Двойной бета-распад

[править] Двойной бета-распад

Существует также двойной бета-распад, при котором заряд ядра меняется не на одну, а на две единицы. Для того, чтобы наблюдался процесс двойного бета-распада, нужно, чтобы масса материнского ядра была больше массы ядра, образующегося в результате распада:

\mathrm{{}^{100}_{42}Mo}\rightarrow\mathrm{{}^{100}_{44}Ru} + 2e^- + 2\overline{\nu}_e (8,55·1018 лет)

Двойной бета распад — очень редкое событие. Он может наблюдаться лишь у тех ядер, которые не могут распасться путем двух последовательных бета-распадов из-за закона сохранения энергии и/или закона сохранения момента импульса. У всех известных изотопов, испытывающих его, период полураспада превышает 7·1018 лет, а изотоп теллур-128 имеет период полураспада 2,2·1024 лет (в 1,6·1014 раз превосходит возраст Вселенной).

Большинство наблюдений двойного бета-распада относятся к типу с повышением заряда ядра (β-β-). Для криптона-78, ксенона-124, бария-130 обнаружен двойной электронный захват, для первых 2-х изотопов — методом прямого наблюдения за образцом изотопа, для последнего — геохимическим методом, по накоплению продукта распада в кристаллической решётке древнего минерала, содержащего барий (период полураспада (2,2±0,5)·1021 лет).

Двойной β-распад может происходить не только на основное, но и в метастабильные состояния дочернего ядра. В этом случае он сопровождается излучением нескольких гамма-квантов и/или конверсионных электронов.

Безнейтринный двойной бета-распад

Фейнмановская диаграмма безнейтринного распада

Если нейтрино является майорановской частицей (то есть равно своей античастице), то возможен безнейтринный двойной бета-распад. В этом случае происходит процесс несохранения лептонного числа (ΔL = ±2), запрещённый Стандартной моделью. Несмотря на многочисленные исследования, безнейтринный распад никогда не наблюдался. Если подобный процесс имеет место в природе, то период полураспада по этому каналу может превышать 1025 лет.

Ядерное превращение

Если протон и нейтрон — часть атомного ядра, эти процессы распада преобразовывают один химический элемент в другого. Например:

Бета распад не изменяет число нуклеонов в ядре, но изменяет только его обвинение. Таким образом набор всех нуклидов с тем же самым может быть введен; эти изобарические нуклиды могут превратиться друг в друга через бета распад. Среди них несколько нуклидов (по крайней мере один для любого данного массового числа) являются стабильной бетой, потому что они представляют местные минимумы массового избытка: если у такого ядра есть числа, соседние ядра, и имейте более высокий массовый избыток, и может бета распадаться в, но не наоборот. Для всех странных массовых чисел есть только одна известная стабильная бетой изобара. Для даже, есть до трех различных стабильных бетой изобар, экспериментально известных; например, и все стабильны бетой. Есть приблизительно 355 известных бета распадов стабильное общее количество нуклидов.

Обычно нестабильные нуклиды — ясно или «нейтронный богатый» или «протон, богатый», с прежним бета распадом перенесения и последним захватом электрона перенесения (или более редко, из-за более высоких энергетических требований, распада позитрона). Однако в нескольких случаях странного протона, странно-нейтронных радионуклидов, это может быть энергично благоприятно для радионуклида, чтобы распасться к ровному протону, ровно-нейтронная изобара или подвергнувшись положительному бете или отрицательному бетой распаду. Часто процитированный пример, который разлагает эмиссией позитрона 61% времени к, и 39% времени (отрицательным) бета распадом к.

Большинство естественных изотопов на Земле — стабильная бета. У тех, которые не являются, есть полужизни, располагающиеся из-под секунды к промежуткам времени, значительно больше, чем возраст вселенной. Один общий пример долговечного изотопа — нуклид странного нейтрона странного протона, который подвергается всем трем типам бета распада (и электронный захват) с полужизнью.

Теория

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, полученных искусственным путём через соответствующие ядерные реакции.

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, и ядро, возникающее в результате этого распада, называют соответственно материнским и дочерним ядрами. Изменение массового числа и заряда дочернего ядра по отношению к материнскому описывается правилом смещения Содди.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада, когда в результате первого этапа распада возникает дочернее ядро в возбуждённом состоянии, затем испытывающее переход в основное состояние с испусканием гамма-квантов.

Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с испусканием нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β+-распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро. Последовательность таких распадов называется цепочкой распадов, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Ядра с одинаковым массовым числом A (изобары) могут переходить друг в друга посредством бета-распада. В каждой изобарной цепочке содержится от 1 до 3 бета-стабильных нуклидов (они не могут испытывать бета-распад, однако не обязательно стабильны по отношению к другим видам радиоактивного распада). Остальные ядра изобарной цепочки бета-нестабильны; путём последовательных бета-минус- или бета-плюс-распадов они превращаются в ближайший бета-стабильный нуклид. Ядра, находящиеся в изобарной цепочке между двумя бета-стабильными нуклидами, могут испытывать и β−-, и β+-распад (или электронный захват). Например, существующий в природе радионуклид калий-40 способен распадаться в соседние бета-стабильные ядра аргон-40 и кальций-40:

1940K+e−→1840Ar+νe,{\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}+e^{-}\rightarrow {}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}+\nu _{e},}
1940K→1840Ar+e++νe,{\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}\rightarrow {}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}+e^{+}+\nu _{e},}
1940K→2040Ca+e−+ν¯e.{\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}\rightarrow {}_{20}^{40}{\textrm {Ca}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}

Кварковое превращение b → s + лептоны

Неизвестные пока явления в кварковом распаде \(b\to s\ell\ell\) стали причиной отклонений, наблюдающихся в распадах \(B \to K^*\mu\mu\) и \(B_s \to \phi\mu\mu\), а также нарушения лептонной универсальности слабого взаимодействия в распадах \(B^+\to K^+\ell\ell\).

  • На LHC обнаружен еще один намек на нарушение Стандартной модели (апрель 2017) — нарушение лептонной универсальности видно и в распаде с участием возбужденного K-мезона.
  • Аномалия в распадах B-мезонов подтверждается еще в одном эксперименте (май 2016) — японский детектор Belle подтверждает отклонения, обнаруженные LHCb.
  • Анализ полной статистики Run 1 подтверждает аномалию в распаде B→K*μμ (декабрь 2015) — ситуация становится всё более драматичной.
  • LHCb подтверждает еще одно отклонение в распадах Bs-мезонов (июль 2015) — в игру вступает распад \(B_s \to \phi\mu\mu\), в котором обнаружено отклонение от СМ на 3,5σ.
  • Коллаборация LHCb подтверждает отклонение в распаде B-мезонов (апрель 2015) — отклонение в распаде \(B \to K^*\mu\mu\) присутствует и в новых данных.
  • LHCb видит неожиданное отклонение от лептонной универсальности (июнь 2014) — первое указание на совершенно неожиданное отклонение от лептонной универсальности слабого взаимодействия.
  • Детектор LHCb видит странности в распадах B-мезонов (август 2013) — первый намек на аномалию в распаде \(B \to K^*\mu\mu\).

Суть радиоактивного распада

Данный процесс происходит произвольно. Каждый распадающийся радионуклид приобретает скорость, являющуюся константой для каждого случая. Скорость распада не может измениться под влиянием внешних факторов

Неважно, будет происходить реакция под воздействием огромной гравитационной силы, при абсолютном нуле, в электрическом и магнитном поле, во время какой-либо химической реакции и прочее. Повлиять на процесс можно только прямым воздействием на внутренность атомного ядра, что практически невозможно

Реакция спонтанная и зависит лишь от атома, в котором протекает, и его внутреннего состояния.

При упоминании радиоактивных распадов часто встречается термин «радионуклид». Тем, кто не знаком с ним, следует знать, что данное слово обозначает группу атомов, которые имеют радиоактивные свойства, собственное массовое число, атомный номер и энергетический статус.

Различные радионуклиды применяются в технических, научных и прочих сферах жизнедеятельности человека. К примеру, в медицине данные элементы используются при диагностировании заболеваний, обработке лекарств, инструментов и прочих предметов. Имеется даже ряд лечебных и прогностических радиопрепаратов.

Не менее важным является и определение изотопа. Этим словом называют особую разновидность атомов. Они имеют одинаковый атомный номер, как у обычного элемента, однако отличное массовое число. Вызвано это различие количеством нейтронов, которые не влияют на заряд, как протоны и электроны, но меняют массу. К примеру, у простого водорода их имеется целых 3. Это единственный элемент, изотопам которого были присвоены названия: дейтерий, тритий (единственный радиоактивный) и протий. В остальных случаях имена даются в соответствии с атомными массами и основным элементом.

История

Открытие и характеристика распада β

Радиоактивность обнаруживалась в 1896 Анри Бекрэлем в уране, и впоследствии наблюдалась Мари и Пьером Кюри в тории и в новом полонии элементов и радии.

В 1899 Эрнест Резерфорд разделил радиоактивную эмиссию на два типа: альфа и бета (теперь бета минус), основанный на проникновении объектов и способности вызвать ионизацию. Альфа-частицы могли быть остановлены тонкими листками бумаги или алюминием, тогда как бета-лучи могла проникнуть через несколько миллиметров алюминия. (В 1900 Пол Виллард определил еще больше проникающего типа радиации, которую Резерфорд идентифицировал как существенно новый тип в 1903 и назвал гамма-лучи).

В 1900 Беккерель имел размеры, отношение массы к обвинению для бета частиц методом Дж.Дж. Томсона раньше изучало лучи катода и определяло электрон. Он нашел, что для бета частицы совпадает с для электрона Thomson, и поэтому предположил, что бета частица — фактически электрон.

В 1901 Резерфорд и Фредерик Содди показали, что альфа-и бета радиоактивность включает превращение атомов в атомы других химических элементов. В 1913, после того, как продукты более радиоактивных распадов были известны, Содди и Кэзимирз Фэджэнс независимо предложили их радиоактивный закон о смещении, который заявляет, что бета (т.е.,) эмиссия одного элемента производит другой элемент одно место вправо в периодической таблице, в то время как альфа-эмиссия производит элемент два места налево.

Neutrinos в бета распаде

Исторически, исследование бета распада представило первые вещественные свидетельства нейтрино. Измерения бета спектра распада в 1911 Лиз Мейтнер и Отто Хэном и в 1913 Джин Дэнисз показали многократные линии на разбросанном фоне, предложив первый намек непрерывного спектра. В 1914 Джеймс Чедвик использовал магнитный спектрометр с одним из новых прилавков Ганса Гейгера, чтобы сделать более точное измерение и показал, что спектр был непрерывен. Это было в очевидном противоречии к закону сохранения энергии, поскольку казалось, что энергия была потеряна в бета процессе распада. Вторая проблема состояла в том, что вращение азота 14 атомов было целым числом в противоречии к предсказанию Резерфорда.

В 1920–1927, Чарльз Драммонд Эллис (наряду с Джеймсом Чедвиком и коллегами) далее установил, что бета спектр распада непрерывен, заканчивая все споры. У этого также была эффективная верхняя граница в энергии, которая была серьезным ударом по предположению Бора, что сохранение энергии могло бы быть верным только в статистическом смысле и могло бы быть нарушено в любом данном распаде. Теперь проблема того, как объяснить изменчивость энергии в известных бета продуктах распада, а также для сохранения импульса и углового момента в процессе, стала острой.

В известном письме, написанном в 1930, Вольфганг Паули предположил, что в дополнение к электронам и протонам атомные ядра также содержали чрезвычайно легкую нейтральную частицу, которую он назвал нейтроном. Он предположил, что этот «нейтрон» также испускался во время бета распада (таким образом составляющий известную недостающую энергию, импульс и угловой момент) и просто еще не наблюдался. В 1931 Энрико Ферми переименовал «нейтрон» Паули к нейтрино, и в 1934, Ферми издал очень успешную модель бета распада, в котором были произведены neutrinos. Взаимодействие нейтрино с вопросом было так слабо, что, обнаруживая это доказало серьезную экспериментальную проблему, с которой наконец справились в 1956 в эксперименте нейтрино Кауэна-Reines. Однако свойства neutrinos были (с несколькими незначительными модификациями), как предсказано Паули и Ферми.

Несохранение паритета

В 1956 Цзянь-Шюн У и коллеги доказали в эксперименте Ву, что паритет не сохранен в бета распаде. Этот удивительный факт постулировался незадолго до этого в статье Tsung-дао Ли и Чэнь Нин Ян.

Открытие других типов бета распада

В 1934 Фредерик и Ирэн Жолио-Кюри бомбардировали алюминий альфа-частицами, чтобы произвести ядерную реакцию + → + и заметили, что изотоп продукта испускает позитрон, идентичный найденным в космических лучах Карлом Дэвидом Андерсоном в 1932. Это было первым примером распада (эмиссия позитрона), который они назвали искусственной радиоактивностью, так как недолгий нуклид, который не существует в природе.

Теория электронного захвата была сначала обсуждена Джаном-Карло Викком в газете 1934 года, и затем развита Hideki Yukawa и другими. Захват K-электрона сначала наблюдался в 1937 Луисом Альваресом в нуклиде, В. Альварес продолжал изучать электронный захват в Ga и других нуклидах.

Helicity (поляризация) neutrinos, электронов и позитронов испущен в бета распаде

После открытия паритетного несохранения (см. историю ниже), было найдено, что в бета распаде, электроны испускаются главным образом с отрицательным helicity, т.е., они двигаются, наивно разговор, как предназначенные для левой руки винты, которые ведут в материал (у них есть отрицательная продольная поляризация). С другой стороны у позитронов есть главным образом положительный helicity, т.е., они двигаются как предназначенные для правой руки винты. У Neutrinos (испускаемый в распаде позитрона) есть положительный helicity, в то время как у антинейтрино (испускаемый в электронном распаде) есть отрицательный helicity.

Чем выше энергия частиц, тем выше их поляризация.

Термины

  • Превращение – трансформация одного элемента в другой.
  • Позитрон – аналог антивещества электрона с такой же массой, но положительным зарядом.
  • Бета-распад – реакция с формированием бета-частицы.

Бета-распад – разновидность радиоактивного распада, где из атомного ядра высвобождаются бета-частички. Благодаря этому процессу атом способен добыть оптимальное соотношение протонов и нейтронов.

Бета-распад в атомном ядре свободного нейтрона

Бета-распад делится на две разновидности. Бета-минус вызывает эмиссию электронов (e-), а бета-плюс – эмиссию позитронов (e+). В первом формируется электронный антинейтрино, а во втором – электронный нейтрино.

Высвобожденные бета-частички обладают непрерывным кинетически энергетическим спектром от 0 к максимально доступной энергии, основываясь на родительском и дочернем ядерных состояниях. Лишенные прерывания энергетические спектры создаются из-за того, что Q разделяется между бета-частичкой и нейтрино. Типичный показатель – 1 МэВ, но может быть и несколько кэВ или десятки МэВ. Остаточная масса электрона – 511 кэВ, поэтому наиболее энергичные бета-частицы – ультрарелятивистские, чья скорость приближена к световой.

Протоны и нейтроны выступают элементами ядра, поэтому бета-распад вызывает превращение химических элементов в другие. К примеру:

137Cs → 137Ba + e-

11Na → 10Ne + e+

Бета-распад не влияет на количество нуклонов, только на заряд. Стабильное ядро способно подвергаться и другим разновидностям распада. В обычной среде изотопы – бета-стабильны, но есть исключения, чьи периоды настолько огромные, что им не хватило времени на распад с момента нуклеосинтеза. Можно вспомнить нейтрон-нуклид 40К, проходящий сквозь оба типа с длительностью в 1.277 х 109 лет.

Ядро
  • Ядерный размер и плотность
  • Ядерная стабильность
  • Энергетические и ядерные силы
Радиоактивность
  • Природная радиоактивность
  • Детектор излучения
  • Ряды радиоактивного распада
  • Альфа-распад
  • Бета-распад
  • Гамма-распад
  • Углерод-14
  • Расчеты с периодами полураспада
Законы квантового туннелирования и сохранения
  • Квантовое туннелирование
  • Сохранение нуклеонового числа и других законов
Применение ядерной физики
  • Медицинская визуализация и диагностика
  • Дозиметрия
  • Биологические эффекты радиации
  • Терапевтическое использование радиации
  • Радиация от еды
  • Меченый атом
  • Термоядерная реакция
  • Ядерное деление в реакторах
  • Эмиссионная томография
  • Ядерное оружие
  • Компьютерная томография и МРТ

Альфа-распад

Основная статья: Альфа-распад

Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4He).

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

ZAX→Z−2A−4Y+24He.{\displaystyle {}_{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow {}_{Z-2}^{A-4}{\textrm {Y}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

92238U→90234Th+24He.{\displaystyle {}_{92}^{238}{\textrm {U}}\rightarrow {}_{90}^{234}{\textrm {Th}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

История

Исторически исследование бета-распада привело к первому физическому свидетельству существования нейтрино. В 1914 году Дж. Чедвик экспериментально показал, что энергии электронов, испускаемых при бета-распаде, имеют непрерывный, а не дискретный спектр. Это находилось в очевидном противоречии с законом сохранения энергии, поскольку получалось, что часть энергии терялась в процессах бета-распада. Вторая проблема заключалась в том, что спин атома азота-14 был равен 1, что противоречило предсказанию Резерфорда — ½. В известном письме, написанном в 1930 году, Вольфганг Паули предположил, что, помимо электронов и протонов, атомы содержат очень лёгкую нейтральную частицу, которую он назвал нейтроном. Он предположил, что этот «нейтрон» испускается при бета-распаде и раньше просто не наблюдался. В 1931 году Энрико Ферми переименовал «нейтрон» Паули в нейтрино, и в 1934 году Ферми опубликовал очень удачную модель бета-распада, в которой участвовали нейтрино.

История

Исторически исследование бета-распада привело к первому физическому свидетельству существования нейтрино. В 1914 году Дж. Чедвик экспериментально показал, что энергии электронов, испускаемых при бета-распаде, имеют непрерывный, а не дискретный спектр. Это находилось в очевидном противоречии с законом сохранения энергии, поскольку получалось, что часть энергии терялась в процессах бета-распада. Вторая проблема заключалась в том, что спин атома азота-14 был равен 1, что противоречило предсказанию Резерфорда — ½. В известном письме, написанном в 1930 году, Вольфганг Паули предположил, что, помимо электронов и протонов, атомы содержат очень лёгкую нейтральную частицу, которую он назвал нейтроном. Он предположил, что этот «нейтрон» испускается при бета-распаде и раньше просто не наблюдался. В 1931 году Энрико Ферми переименовал «нейтрон» Паули в нейтрино, и в 1934 году Ферми опубликовал очень удачную модель бета-распада, в которой участвовали нейтрино.

Комментарии

Август 2013. Обработав треть от накопленной статистики Run 1, LHCb сообщает о сильном, на 3,7σ, отклонении от предсказаний СМ в одной из угловых характеристик распада \(B \to K^*\mu\mu\). Это сообщение, вкупе с чуть более ранним сообщением об отклонении в распаде \(B_s \to \phi\mu\mu\), очень воодушевляет физиков. Однако быстро становится ясно, что теоретические предсказания не столь аккуратны, как хотелось бы, поэтому ситуация становится несколько подвешенной.

Ноябрь 2014. Усилия многих теоретических групп привели к уточнению предсказаний (см. сводку расчетов по многим распадам). Заявленные ранее отклонения подтверждаются на уровне около 3σ. Физики ждут новых сообщений LHCb.

Сентябрь 2015. Коллаборация LHCb обновила результаты по обоим распадам, обработав всю статистику Run 1. Отклонение в распаде \(B_s \to \phi\mu\mu\) выросло до 3,5σ, и в июне вышла статья коллаборации с этим результатом. В распаде \(B \to K^*\mu\mu\) аномалия слегка просела до 2,9σ, однако этот результат остается предварительным. Он был обнародован на конференции в марте, но окончательная статья еще не появилась.

Отличие в распаде \(B_s \to \phi\mu\mu\) выглядит любопытнее, чем в \(B \to K^*\mu\mu\). Разница между ними не только в количестве сигм, но и в том, что в первом случае отклоняется общая вероятность распада, просуммированная по всем углам, а во втором случае — лишь один из 24 численных коэффициентов, которые совокупно описывают угловое распределение. Однако в обоих случаях отличие отрицательно (т. е. измерение показывает меньшее по модулю значение, чем предсказывает теория) и наблюдается в примерно одинаковых областях инвариантных масс.

Декабрь 2015. LHCb опубликовал окончательный анализ распада \(B \to K^*\mu\mu\) на полной статистике Run 1. Расхождение со СМ подтверждается и достигает 3,4σ в глобальном сравнении всей угловой зависимости, а не в одной из 24 величин, как было раньше.

Апрель 2016. Эксперимент Belle тоже присоединился к изучению этого процесса. В своей статье коллаборация подтверждает отклонение в процессе \(B \to K^*\mu\mu\) ровно в том же коэффициенте P5′ на уровне 2,1σ.

Октябрь 2017. Свой анализ этого процесса представила и коллаборация CMS. Ее результаты вполне сходятся с теоретичекими предсказаниями и отличаются от Belle и LHCb. Впрочем, в данных CMS заметно большие погрешности.

Условия возникновения реакции

Распад, подобно другим радиоактивным превращениям, бывает естественным и искусственным. Последний происходит из-за попадания в ядро какой-либо посторонней частицы. Сколько альфа и бета-распада способен претерпеть атом — зависит лишь от того, как скоро будет достигнуто стабильное состояние.

При естественных обстоятельствах встречается альфа и бета-минус распады.

При искусственных условиях присутствует нейтронный, позитронный, протонный и другие, более редкие разновидности распадов и превращений ядер.

Данные названия дал Эрнест Резерфорд, занимавшийся изучением радиоактивного излучения.

Виды частиц, испускаемых при радиоактивном распаде

Э. Резерфорд экспериментально установил (), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:

  • лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;
  • лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали β-лучами (существуют, однако, позитронные бета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);
  • лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.

Хотя в ходе исследований были обнаружены и другие типы частиц, испускающихся при радиоактивном распаде, перечисленные названия сохранились до сих пор, поскольку соответствующие типы распадов наиболее распространены.

При взаимодействии распадающегося ядра с электронной оболочкой возможно испускание частиц (рентгеновских фотонов, Оже-электронов, конверсионных электронов) из электронной оболочки. Первые два типа излучений возникают при появлении в электронной оболочке вакансии (в частности, при электронном захвате и при изомерном переходе с излучением конверсионного электрона) и последующем каскадном заполнении этой вакансии. Конверсионный электрон испускается в процессе изомерного перехода с внутренней конверсией, когда энергия, выделяющаяся при переходе между уровнями ядра, не уносится гамма-квантом, а передаётся одному из электронов оболочки.

При спонтанном делении ядро распадается на два (реже три) относительно лёгких ядра — так называемые осколки деления — и несколько нейтронов. При кластерном распаде (являющемся промежуточным процессом между делением и альфа-распадом) тяжёлым материнским ядром испускается относительно лёгкое ядро (14C, 16O и т. п.).

При протонном (двухпротонном) и нейтронном распаде ядро испускает соответственно протоны и нейтроны.

Во всех типах бета-распада (кроме предсказанного, но пока не открытого безнейтринного) ядром испускается нейтрино или антинейтрино.

Радиоактивность

И всё же иногда сильного взаимодействия не хватает, чтобы удержать ядро, и оно разваливается на части. Это называется распад ядра, или радиоактивный распад, а элементы, или изотопы (помните, что это?), которые норовят распасться, называются радиоактивными. В большинстве атомов вокруг нас ядра устойчивые и никогда не развалятся. Разве что по ядру очень сильно стукнет, например, ещё один протон или нейтрон (это будет вынужденный распад). Они такие стабильные потому, что в них правильное соотношение протонов и нейтронов: у лёгких ядер — протонов и нейтронов примерно поровну, а у тяжёлых — нейтронов чуть больше; чем тяжелее ядро, тем больше доля нейтронов (проверьте по таблице Менделеева). Но ядру вредно быть очень толстым: если протонов в нём совсем много (больше 82), то устойчивой конфигурации уже нет: сколько нейтронов ни клади, ядро развалится.

Если соотношение протонов и нейтронов «неудачное», ядро рано или поздно распадётся. Некоторые, правда, могут перед этим прожить многие миллиарды лет, а другие не проживут и долю секунды. Ядро может развалиться на пару ядер поустойчивей и полегче, но чаще всего от него просто откалывается небольшой кусочек — обычно два протона и два нейтрона, то есть как раз ядро атома гелия. Ядро гелия \({}^{4}_{2}\mathrm{He}\) иначе называется альфа-частицей, а распад с испусканием этой частицы — альфа-распадом. Вот пример такой ядерной реакции:

\({}^{238}_{92}\mathrm{U}\) → \({}^{234}_{90}\mathrm{Th}\) + \({}^{4}_{2}\mathrm{He}\).

Здесь ядро урана превращается в ядро тория.

Радиоактивность природных элементов

Экспериментально установлено, что радиоактивны, то есть не имеют стабильных изотопов, все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута).

Все более лёгкие элементы, помимо стабильных изотопов, имеют радиоактивные изотопы с разными периодами полураспада, варьирующимися от долей наносекунды до значений, на много порядков превышающих возраст Вселенной. Например, теллур-128 имеет самый долгий измеренный период полураспада из всех изученных радионуклидов, ~2,2·1024 лет.

Исключение по нестабильности из элементов легче висмута составляют прометий и технеций, не имеющие долгоживущих относительно длительности геологических эпох изотопов. Наиболее долгоживущий изотоп технеция — технеций-98 — имеет период полураспада около 4,2 млн лет, а самый долгоживущий изотоп прометия — прометий-145 — 17,5 лет. Поэтому изотопы технеция и прометия со времени формирования Земли не сохранились в земной коре и получены искусственно.

Существует много природных радиоактивных изотопов, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли или многократно превышает его, поэтому, несмотря на их радиоактивность, эти изотопы содержатся в природной изотопной смеси соответствующих элементов. Примерами могут служить калий-40, рений-187, рубидий-87, теллур-128 и многие другие.

Измерение отношения концентраций некоторых из долгоживущих изотопов и продуктов их распада позволяет абсолютно геологически датировать время кристаллизации горных минералов, пород и метеоритов.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий