Радиоактивность. Спектр частиц




Введение.

Фи́зика (от др.-греч. природа) — область естествознания. Наука о простейших и наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении. Законы физики лежат в основе естествознания. В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем славится современное общество появилось в результате применения на практике физических открытий.

Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Первобытные люди боялись абсолютно всего потому, что не могли дать объяснения. Возьмем, к примеру, огонь. Сегодня без него мы не представляем жизни. Готовка пищи, двигатели, отопление – множество сфер человеческой жизни связано с огнем. А представьте какой страх был перед ним у наших первых предков: святящийся, обжигающий объект, который не щадит на своем пути ничего. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Физика, в свою очередь делится на разделы:

· Механика

· Молекулярная физика и термодинамика

· Оптика

· Электродинамика

· Ядерная физика и др.

Мой сегодняшний доклад из раздела именно ядерной физики.

Ядерная физика.

Я́дерная фи́зика — раздел физики изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции).

Первое явление из области ядерной физики было открыто в 1896 г. Анри Беккерелем (рис 1). Это естественная радиоактивность солей урана, проявляющаяся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызывать ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.

 

Антуан Анри Беккерель (фр. Antoine Henri Becquerel; 15 декабря 1852 — 25 августа 1908) — французский физик, лауреат Нобелевской премии по физике и один из первооткрывателей радиоактивности.  

Рис 1. Антуан Анри Беккерель (1852 – 1908)

Детальное экспериментальное изучение радиоактивных излучений было произведено Резерфордом в 1899г. (Рис 2). Он показал, что радиоактивные излучения неоднородны и состоят из 2 типов лучей, названных, соответственно, α- и β-лучами (γ-лучи были открыты уже в 1900г. Ф. Вилардом (французский физик). Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных электронов, альфа-лучи — из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие. Все это стало ясно благодаря опытам Резерфорда.

 

 

Опыты Резерфорда.

   

 

Опыт состоял в следующем. Радиоактивный препарат помещали на дно узкого канала свинцового цилиндра, напротив помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало магнитное поле. При этом вся установка находилась в вакууме. В магнитном поле пучок распадался на три части. Две составляющие первичного излучения отклонялись в противоположные стороны, что указывало на наличие у них зарядов противоположных знаков. Третья составляющая сохраняла прямолинейность распространения, что означало отсутствие заряда.   Рис 2. Опыт Резенфорда.

Следующий опыт, сделанный Резерфордом совместно с Гансом Гейгером и Эрнстом Марсденом в 1909 году, поменял представление о строении ядра атомов.

Эксперимент заключался в том, что пучок альфа-частиц, проходя через тонкую золотую фольгу, не должен был отклоняться. Но Ганс Гейгер и Эрнст Марсден обнаружили отклонение альфа-частиц на большие углы (иногда они отскакивали обратно). Рис 3. Эксперимент Гейгера — Марсдена    

По итогам данного эксперимента Резерфорд в 1911 г. предложил планетарную модель атома, в этой модели почти вся масса атома сосредоточена в крохотном, по сравнению с размерами атома, сверхплотном ядре. Были проведены расчёты размера ядра атома золота, и эти результаты всего на 20 % отличались от современного значения.

Этот эксперимент имел весьма важное значение для физики, так как впервые подтвердил гипотезу существования атомного ядра, что привело к развитию планетарной модели атома Резерфорда.

Теперь давайте более подробно рассмотрим эти самые альфа-частицы и узнаем, что же такое альфа-распад.

 

Альфа-распад

А́льфа-распа́д — вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание ядра гелия – альфа частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер — на 2. Альфа-распад наблюдается только у тяжёлых ядер (атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше 200).

α-радиоактивность (альфа-излучение) — поток альфа-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца или образующихся в ходе ядерных реакций. Альфа-излучение обладает малой проникающей способностью (несколько сантиметров в воздухе и миллиметры в биологической ткани).

