 мм.

Враховуючи малі розміри, частинки бета-випромінювання мають малу іонізуючу здатність порівняно з альфа-частинками. Однак при потраплянні всередину вони набагато небезпечніші, ніж під час зовнішнього опромінення.

Найбільші проникні показники серед усіх видів випромінювань нині має нейтронне та гамма. Пробіг цих випромінювань у повітрі іноді досягає десятків і сотень метрів, але з меншими іонізуючими показниками.

Більшість ізотопів гамма-квантів з енергії не перевищують показників 1,3 МеВ. Зрідка досягаються значення 6,7 МеВ. У зв'язку з цим для захисту від такого випромінювання використовуються шари із сталі, бетону та свинцю для кратності ослаблення.

Наприклад, щоб десятикратно послабити гамма-випромінювання кобальту, необхідний свинцевий захист товщиною близько 5 см, для 100-кратного ослаблення потрібно 9,5 см. Бетонний захист становитиме 33 і 55 см, а водний - 70 і 115 см.

Іонізуючі показники нейтронів залежать від їх енергетичних показників.

За будь-якої ситуації найкращим захисним методом від випромінювання стане максимальне віддалення від джерела і якнайменше проведення часу в зоні високої радіації.

Розподіл ядер атомів

Під атомів мається на увазі мимовільне, або під впливом нейтронів, на дві частини, приблизно рівні за розмірами.

Ці дві частини стають радіоактивними ізотопами елементів із основної частини таблиці хімічних елементів. Починаються від міді до лантаноїдів.

Під час виділення виривається пара зайвих нейтронів і виникає надлишок енергії у формі гамма-квантів, який набагато більший, ніж за радіоактивного розпаду. Так, за одного акта радіоактивного розпаду виникає один гамма-квант, а під час акту поділу з'являється 8,10 гамма-квантів. Також осколки, що розлетілися, мають велику кінетичну енергію, що переходить у теплові показники.

Вивільнені нейтрони здатні спровокувати поділ пари аналогічних ядер, якщо вони розташовані поблизу і нейтрони в них потрапили.

У зв'язку з цим виникає ймовірність виникнення розгалужуючої ланцюгової реакції, що прискорюється, поділу атомних ядер і створення великої кількості енергії.

Коли така ланцюгова реакція перебуває під контролем, її можна використовувати з певною метою. Наприклад, для опалення чи електроенергії. Такі процеси проводяться на атомних електростанціях та реакторах.

Якщо втратити контроль над реакцією, то станеться атомний вибух. Подібне застосовується у ядерній зброї.

У природних умовах є тільки один елемент - уран, що має лише один ізотоп, що ділиться з номером 235. Він є збройовим.

У звичайному урановому атомному реакторі з урану-238 під впливом нейтронів утворюють новий ізотоп під номером 239, а з нього плутоній, який є штучним і не зустрічається в природних умовах. При цьому плутоній-239, що виник, застосовується в збройових цілях. Цей процес поділу атомних ядер є суттю всієї атомної зброї та енергетики.

Такі явища, як альфа-розпад та бета-розпад, формула яких вивчається у школі, широко поширені у наш час. Завдяки цим реакціям, існують атомні електростанції та багато інших виробництв, заснованих на ядерній фізиці. Однак не варто забувати про радіоактивність багатьох таких елементів. При роботі з ними потрібен спеціальний захист та дотримання всіх запобіжних заходів. В іншому випадку це може призвести до непоправної катастрофи.

Ви вже знаєте, що в середині XX ст. постала проблема пошуку нових джерел енергії. У зв'язку з цим увагу вчених привернули термоядерні реакції.

• Термоядерною називається реакція злиття легких ядер (таких як водень, гелій та ін.), що відбувається при температурах від десятків до сотень мільйонів градусів

Створення високої температури необхідне для надання ядрам досить великої кінетичної енергії - тільки за умови ядра зможуть подолати сили електричного відштовхування і зблизитися настільки, щоб потрапити до зони дії ядерних сил. На таких малих відстанях сили ядерного тяжіння значно перевершують сили електричного відштовхування, завдяки чому можливий синтез (тобто злиття, об'єднання) ядер.

У § 58 з прикладу урану було показано, що з розподілі важких ядер може виділятися енергія. У разі легких ядр енергія може виділятися при зворотному процесі - при їх синтезі. Причому реакція синтезу легких ядер енергетично вигідніша, ніж реакція поділу важких (якщо порівнювати енергію, що виділилася, припадає на один нуклон).

Прикладом термоядерної реакції може служити злиття ізотопів водню (дейтерію та тритію), внаслідок чого утворюється гелій і випромінюється нейтрон:

Це перша термоядерна реакція, яку вченим удалося здійснити. Вона була реалізована в термоядерній бомбі і мала некерований (вибуховий) характер.

Як було зазначено, термоядерні реакції можуть з виділенням великої кількості енергії. Але для того, щоб цю енергію можна було використовувати в мирних цілях, необхідно навчитися проводити керовані термоядерні реакції. Одна з основних труднощів у здійсненні таких реакцій у тому, щоб утримати всередині установки високотемпературну плазму (майже повністю іонізований газ), у якій відбувається синтез ядер. Плазма не повинна торкатися стінок установки, в якій вона знаходиться, інакше стінки звернуться в пару. В даний час для утримання плазми в обмеженому просторі на відповідній відстані від стін застосовуються дуже сильні магнітні поля.

Термоядерні реакції відіграють важливу роль в еволюції Всесвіту, зокрема у перетвореннях хімічних речовин у ньому.

Завдяки термоядерним реакціям, що протікають у надрах Сонця, виділяється енергія, що дає життя мешканцям Землі.

Наше Сонце випромінює у простір світло та тепло вже майже 4,6 млрд років. Природно, що у всі часи вчених цікавило питання, що є «паливом», рахунок якого Сонце виробляється дуже багато енергії протягом тривалого часу.

Щодо цього існували різні гіпотези. Одна з них полягала в тому, що енергія на Сонці виділяється внаслідок хімічної реакції горіння. Але в цьому випадку, як показують розрахунки, Сонце могло б проіснувати лише кілька тисяч років, що суперечить дійсності.

Оригінальна гіпотеза була висунута в середині ХІХ ст. Вона полягала в тому, що збільшення внутрішньої енергії та відповідне підвищення температури Сонця відбувається за рахунок зменшення його потенційної енергії при гравітаційному стисканні. Вона теж виявилася неспроможною, тому що в цьому випадку термін життя Сонця збільшується до мільйонів років, але не до мільярдів.

Припущення, що виділення енергії на Сонці відбувається в результаті протікання на ньому термоядерних реакцій, було висловлено в 1939 р. американським фізиком Хансом Бете.

Їм же було запропоновано так званий водневий цикл, Т. е. ланцюжок з трьох термоядерних реакцій, що призводить до утворення гелію з водню:

де - частка, звана "нейтрино", що в перекладі з італійської означає "маленький нейтрон".

Щоб вийшли два ядра , необхідні третьої реакції, перші дві повинні відбутися двічі.

Ви вже знаєте, що відповідно до формули Е = mс 2 із зменшенням внутрішньої енергії тіла зменшується та його маса.

Щоб уявити, яка колосальна кількість енергії втрачає Сонце внаслідок перетворення водню на гелій, достатньо знати, що маса Сонця щомиті зменшується на кілька мільйонів тонн. Але, незважаючи на втрати, запасів водню на Сонці має вистачити ще 5-6 мільярдів років.

Такі ж реакції протікають у надрах інших зірок, маса та вік яких можна порівняти з масою та віком Сонця.

Запитання

1. Яка реакція називається термоядерною? Наведіть приклад реакції.
2. Чому протікання термоядерних реакцій можливе лише за дуже високих температур?
3. Яка реакція енергетично вигідніша (в розрахунку на один нуклон): синтез легких ядер або поділ важких?
4. У чому полягає одна з основних труднощів при здійсненні термоядерних реакцій?
5. Яка роль термоядерних реакцій у існуванні життя Землі?
6. Що є джерелом енергії Сонця за сучасними уявленнями?
7. На який період має вистачити запас водню на Сонці за підрахунками вчених?

Це цікаво...

Елементарні частинки. Античастинки

Частинки, у тому числі складаються атоми різних речовин - електрон, протон і нейтрон, - назвали елементарними. Слово «елементарний» мало на увазі, що ці частинки є первинними, найпростішими, далі неподільними та незмінними. Але незабаром виявилося, що ці частинки зовсім не є незмінними. Всі вони мають здатність перетворюватися один на одного при взаємодії.

Тому в сучасній фізиці термін «елементарні частинки» зазвичай вживається не в своєму точному значенні, а для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії, які не є атомами або ядрами атомів (виняток становить протон, що є ядром атома водню і в той же час відноситься до елементарним часткам).

Нині відомо понад 350 різних елементарних частинок. Частинки ці дуже різноманітні за своїми властивостями. Вони можуть відрізнятися один від одного масою, знаком і величиною електричного заряду, часом життя (тобто часом з моменту утворення частки і до моменту її перетворення в якусь іншу частинку), здатністю проникати (тобто здатністю проходити крізь речовину ) та іншими характеристиками. Наприклад, більшість частинок є «коротко-живуть» - вони живуть не більше двох мільйонних часток секунди, в той час як середній час життя нейтрону, що знаходиться поза атомним ядром, 15 хв.

Найважливіше відкриття у сфері дослідження елементарних частинок було зроблено 1932 р., коли американський фізик Карл Дейвід Андерсон виявив у камері Вільсона, вміщеній у магнітне полі, слід невідомої частки. За характером цього сліду (по радіусу кривизни, напрямку вигину та ін.) вчені визначили, що він залишений часткою, яка являє собою електрон з позитивним за знаком електричним зарядом. Цю частку назвали позитроном.

Цікаво, що за рік до експериментального відкриття позитрона його існування було теоретично передбачено англійським фізиком Полем Діраком (існування саме такої частки випливало з виведеного ним рівняння). Більше того, Дірак передбачив так звані процеси анігіляції (зникнення) та народження електрон-позитронної пари. Анігіляція полягає в тому, що електрон та позитрон при зустрічі зникають, перетворюючись на γ-кванти (фотони). А при зіткненні γ-кванта з якимось масивним ядром відбувається народження електрон-позитронної пари.

Обидва ці процеси вперше вдалося поспостерігати на досвіді в 1933 р. На малюнку 166 показані треки електрона і позитрона, що утворилися в результаті зіткнення γ-кванта з атомом свинцю при проходженні γ-променів крізь свинцеву пластинку. Досвід проводився в камері Вільсона, яка була поміщена в магнітне поле. Однакова кривизна треків свідчить про однакову масу частинок, а викривлення у різні боки - про протилежні символи електричного заряду.

Мал. 166. Треки електрон-позитронної пари у магнітному полі

У 1955 р. була виявлена ​​ще одна античастинка-антипротон (існування якої теж випливало з теорії Дірака), а трохи пізніше - антинейтрон. Антинейтрон, так само як і нейтрон, не має електричного заряду, але він, безперечно, відноситься до античасток, оскільки бере участь у процесі анігіляції та народження пари нейтрон-антинейтрон.

Можливість отримання античастинок привела вчених до ідеї створення антиречовини. Атоми антиречовини мають бути побудовані таким чином: у центрі атома – негативно заряджене ядро, що складається з антипротонів та антинейтронів, а навколо ядра звертаються позитрони. У цілому нині атом нейтральний. Ця ідея також отримала блискуче експериментальне підтвердження. У 1969 р. на прискорювачі протонів у Серпухові радянські фізики отримали ядра атомів антигелія.

В даний час експериментально виявлені античастинки майже всіх відомих елементарних частинок.

Підсумки глави. Найголовніше

Нижче наведено фізичні поняття та явища. Послідовність викладу визначень і формулювань відповідає послідовності понять тощо.

Перенесіть у зошит назви понять і квадратні дужки впишіть порядковий номер визначення (формулювання), відповідного даному поняттю.

• Радіоактивність;
• ядерна (планетарна) модель будови атома;
• атомне ядро;
• радіоактивні перетворення атомних ядер;
• експериментальні методи вивчення частинок в атомній та ядерній фізиці;
• ядерні сили;
• енергія зв'язку ядра;
• дефект мас атомного ядра;
• ланцюгова реакція ;
• ядерний реактор ;
• екологічні та соціальні проблеми, що виникають при використанні АЕС;
• поглинена доза випромінювання.

1. Реєстрація частинок за допомогою лічильника Гейгера, вивчення та фотографування треків частинок (зокрема, що брали участь у ядерних реакціях) у камері Вільсона та бульбашковій камері.
2. Сили тяжіння, що діють між нуклонами в ядрах атомів та значно перевершують сили електростатичного відштовхування між протонами.
3. Мінімальна енергія, потрібна для розщеплення ядра на окремі нуклони.
4. Мимовільне випромінювання атомами деяких елементів радіоактивних променів.
5. Пристрій, призначений для здійснення керованої ядерної реакції.
6. Складається з нуклонів (тобто протонів і нейтронів).
7. Радіоактивні відходи, можливість аварій, сприяння розповсюдженню ядерної зброї.
8. Атом складається з розташованого в центрі позитивно зарядженого ядра, навколо якого з відривом, значно перевищує розмір ядра, обертаються електрони.
9. Перетворення одного хімічного елемента на інший при α- або β-розпаді, в результаті якого ядро ​​вихідного атома зазнає змін.
10. Різниця між сумою мас нуклонів, що утворюють ядро, та масою цього ядра.
11. Реакція поділу важких ядер, що самопідтримується, в якій безперервно відтворюються нейтрони, що ділять все нові і нові ядра.
12. Енергія іонізуючого випромінювання, поглинена речовиною, що випромінюється (зокрема, тканинами організму) і розрахована на одиницю маси.

Перевір себе

Структура та властивості частинок та атомних ядер досліджуються вже близько ста років у розпадах та реакціях.
Розпади є спонтанним перетворенням будь-якого об'єкта фізики мікросвіту (ядра або частинки) на кілька продуктів розпаду:

Як розпади, і реакції підпорядковуються ряду законів збереження, серед яких мають бути згадані, по-перше, такі законы:

Надалі обговорюватимуться й інші закони збереження, що діють у розпадах та реакціях. Перелічені вище закони є найважливішими і, що особливо суттєво, виконуються у всіх типах взаємодій.(Можливо, що закон збереження баріонного заряду не має такої універсальності, як закони збереження 1-4, проте поки що не виявлено його порушення).
Процеси взаємодій об'єктів мікросвіту, відображенням яких є розпади та реакції, мають імовірнісні характеристики.

Розпади

Спонтанний розпад будь-якого об'єкта фізики мікросвіту (ядра або частинки) можливий у тому випадку, якщо маса спокою продуктів розпаду менша за масу первинної частки.

Розпади характеризуються ймовірностями розпаду , або зворотної ймовірності величиною середнього часу життя = (1/λ). Часто використовується також пов'язана з цими характеристиками величина періоду напіврозпаду Т 1/2.
Приклади спонтанних розпадів

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

n → p + e − + e; μ + → e + + μ + ν e;

(2.5)

У розпадах (2.4) у кінцевому стані – дві частинки. У розпадах (2.5) – три.
Отримаємо рівняння розпаду частинок (або ядер). Зменшення кількості частинок (або ядер) за інтервал часу пропорційне цьому інтервалу, числу частинок (ядер) в даний момент часу та ймовірності розпаду:

Інтегрування (2.6) з урахуванням початкових умов дає для зв'язку числа частинок у момент часу t з числом цих частинок в початковий момент часу t = 0:

Періодом напіврозпаду називається час, за який кількість частинок (або ядер) зменшиться вдвічі:

Спонтанний розпад будь-якого об'єкта фізики мікросвіту (ядра або частинки) можливий у тому випадку, якщо маса продуктів розпаду менша за масу первинної частки. Розпади на два продукти та на три або більше характеризуються різними енергетичними спектрами продуктів розпаду. У разі розпаду на дві частинки спектри продуктів розпаду – дискретні. Якщо частинок у кінцевому стані більше двох, спектри продуктів мають безперервний характер.

Різниця мас первинної частинки та продуктів розпаду розподіляється серед продуктів розпаду у вигляді їх кінетичних енергій.
Закони збереження енергії та імпульсу для розпаду слід записувати в системі координат, пов'язаної з частинкою, що розпадається (або ядром). Для спрощення формул зручно використовувати систему одиниць = c = 1, в якій енергія, маса та імпульс мають ту саму розмірність (МеВ). Закони збереження для цього розпаду:

Звідси одержуємо для кінетичних енергій продуктів розпаду

Таким чином, у разі двох частинок у кінцевому стані кінетичні енергії продуктів визначено однозначно.Цей результат залежить від того, релятивістські чи нерелятивістські швидкості мають продукти розпаду. Для релятивістського випадку формули для кінетичних енергій виглядають дещо складнішими, ніж (2.10), але рішення рівнянь для енергії та імпульсу двох частинок знову-таки є єдиним. Це означає, що у разі розпаду на дві частинки спектри продуктів розпаду – дискретні.
Якщо кінцевому стані виникає три (чи більше) продуктів, рішення рівнянь для законів збереження енергії та імпульсу не призводить до однозначного результату. В разі, якщо частинок у кінцевому стані більше двох, спектри продуктів мають безперервний характер.(Надалі на прикладі розпадів ця ситуація буде розглянута детально.)
У розрахунках кінетичних енергій продуктів розпаду ядер зручно скористатися тим, що кількість нуклонів А зберігається. (Це прояв закону збереження баріонного заряду , оскільки баріонні заряди всіх нуклонів дорівнюють 1).
Застосуємо отримані формули (2.11) до -розпаду 226 Ra (перший розпад (2.4)).

Різниця мас радію та продуктів його розпаду
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) МеВ = 4.87 МеВ. (Тут були використані таблиці надлишків мас нейтральних атомів та співвідношення M = A + для мас і т.зв. надлишків мас Δ)
Кінетичні енергії ядер гелію та радону, що виникли в результаті альфа-розпаду, рівні:

,
.

Сумарна кінетична енергія, що виділилася в результаті альфа-розпаду, менша за 5 МеВ і становить близько 0.5% від маси спокою нуклону. Співвідношення виділеної в результаті розпаду кінетичної енергії та енергій спокою частинок або ядер - критерій допустимості застосування нерелятивістського наближення. У разі альфа-розпадів ядер трохи кінетичних енергій у порівнянні з енергіями спокою дозволяє обмежитися нерелятивістським наближенням у формулах (2.9-2.11).

Завдання 2.3.Розрахувати енергії частинок, що народжуються в розпаді мезону

Розпад π + мезону відбувається на дві частинки: π + μ + + ν μ. Маса π + мезон дорівнює 139.6 МеВ, маса мюона μ дорівнює 105.7 МеВ. Точне значення маси мюонного нейтрино μ поки невідомо, але встановлено, що вона не перевищує 0.15 МеВ. У наближеному розрахунку можна покласти її рівною 0, оскільки вона на кілька порядків нижче різниці мас півонії та мюона. Оскільки різниця мас π + мезону та продуктів його розпаду дорівнює 33.8 МеВ, для нейтрино необхідно використовувати релятивістські формули зв'язку енергії та імпульсу. У подальшому розрахунку малою масою нейтрино можна знехтувати та вважати нейтрино ультрарелятивістською частинкою. Закони збереження енергії та імпульсу в розпаді π + мезону:

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

E ν = p ν

Прикладом двочасткового розпаду є також випромінювання -кванта під час переходу збудженого ядра нижчий енергетичний рівень.
У всіх двочастинних розпадах, проаналізованих вище, продукти розпаду мають «точне» значення енергії, тобто. дискретний діапазон. Проте глибший розгляд цієї проблеми показує, що Спектр навіть продуктів двочастинних розпадів не є функцією енергії.

.

Спектр продуктів розпаду має кінцеву ширину Г, яка тим більше, чим менше час життя ядра, що розпадається, або частинки.

(Це співвідношення є одним із формулювань співвідношення невизначеностей для енергії та часу).
Прикладами тричастинних розпадів є розпади.
Нейтрон відчуває -розпад, перетворюючись на протон і два лептони - електрон і антинейтрино: np + e - + e.
Бета-розпади відчувають і самі лептони, наприклад, мюон (середній час життя мюона
τ = 2.2 · 10 -6 сек):

.

Закони збереження для розпаду мюона за максимального імпульсу електрона:
Для максимальної кінетичної енергії електрона розпаду мюона отримаємо рівняння

Кінетична енергія електрона у разі на два порядки вище, ніж його маси спокою (0.511 МеВ). Імпульс релятивістського електрона практично збігається з його кінетичною енергією, справді

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