Продолжаем изучать третей модуль курса
"Элементы атомной и ядерной физики" –
"Явление радиоактивности".
Сейчас мы рассмотрим различные виды распадов,
и начнем с альфа-распада.
После большого количества исследований,
которые были проведены в начале 20 века,
т.е. в 1910–20–30хх годах,
когда люди узнали, что различные изотопы
испытывают разные виды распадов.
Было разработано несколько классификаций
радиоактивных распадов,
при этом распады можно разделить
на элементарные (или одноступенчатые)
и на сложные (двухступенчатые).
К элементарным превращениям относятся:
альфа-распад,
бета-распад (который имеет три вида:
минус-бета, плюс-бета и электронный захват),
спонтанное деление (<i>SF</i>).
Именно эти три вида распадов
наиболее часто встречаются в природе
и с ними надо познакомиться наиболее подробно.
Гораздо редкими событиями являются:
протонный распад,
двухпротонный распад,
двунейтронный распад.
Сложные (двухступенчатые распады)
тоже бывают разные.
Наиболее известный подобный распад –
это бета-минус распад
с испусканием запаздывающих нейтронов.
В рамках нашего курса
вы, изучая реакцию деления,
будете слышать слова,
что запаздывающие нейтроны –
очень важны для безопасности реактора.
Поэтому я и решил рассказать вам
об этом сложном распаде уже в самом начале
вашего знакомства с ядерной физикой.
С распадами, о которых я сказал выше, –
альфа-распад и бета-распад –
нам необходимо познакомиться поближе
для того, чтобы вы научились решать задачи
и для того, чтобы вы стали знакомиться
с конкретными изотопами, которые испытывают
тот или иной вид распада.
Ранее, в предыдущей лекции,
я попросил вас познакомиться с системой JANIS,
установить ее к себе на компьютер.
И хотелось бы, чтобы, выполняя задания,
которые вы получите в рамках нашего курса,
вы пользовались этой системой.
Сегодня, приводя различные примеры,
я буду просить вас проверить на компьютере
те данные, о которых я буду говорить.
Итак, давайте рассмотрим альфа-распад.
Общая схема альфа-распада
представлена на рисунке.
Здесь следует отметить,
что <i>Х</i> – это символ химического элемента
с массовым числом <i>А</i>
и зарядовым числом <i>Z</i>.
Понятно, что нет в периодической системе
элемента с символом <i>Х</i>.
На это место можно ставить
любой символ из таблицы Менделеева,
который испытывает тот или иной вид распада,
в частности альфа-распад.
Испытывая альфа-распад,
мы получаем два дочерних продукта,
один из которых – ядро гелия
(гелий два – зарядовое число,
четыре – массовое число)
(или еще данный изотоп называется
"альфа-частичка").
Второй изотоп – это уже другой изотоп,
обозначим индексом <i>Y</i>,
который имеет заряд <i>Z</i>–2
и который имеет массовое число <i>А</i>–4.
То есть массу, атомную массу
на 4 меньше, чем исходное ядро.
Данное уменьшение зарядового числа связано
с законом сохранения электрического заряда,
уменьшением массового числа —
с сохранением числа нуклонов в данной реакции.
Давайте теперь посмотрим на конкретных примерах,
как мы можем записать реакции альфа-распада,
используя эту простую формулу.
Посмотрим на карту нуклидов.
На ней мы можем увидеть,
что стабильных изотопов не так много.
В основном на карте нуклидов
представлены радиоактивные изотопы.
Альфа-радиоактивными изотопами
являются тяжелые ядра –
это ядра с зарядом <i>Z</i> больше 82,
то есть, которые находятся в таблице за свинцом.
К таким ядрам, которые есть в природе,
относятся изотопы урана, тория
и химические элементы, которые
сделаны людьми и отсутствуют в природе:
нептуний, плутоний, америций, кюрий и другие.
Наиболее известным элементом изотопа,
который испытывает альфа-распад,
является уран.
Если мы найдем уран на карте нуклидов,
то увидим, что у этого элемента
есть довольно много изотопов.
В природе встречаются три из них –
это изотопы урана-238, 235 и 234.
Давайте рассмотрим, как можно записать
альфа-распад изотопа урана-238.
Используя приведенную ранее схему,
заменяем <i>X</i> на химический символ урана – <i>U</i>.
Записываем его зарядовое число – 92
и массовое число – 238.
Далее ставим стрелку,
над которой я советую
записывать символ альфа,
чтобы подчеркнуть рассматриваемый вид распада.
Затем мы оставляем место
для дочернего элемента
(так как мы пока не знаем, какой элемент получим)
и после знака "плюс"
записываем гелий два четыре.
Теперь мы можем внести
зарядовое и массовое числа нового элемента:
92 – 2 = 90;
238 – 4 = 234.
Девяносто означает
зарядовое число дочернего изотопа.
Что это за изотоп?
Этот изотоп может быть найден
по таблице Менделеева или по карте нуклидов.
Я, например, воспользуюсь картой нуклидов
и определю, что номер 90, связан с элементом,
который называется торий
и записывается как <i>Th</i>.
Тем самым мы получаем уже
конкретный вид альфа-распада:
уран-238 распадается
на изотоп торий-234
и альфа-частичку.
При этом, в этом распаде выделяется
большое количество энергии,
которое уносит с собой,
в основном, альфа-частичка.
Она с большой скоростью
с энергией в несколько электронвольт
вылетает из ядра
и движется практически по прямой.
На своем пути она может встретить
различные ядра
и вступить с ними во взаимодействие.
Но так как мы помним,
что размер ядра составляет 10 в –15 см,
и вещество в основном состоит из пустоты,
потому что размер атома 10 в –10 см,
движение альфа-частички может протекать
довольно длительное время без столкновений.
Конечно, альфа-частички имеют электрический заряд
и до столкновения начнут взаимодействовать
с помощью электрических сил
с электрическими зарядами тех же ядер,
рядом с которыми они будут пролетать.
Но если она будет пролетать рядом с ними,
она отклонится, но не остановится.
Поэтому пробеги альфа-частиц в воздухе
довольно большие
и поэтому, после того как люди поняли
что такое альфа-распад,
они стали изготавливать альфа-источники.
Ведь не только уран испытывает альфа-распад.
Уран-238 испытывает альфа-распад
с периодом полураспада равным 4,5 млрд лет,
что соответствует, приблизительно, возрасту Земли!
Это очень большое время!
Активность природного урана очень низкая,
однако,
в его продуктах распада есть другие изотопы,
которые имеют гораздо меньшие периоды
и могут довольно активно испускать альфа-частицы.
И вот выделение таких изотопов,
прежде всего радия,
позволило создавать радиевые альфа-источники,
которые начиная с начала 20 века
стали коммерчески изготавливаться и использоваться
в различных научных лабораториях.
В книге американского писателя
Митчелла Уилсона "Живи с молнией"
на первых страницах рассказывается о физике,
который жил в 20-хх годах в Америке
и работал в лаборатории,
изучавшей взаимодействие альфа-частиц
с различными веществами.
Если вы любите литературу,
то прочтите эту книгу,
она рассказывает об истории физика
и показывает в чем заключается труд физиков.