Ядерная физика и физика элементарных частиц

 

Свойства α-, β- и γ-излучений:

· α-излучение – несет положительный заряд и представляет собой поток α-частиц – ядер гелия , движущихся со скоростями ~107 м/с; слабо отклоняется магнитным или электрическим полями. Обладает наименьшей проникающей способностью Обладает наибольшей ионизирующей способностью.

· β-излучение – несет отрицательный заряд и представляет собой поток электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света; сильно отклоняется магнитным или электрическим полями. Обладает средней проникающей способностью (Оно способно пройти через слой алюминия толщиной до 5 миллиметров). Обладает средней ионизирующей способностью.

· γ-излучение представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ < 10–10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов; не отклоняется магнитным или электрическим полями. Обладает наибольшей проникающей способностью (способно проходить через слой свинца толщиной 5–10 см). Обладает наименьшей ионизирующей способностью.

Свойства радиоактивного излучения:

▪ Радиоактивное излучение имеет сложный состав: оно состоит из трех видов излучений различной физической природы. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями.

▪ α- и β-излучения одновременно испускаются только веществами, содержащими несколько различных радиоактивных элементов.

▪ Чистый радиоактивный элемент испускает только одно: или α- излучение или β-излучение, каждому из которых может сопутствовать γ-излучение.

▪ Радиоактивное излучение не зависит от внешних факторов: давление, температура, освещенность и т.д.

▪ Радиоактивное излучение сопровождается выделением энергии (например, 1 г радия за 1 час выделяет 582 Дж энергии).

Радиоактивность (радиоактивный распад) – явление самопроизвольного превращения ядер неустойчивых изотопов одного химического элемента в ядра изотопов других химических элементов с образованием определенных частиц (α, β), а так же электромагнитного излучения (γ).

Атомные ядра химических элементов называют нуклидами. Каждый нуклид характеризуется:

Z – зарядовым числом, совпадающим с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева;

А – массовым числом, совпадающим с атомной массой данного химического элемента.

Обозначение нуклида: , где X – символ химического элемента.

Превращения атомных ядер подчиняются правилам смещения, сформулированных Содди.

Обозначим: X – материнское ядро, т.е. атомное ядро, испытавшее радиоактивный распад.

Y – дочернее ядро, т.е. атомное ядро продукта распада.

1) При α-распаде происходит уменьшение массового числа на четыре единицы, а заряда – на две единицы, в результате которого образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева на две клетки раньше исходного ядра (смещение влево) и ядро атома гелия (α-частица).

Примером такого процесса может служить α-распад радия: .

2) При β-распаде массовое число не изменяется, а заряд ядра увеличивается на единицу, в результате которого образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева на одну клетку дальше исходного ядра (смещение вправо) и электрон .

При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Откуда он берется, ведь внутри ядер электроны существовать не могут?

После вылета электрона заряд ядра, а значит и число протонов, увеличивается на единицу. Массовое число ядра не меняется. Это означает, что число нейтронов уменьшается на единицу. Следовательно, внутри β-радиоактивных ядер нейтрон способен превращаться в протон и электрон. Протон остается в ядре, а электрон вылетает наружу.

При позитронном β-распаде (β+-распад) массовое число не изменяется, а заряд ядра уменьшается на единицу, в результате которого образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева на одну клетку раньше исходного ядра (смещение влево) и позитрон .

3) При γ-распаде зарядовое и массовое числа не изменяются, происходит лишь переход дочернего ядра в состояние с меньшей энергией с испусканием квантов высокой частоты.

Итак, при радиоактивном распаде сохраняются электрический заряд, масса и энергия.

 

Закон радиоактивного распада

Активность радиоактивного вещества (А) показывает число распадов, происходящих в веществе, за единицу времени.

Средняя активность: Мгновенная активность: .

В СИ [A] = 1 Бк (беккерель) = 1с-1

1 Бк равен активности радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит один акт распада.

Внесистемная [A] = 1 Ки (кюри)

Резерфорд на опыте установил, что активность радиоактивных веществ с течением времени уменьшается.

Период полураспада (Т) – физическая величина, характеризующая скорость радиоактивного распада, и равная времени, спустя которое исходное количество ядер уменьшается вдвое.

Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад

N0 число радионуклидов при t = 0 (начальный момент времени)
число радионуклидов при t = T
число радионуклидов при t = 2T
число радионуклидов при t = 3T
… …
число радионуклидов при t = nT
Рис. 10. Закон радиоактивного распада.

n = t/T.

число нераспавшихся ядер N при радиоактивном распаде с течением времени уменьшается по закону:

,где N0 – начальное число радиоактивных ядер; Т – период полураспада.

Закон радиоактивного распада можно записать и по-другому.

Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Пусть за малый промежуток времени Δt количество нераспавшихся ядер N изменилось на ΔN < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, то число распадов будет пропорционально количеству ядер N и промежутку времени Δt: ΔN = –λ∙N∙Δt.

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада ядра за время Δt = 1 с. Эта формула означает, что скорость изменения функции N(t) прямо пропорциональна самой функции: .

Решение этого уравнения приводит к экспоненциальному закону: ,

где N0 – начальное число радиоактивных ядер при t = 0, N – число нераспавшихся ядер к моменту времени t, λ – постоянная радиоактивного распада (вероятность распада ядра за 1 с), е – основание натурального логарифма.