Альфа частица - ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Имеет статический электрический заряд равный +2, ее массовое число равно 4. Установили также, скорость α-частиц составляет примерно 1/10 скорости света. Все эти данные послужили доказательством того, что α-частицы представляют собой ядра гелия (Z = +2; А = 4)

 

 

При α-распаде исходного ядра атомный номер образовавшегося ядра уменьшается на две единицы, а массовое число уменьшается на 4 единицы, согласно схеме:

 

Примерами α - распада могут служить распад изотопа урана - 238:

 

(при этом распаде ядро тория и альфа - частица разлетаются с кинетическими энергиями 0.07 МэВ и 4.18 МэВ) и радия-226:

 

 

Здесь проявляется правило сдвига, сформулированное Фаянсом и Содди: элемент, образовавшийся из другого элемента при испускании α-лучей, по своим химическим свойствам занимает в периодической системе Менделеева место на две группы левее исходного элемента.

По энергии излучений, испускаемых при радиоактивном распаде, можно судить об энергетических уровнях ядер. Поэтому радиоактивные процессы часто изображают в виде схем распада, на которых горизонтальными линиями отмечаются уровни энергии исходного и конечного ядер, а стрелками — характер и направление ядерного перехода. Около стрелок указывается энергия испускаемого излучения в МэВ. Степень неустойчивости ядер характеризуется величиной периода полураспада - промежутка времени, в течение которого распадается половина ядер данного радиоактивного изотопа. На схемах распада указывают символы распадающегося и образующегося изотопов и периоды полураспада радиоактивных ядер. Большинство радиоактивных изотопов имеет сложные схемы распада. В таких случаях на схемах указывают процент данного вида излучения по отношению к общему числу переходов. α-Распад изображают жирной (или двойной) стрелкой, направленной влево (Рис. 4).

 

Рис.4. Схема распада 230Th

 

Энергия α-частиц

Кинетическая энергия α-частиц при α-распаде (Еα) определяется массами исходного и конечного ядра и α-частицы. Эта энергия может несколько уменьшаться, если конечное ядро образуется в возбуждённом состоянии и, напротив, несколько увеличиваться, если возбуждённым было испускающее α-частицу ядро (такие α-частицы с увеличенной энергией называются длиннопробежными). Однако во всех случаях энергия α-распада продолжает быть однозначно связана с разностью масс и уровнями возбуждения исходного и конечного ядер, а потому спектр испускаемых α-частиц всегда является не сплошным, а линейчатым.

 

Для того чтобы происходил α-распад, необходимо, чтобы масса исходного ядра M(A,Z) была больше суммы масс конечного ядра M(A-4, Z-2) и α-частицы Mα:

M(A,Z) > M(A-4, Z-2) + Mα

 

В результате α-распада ядра (A,Z) в конечном состоянии образуются два продукта распада: α-частица и ядро (A-4, Z-2). Поэтому энергия α‑частицы Eα имеет фиксированное значение, определяемое законами сохранения энергии и импульса.

 

 

где Qα=[M(A,Z)-M(A-4,Z-2)+Mα]c2- энергия α-распада.
Так как Mα << M(A-4, Z-2), основная часть энергии α-распада уносится α-частицей и лишь ≈ 2% − конечным ядром (A-4, Z-2).

 

Радиоактивность. Спектр частиц

Чтобы выяснить, для каких элементов периодической системы возможна α-радиоактивность с энергетической точки зрения, представим графически зависимость экспериментально найденной энергии Q α-распада от массового числа А. Рисунок 5 дает такую зависимость для наиболее устойчивых (β-стабильных) изобаров, соответствующих рассматриваемому массовому числу А. Тонкие наклонные прямые линии позволяют приближенно определить энергию α-распада, какой она должна была бы быть, если бы период полураспада составлял 1 час и 108 лет соответственно. Видно, что альфа-распад становится энергетически возможным только при A > 140. Далее, видно, что кривая имеет два резко выраженных максимума. В этих максимумах и их окрестностях, в соответствии с законом Гейгера—Неттола, период полураспада минимален. В остальных случаях период полураспада получается слишком большим и α-распад практически невозможно наблюдать. Один максимум лежит в области тяжелых элементов, другой — в области редкоземельных элементов. Для этих элементов (в основном тяжелых) и наблюдается альфа-радиоактивность. Максимум в окрестности А = 145 связан с заполнением нейтронной оболочки до магического числа N = А — Z = 82, а максимум при А = 215 — с заполнением протонной оболочки до того же магического числа Z = 82. Заполненным оболочкам, как известно, соответствуют максимальные энергии связи, чем и объясняется происхождение максимумов на кривой рис. 5.

 

Рис. 5 Зависимость энергии α-распада от массового числа

 

Более полные выводы можно получить, если рассмотреть дополнительные данные, относящиеся к энергии α-распада для различных изотопов одного и того же элемента. Это сделано на рис. 6 для тяжелых элементов. Различные изотопы одного и того же элемента соединены поочередно сплошными и штриховыми линиями. Светлые точки с направленными вверх стрелками соответствуют случаям, когда энергия α-распада установлена недостаточно точно.

 

 

Рис. 6 Энергия α-распада для различных изотопов одного и того же элемента

 

Альфа-радиоактивность за редким исключением (например, 8Be) не встречается среди легких и средних ядер. Подавляющее большинство α-радиоактивных изотопов (более 200) расположены в периодической системе в основном за свинцом. Это связано с тем, что α-распад связан с кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z2), чем ядерные силы притяжения, которые растут линейно с ростом массового числа A. Энергетическое условие возможности α-распада заключается в том, чтобы энергия связи (-Е) α-частицы относительно материнского ядра была отрицательна. Т.е. для того, чтобы ядро было α -радиоактивным необходимо, чтобы было выполнено условие, являющееся следствием закона сохранения энергии:

 

где M(A,Z) и M(A-4,Z-2) - массы покоя исходного и конечного ядер соответственно, Mα - масса α-частицы. При этом в результате распада конечное ядро и α-частица приобретают суммарную кинетическую энергию Е. Ядра могут испытывать α-распад также на возбужденные состояния конечных ядер и из возбужденных состояний начальных ядер. Поэтому соотношение для энергии α-распада можно обобщить следующим образом:

 

где Ei* и Ef* - энергии возбуждения начального и конечного ядер соответственно. α-частицы, возникающие в результате распада возбужденных состояний, получили название длиннопробежных. Энергия связи оказывается отрицательной почти для всех β-стабильных ядер с A>190 и для многих ядер с 150 < A < 190. Эти нуклиды должны быть α-радиоактивными. Однако во многих случаях время жизни этих ядер слишком велико и α-радиоактивность не удается наблюдать (максимальный период полураспада, который пока можно зарегистрировать равен 1016 лет). Кроме того, часть «потенциально» α-радиоактивных ядер испытывают также β-распад, который сильно конкурирует с α-распадом.

Известно свыше 300 α-активных ядер, большинство из которых получено искусственно. Подавляющее большинство последних сосредоточено в области транссвинцовых ядер с Z>82. Имеется группа α-активных ядер в области редкоземельных элементов (А=140-160), а также небольшая группа в промежутке между редкоземельными и тяжелыми ядрами. В ядерных реакциях с тяжелыми ионами синтезированы несколько α-излучающих нейтронно-дефицитных ядер с А~110. В естественных условиях на Земле существует около 40 α-радиоактивных изотопов. Они объединены в три радиоактивных ряда, которые начинаются с 236U (A = 4n), 238U (A = 4n+2), 235U (A = 4n+3). К ним можно с некоторой натяжкой, так как изотопы этого ряда успели распасться за время существования Земли, отнести четвертый ряд, который начинается c 237Np (A = 4n+1). После ряда последовательных распадов образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z=82, N=126) соответственно 208Pb, 206Pb, 207Pb, 209Bi. α-распады перемежаются β-распадами, так как при α-распадах конечные ядра оказываются все дальше от линии β-стабильности, т.е. перегружены нейтронами. При уменьшении массового числа для β-стабильных ядер отношение количества нейтронов и протонов должно уменьшаться. Наблюдаемые времена жизни α-активных ядер лежат в пределах от 1017 лет (204Pb) до 3*10-7 с (212Po). Долгоживущими являются нуклиды 142Ce, 144Ne, 174Hf, периоды полураспада которых составляют 2*1015 - 5*1015 лет.

Рис. 7. Экспериментальный α- спектр

изотопов плутония.

 

Табл. 1 Энергии α-частиц некоторых α-излучателей

 

 

Спектр α-частиц, возникающих при распаде материнского ядра, представляет ряд моноэнергетических линий, соответствующих переходам на различные уровни дочернего ядра. Так как α-частица не имеет спина, правила отбора по моменту количества движения I = L и четности, которые вытекают из соответствующих законов сохранения, оказываются простыми. Угловой момент L α-частицы может принимать значения в интервале:

 

IiI f LIi + If, (5)

 

где Ii и If - угловые моменты начального и конечного состояния ядер (материнского и дочернего). При этом разрешены только четные значения L, если четности обоих состояний совпадают, и нечетные, если четности не совпадают. α-распад является важным методом изучения нижних энергетических состоянии тяжелых ядер).

 

Взаимодействие α-частиц с веществом .

По сравнению с другими частицами α-частицы являются физически и электрически достаточно большими, состоящими из четырех нуклонов и двух положительных зарядов. Во время движения α-частиц через поглотитель, они воздействуют электрическими силами на орбитальные электроны атома поглотителя. Орбитальные электроны переводятся на более высокие энергетические оболочки или покидают атом, образуя ионные пары.

α-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8—15 МэВ. При движении α-частицы в веществе она создаёт сильную ионизацию окружающих атомов при малой длине пробега и в результате очень быстро теряет энергию. Например, α-частица с энергией 3.5 МэВ имеет пробег приблизительно 20 мм и производит около сто тысяч пар ионов в воздухе. α-частица с такой же энергией пройдет в биологической ткани приблизительно 0.03 мм (или 30 мкм). Лист бумаги толщиной около 0,1 мм уже непрозрачен. То есть, если в опыте Резерфорда (Рис. 2) накрыть отверстие бумагой – α-частицы на фотобумаге не будут зафиксированы!

Воздействие α-частиц на человека.

Энергии α-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими α-частицами отсутствует. Внешнее α-облучение опасно для здоровья только в случае высокоэнергичных α-частиц (с энергией выше десятков МэВ), источником которых является ускоритель. Однако проникновение α-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно живые ткани организма, весьма опасно для здоровья, поскольку большая плотность ионизации вдоль трека частицы сильно повреждает биомолекулы. Считается, что при равном энерговыделении (поглощённой дозе) эквивалентная доза, набранная при внутреннем облучении α-частицами с энергиями, характерными для радиоактивного распада, в 20 раз выше, чем при облучении гамма- и рентгеновскими квантами. Однако следует отметить, что линейная передача энергии высокоэнергичных α-частиц (с энергиями 200 МэВ и выше) значительно меньше, в связи с чем их относительная биологическая эффективность сравнима с таковой для γ-квантов и β-частиц.

Таким образом, опасность для человека при внешнем облучении могут представлять α-частицы с энергиями 10 МэВ и выше, достаточными для преодоления омертвевшего рогового слоя кожного покрова. В то же время большинство исследовательских ускорителей α-частиц работает на энергиях ниже 3 МэВ.

Гораздо большую опасность для человека представляют α-частицы, возникающие при α-распаде радионуклидов, попавших внутрь организма (в частности, через дыхательные пути или пищеварительный тракт). Достаточно микроскопического количества α-радиоактивного вещества, чтобы вызвать у пострадавшего острую лучевую болезнь, зачастую с летальным исходом.

 

 

Вывод.

 

α-распад имеет огромнейшее значение в жизни человека. В частности в радиоизотопной энергетике. Используемые α-радиоактивные изотопы во всевозможных радиоизотопных источниках энергии представляют собой наиболее мощные источники энергии, и в сравнении с β-радиоактивными изотопами выделяют на порядок большую энергию. Помимо этой области, α-распад ряда изотопов имеет огромное значение в производстве и применении разнообразных нейтронных источников, в которых используется α-нейтронная ядерная реакция с бериллием:

Наиболее технологически отработанные полоний-бериллиевый, Плутоний-238-бериллиевый источники нейтронов используются в самых разнообразных научных областях исследования, при нейтронно-активационных анализах вещества, при нейтронном каротаже буровых скважин и др. Самое главное – соблюдение всех мер безопасности. И тогда это явление природы можно использовать с пользой для человечества и без вреда для всего окружающего.

 

Список литературы:

 

«ФИЗИКА. 11 Класс» Учебник для общеобразовательных учреждений Г.Я. Мякишев «Просвящение» Москва 2010г.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-08 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: