Алфа-, бета- и гама- разпадане

1. Алфа- разпадане

    Алфа- разпадането е характерно главно за тежки ядра с атомен номер Z > 82. Когато ядро на химичния елемент X с атомен номер Z и масово число A излъчи α- частица (хелиево ядро ), то загубва два протона и два неутрона (общо 4 нуклона) и се превръща в ядро на химичния елемент Y с атомен номер Z - 2, чието масово число е A - 4. Процесът се записва така:

(6.1)                   алфа- разпадане

     Например при α- разпадане на един от изотопите на урана (фиг. 6-1) се получава ядро на химичния елемент торий, който има с две единици по- малко атомен номер и в таблицата на Менделеев е разположен две места преди урана:

.

    При α- разпадането общият брой на нуклоните не се изменя. Например при разпадането на урана в ядрото на изотопа се съдържат 238 нуклона. Общият брой на нуклоните в ядрата и , получени след разпадането, остава непроменен: 234 + 4 = 238 нуклона. В сила е също така законът за запазване на електричния заряд: зарядът на изходното ядро на урана 92e (e - елементарен заряд) е равен на сумата от зарядите на ядрото на тория и на α- частицата: 90e + 2e = 92e

    Алфа- разпадането е следствие от нестабилността на тежките ядра, дължаща се на електричните сили на отблъскване между протоните. Ядрените сили на привличане обаче правят невъзможно откъсването на отделни протони от ядрото. При излъчването на α- частица се постига своеобразен "компромис" между конкуриращите се електрични и ядрени сили: Два протона напускат ядрото, което води до намаляване на електроното отблъскване между останалите протони. Едновременно с това четирите нуклона в α- частицата (два протона и два неутрона) остават изключително здраво свързани под действие на ядрените сили.

2. Бета- разпадане

    При β- разпадането радиоактивното ядро излъчва един електрон и се превръща в ядро, което има същия брой нуклони (същото масово число), но атомният му номер е с една единица по- голям:

(6.2)  .        бета- разпадане

    Тук със символа е означен електронът: горният индекс "0" показва, че масовото число на електрона е нула (той не е изграден от протони и неутрони); долният индекс "-1" показва, че електронът е носител на един елементарен отрицателен заряд.

    Както при α- разпадането броят на нуклоните и пълният електричен заряд не се изменят. При β- разпадането един неутрон се превръща в протон и броят на положителните елементарни заряди нараства с единица. Едновременно с това обаче се появява и един елементарен отрицателн заряд (на електрона), поради което пълният заряд остава непроменен: (Z+1)e + (-e) = Ze. Важно е също да се отбележи, че изходното радиоактивно  ядро не съдържа електрони. Електронът се създава в момента на разпадането, за което се изразходва част от енергията на покой на разпадащото се ядро.

    Бета- разпадане претърпяват например ядрата на изотопа въглерод- 14:

и се превръщат в ядра на азота, който в периодичната система на елементите е разположен непосредствено след въглерода.

2.1. Неутрино и антинеутрино

    При β- разпадането се отделя енергия. Изследванията обаче показват, че част от нея "се губи". Този неочакван резултат предизвиква сериозни дискусии сред физиците. Нарушава ли се законът за запазване на енергията при β- разпадането? През 1930 година австрийският физик Волфганг Паули изказва предположението, че при β- разпадането се отделя още една, неизвестна по това време частица, която отнася "липсващата" енергия. Тази частица е наречена с умалителното име неутрино ν, тъй като тя е електронеутрална и се предполага, че има равна на нула (или изключително малка) маса в покой. Поради извънредно слабота му взаимодействие с веществото неутриното е открито експериментално едва през 1956 година.

    Неутриното има "античастица", наречена антинеутрино . При разпадането на изотопа въглерод- 14 се отделя антинеутрино. По- пълно процесът на β- разападане се записва така:

.

    Разпадане, при което се отделя електрон и антинеутрино, се нарича електронно () разпадане. Съществува още един вид β- разпадане, при който се излъчват позитрон и неутрино (фиг. 6-2). Позитронът е античастица на електрона: има същата маса, както електрона, но подобно на протона е носител на елементарен положителен заряд. Позитронът се означава със символа . Пример за позитронно () разпадане е процесът

.

    При този процес също се запазва броят на нуклоните и електричният заряд.

3. Гама- разпадане

    Подобно на атомите, ядрата също могат да се намират в състояния с различна енергия: основно състояние, в което енергията на ядрото е минимална, и възбудени състояния с по- голяма енергия. При преминаване от състояние с по- голяма енергия в състояние с по- малка енергия ядрото излъчва фотон. Тъй като разликата в енергиите  на ядрените състояния обаче е много голяма (обикновено няколко MeV), излъчените от ядрото фотони имат многократно по- голяма енергия от фотоните, излъчени от атомите. Тези фотони с голяма енергия се наричат γ- кванти, а процесът на излъчването им от възбудените атомни ядра- γ- разпадане.

     Ядрата преминават във възбудено състояние в резултат на друг процес, предшестващ γ- разпадането. Този процес може да е удар с друго ядро или частица, α- разпадане или β- разпадане. При γ- разпадането не се променя нито атомният номер, нито масовото число на ядрото. Ядрото остава същото, само преминава в състояние с по- малка енергия. Процесът се изразява с формулата

(6.3)   ,                           гама- разпадане

където знакът "*" показва, че изходното ядро се намира във възбудено състояние. 

    Например радиоактивният изотоп кобалт- 60 претърпява - разпадане. 

    Полученото ядро на никела се намира във възбудено състояние. То излъчва γ- квант и преминава в основното си състояние:

    Последователността от двата процеса на - и γ- разпадане е показана схематично на фиг. 6-3.

4. Гайгеров брояч

    За регистиране на радиоактивните лъчения се използват различни уреди. Един от най- простите и често използвани приемници на йонизиращи лъчения е Гайгеровият брояч. Той представлява цилиндрична метална тръба, запълнена с разреден газ, по оста на която е опъната тънка метална жичка. Жичката служи за анод и е свързана към положителния полюс на източник на високо напрежение (500- 1000 V), а тръбата служи за катод- свързва се към отрицателния полюс на източника (фиг. 6-4). Когато γ- квант, α- или β- частица попадне в тръбата през тънкото прозорче от стъкло или слюда в единия й край, предизвиква йонизация на някои от молекулите на газа. Избитите електрони се ускоряват от електричното поле и по пътя си към анода йонизират нови молекули. Възниква ударна йонизация- броят на електроните и положителните йони лавинообразно нараства. Получава се токов импулс, който след това премивана през усилвател и се отчита от електронно броящо устройство. Ако усилените импулси се подадат на високоговорител, регистрирането на всяка йоницираща частица е придружено със звуков сигнал. 

Как работи Гайгеровият брояч? - https://passmyexams.co.uk/GCSE/physics/detecting-radioactivity%E2%80%93the-geiger-muller-tube.html

 

Изтегли в .pdf             Изтегли в .docx

Дали научихме всичко?

Проверете със следния тест!

Любопитно

През периода 1945- 1998 г. са извършени 2053 опита с атомни и водородни бомби.

 

alfa_razpad

Фиг. 6-1. Алфа- разпадане на изотопа уран- 238

Ирен и Фредерик Жолио- Кюри- през 1935 година двамата съпрузи получават Нобелова награда по физика за откриването на изкуствената радиоактивност. Радиоактивните ядра се разделят на две групи: 1. нестабилни ядра, които се срещат в природата и са източници на естествена радиоактивност; 2. ядра, които не се срещат в природата, а се създават в лабораторни условия (напр. в ядрените реактори)- те са източници на изкуствена радиоактивност.

Фиг. 6-2. Позитронно бета- разпадане на изотопа азот-14

През 1932 година, Карл Давид Андерсън открива експериментално позитрона при наблюдение на космическо излъчване с помощта на камерата на Уилсън, поставена в магнитно поле. Той дава и името на позитрона. Той също така предлага (макар и неуспешно) да се смени името на електрона на негатрон. Следите, оставени от позитрона напомнят тези на електрона, но се отклоняват в обратната посока под действието на магнитното поле, което е свидетелство за противоположен електрически заряд.

Позитронът е елементарна частица, изграждаща антиматерията и представляваща античастица на електрона - двете частици са с еднакви маса и спин, но с противоположен заряд.

Първото експериментално наблюдение на неутрино, 1970 г.

Неутриното е елементарна частица. Открита през 1931 г. при β- разпад.

Заради едва забележимото участие в слабото ядрено взаимодействие, неутриното преминава през материята почти незабелязано. За частиците неутрино, произведени от слънцето (енергия от порядъка на няколко MeV), ще е необходима стена, дебела около една светлинна година (~1016 м) и направена от олово, за да задържи половината от тях. Ето защо засичането на неутрино е предизвикателство, изискващо огромни по обем детектори или силно концентрирани лъчи от неутрино частици.

Антинеутриното е античастицата на неутриното.

Фиг. 6-3. - разпадане на изотопа кобалт- 60, последвано от γ- разпадане

Фиг. 6-4. Гайгеров брояч

Дозиметър (Гайгеров брояч)- Дозиметърът се използва за битови цели: за контрол на радиационната чистота на жилищни помещения, къщи, здания, предмети на бита, дрехи, грунтови повърхности на дворни участъци, транспортни средства; за оценка на радиационното замърсяване на горски ягоди и гъби; а също и като научен прибор в учебни учереждения.