Conditions de désintégration des éléments radioactifs. Propriétés générales de la désintégration bêta

La désintégration radioactive est un processus dans lequel des particules élémentaires sont perdues du noyau d'un isotope, ce qui entraîne une augmentation de la concentration de l'isotope. élément stable. Ces substances subatomiques quittent l’atome à une vitesse fulgurante. À mesure que l'isotope se désintègre, il émet des substances radioactives rayonnement gamma, ainsi que des particules alpha et bêta. Explication ce processus c'est que la plupart des noyaux sont instables. Les isotopes sont des variétés du même élément chimique avec le même nombre de protons, mais avec différentes quantités neutrons.

Types de désintégrations radioactives alpha et bêta. En savoir plus à leur sujet ci-dessous. Lors de la désintégration alpha, de l'hélium est libéré, également appelé particule alpha ; lors de la désintégration bêta, le noyau d'un atome perd un électron et avance le long du chemin. tableau périodique une position, et le rayonnement gamma est la désintégration des noyaux avec l'émission simultanée de photons, ou rayons gamma. DANS ce dernier cas le processus se déroule avec une perte d'énergie, mais sans modification de l'élément chimique.

La réaction de désintégration radioactive se déroule de telle manière que, pendant un certain temps, du noyau des éléments émanent un nombre de nucléons proportionnel au nombre de nucléons restant encore dans le noyau. Autrement dit, plus il en reste dans l’atome, plus il en sortira. Le taux de désintégration d'un atome est déterminé par ce que l'on appelle la constante de radioactivité, également connue sous le nom de constante de désintégration radioactive. Cependant, ce n’est pas ce qui est habituellement mesuré en physique. Au lieu de cela, une valeur telle que la demi-vie est utilisée, c'est-à-dire le temps pendant lequel le noyau perdra la moitié de ses nucléons. Cela dépend du type de substance et peut durer de parts insignifiantes quelques secondes à des milliards d'années. En d’autres termes, certains noyaux atomiques peuvent exister éternellement, tandis que d’autres peuvent exister très peu de temps avant de se désintégrer.

L’isotope qui était l’isotope d’origine au cours du processus de désintégration est appelé isotope parent, et le résultat résultant est appelé isotope fille.

Les éléments radioactifs sont créés dans la grande majorité des cas à la suite d’une chaîne de réactions de fission atomique. Par exemple : le noyau « mère » (primaire) se divise en plusieurs noyaux « filles », qui, à leur tour, se divisent également. Et cette chaîne n’est interrompue que lorsque des isotopes stables se forment. Par exemple : la demi-vie de l’uranium est supérieure à quatre milliards et demi d’années. Pendant ce temps, cet élément forme d’abord du thorium, qui à son tour devient du palladium, et au bout de toute cette longue chaîne il y aura du plomb. Ou plutôt son isotope stable.

La désintégration radioactive présente un certain nombre de caractéristiques qui lui sont propres. On ne peut pas garder le silence sur son « Effets secondaires" Par exemple, si nous prélevons un échantillon d’un isotope radioactif, nous obtenons, suite à sa désintégration, une série avec différents poids graines. De nombreuses chaînes de fission peuvent être citées en exemple. La radioactivité est dans l'ensemble, phenomene naturel. Après tout, la désintégration nucléaire des substances s’est produite bien avant que l’homme ne découvre ces mécanismes. Cependant, l’activité de cette désintégration a entraîné une augmentation du fond radioactif de la planète entière. En particulier, en raison de l'accélération artificielle de ces processus naturels.

La désintégration radioactive pour l’humanité entraîne à la fois de nouvelles opportunités et de nouveaux dangers. Il convient de rappeler au moins le processus qui conduit notamment à la formation de radon-222. Ce gaz est grandes quantités trouvé sur la planète. En soi, il ne présente aucun danger, mais seulement jusqu'à ce que les noyaux de ses atomes commencent à se désintégrer en d'autres éléments. Ses produits de fission, notamment dans une zone non ventilée, sont nocifs pour la santé humaine.

La désintégration radioactive en tant que processus peut être bénéfique. Mais seulement si vous utilisez correctement ses produits. Par exemple, le phosphore radioactif, injecté dans l'organisme, permet d'obtenir des informations sur l'état des os du patient. Les rayons qu'il émet sont enregistrés par des équipements photosensibles, ce qui permet d'obtenir des images précises avec les sites de fracture enregistrés. Le degré de radioactivité est très faible et ne peut nuire à l'homme.

Considérons le deuxième cas en utilisant l'exemple de la désintégration de l'isotope du chlore-17, dont le schéma est présenté sur la figure 7.

Il ressort clairement du diagramme que la désintégration b réelle du chlore-17 peut se produire de trois manières (lignes bleues).

Dans le premier cas, l’atome du nucléide fille Argon-18 est formé à l’état fondamental. Ceci complète l’acte de désintégration unique.

Dans le second cas, l'atome du nucléide fille est formé dans un état excité (l'énergie d'excitation est de 2,170 MeV). Un atome est dans un état excité temps limité, après quoi il passe à l'état fondamental, émettant un g-quantum. L'énergie de ce quantum est exactement égale à l'énergie d'excitation.

Dans le troisième cas, l'atome du nucléide fille est également formé dans un état excité (l'énergie d'excitation est de 3,77 MeV). Cependant, contrairement au deuxième cas, l'atome du nucléide fille peut ici passer à l'état fondamental de deux manières.

Premièrement, l’atome peut immédiatement passer à l’état fondamental en émettant un quantum gamma d’une énergie de 3,77 MeV. La probabilité d'une telle transition est faible et seulement 0,06 % des atomes « empruntent » cette voie.

Deuxièmement, (pour cela le chemin va la grande majorité des atomes - 99,94 %), un atome peut d'abord émettre un quantum g avec une énergie de 1,60 MeV et passer dans un état avec une énergie d'excitation plus faible, puis, après un certain temps, passer à l'état fondamental, émettant un g-quantique avec l'énergie 2,17 MeV. Une telle émission séquentielle de g-quanta est appelée une g-cascade.

Il est évident que le spectre énergétique des g-quanta dans dans ce cas volonté gouverné. Le spectre comportera trois raies avec des énergies de 1,60 MeV, 2,17 MeV et 3,77 MeV.

Si les atomes du nucléide fille ne sont formés que dans l'état fondamental, alors dans ce cas, le nucléide parent sera faire le ménage un émetteur a ou b, mais il n'y aura pas de rayonnement g.

Un exemple est la désintégration du polonium-210 (émetteur a pur), dont le diagramme est présenté sur la figure 8.

Lorsque des quanta gamma sont émis, l'énergie des quanta peut être comprise entre 5 KeV et 7 MeV, la limite inférieure se situant dans la région de la caractéristique rayonnement X.

Du fait que les g-quanta n’ont ni charge électrique, ni la masse au repos, l'émission de g-quanta n'entraîne pas de modification du nombre de nucléons A et de la charge du noyau Z.

Quantique avec énergie D E, différence égaleénergies du noyau nucléide fille dans le E 2 initial (excité) et E 1 final (principal ou excité avec une énergie d'excitation inférieure) :

ré e = e 2 - e 1 = e g

Il n’est pas toujours possible de quitter l’atome.

Il interagit souvent avec l’un des électrons de la couche atomique. Si l'énergie D E est supérieure à l'énergie de liaison de l'électron E St, alors l'électron a une chance de quitter l'atome. Ces électrons sont appelés électrons de conversion. Évidemment, l’énergie de ces électrons sera la même que l’énergie des g-quanta discret:

E e = E g - E st - E département

où E est l'énergie de recul du nucléide fille (voir Fig. 9).

Dans la plupart des cas, les électrons de conversion sont les électrons de la couche K la plus proche du noyau. Si l'énergie donnée par le noyau est inférieure à Est pour les électrons de la couche K, alors les électrons de conversion sont séparés des couches externes (L, M), où l'énergie de liaison est plus faible.

Après la suppression d'un électron de conversion, une lacune se forme, qui est remplie d'électrons provenant des couches externes. Dans ce cas, il se forme le rayonnement X correspondant, appelé caractéristique K a, K b, La, ...

Le rayonnement X caractéristique peut à son tour être converti. Les électrons émis dans ce cas sont appelés électrons Auger du nom du scientifique qui les a découverts.

La figure 10 montre un diagramme qui explique tout ce qui a été dit.

La plupart des noyaux atomiques sont instables. Tôt ou tard, ils spontanément (ou, comme disent les physiciens, spontanément) se désintègre en noyaux plus petits et en particules élémentaires, communément appelées produits de décomposition ou éléments enfants. Les particules en décomposition sont généralement appelées matières premières ou parents. Tous les produits chimiques que nous connaissons (fer, oxygène, calcium, etc.) possèdent au moins un isotope stable. (Isotopes on appelle les variétés d'un élément chimique avec le même nombre de protons dans le noyau - ce nombre de protons correspond au numéro atomique de l'élément - mais différents numéros neutrons.) Le fait que ces substances nous soient bien connues indique leur stabilité - ce qui signifie qu'elles vivent assez longtemps pour quantités importantes accumuler dans conditions naturelles, sans décomposition en composants. Mais chacun d'eux éléments naturels Il existe également des isotopes instables - leurs noyaux peuvent être obtenus au cours de réactions nucléaires, mais ils ne vivent pas longtemps car ils se désintègrent rapidement.

Désintégration nucléaire éléments radioactifs ou les isotopes peuvent se produire de trois manières principales, et les réactions correspondantes fission nucléaire nommé avec les trois premières lettres alphabet grec. À désintégration alpha Un atome d'hélium composé de deux protons et de deux neutrons est libéré - on l'appelle généralement particule alpha. Étant donné que la désintégration alpha entraîne une diminution de deux du nombre de protons chargés positivement dans un atome, le noyau qui a émis la particule alpha se transforme en noyau d'un élément deux positions plus bas dans le tableau périodique. À désintégration bêta le noyau émet un électron et l'élément se déplace d'une position avant selon le tableau périodique (dans ce cas, essentiellement, un neutron se transforme en proton avec le rayonnement de cet électron même). Enfin, désintégration gamma - Ce désintégration des noyaux avec émission de photons de haute énergie, communément appelés rayons gamma. Dans ce cas, le noyau perd de l’énergie, mais l’élément chimique ne change pas.

Cependant, le simple fait de l'instabilité de l'un ou l'autre isotope d'un élément chimique ne signifie pas qu'en rassemblant un certain nombre de noyaux de cet isotope, vous obtiendrez une image de leur désintégration instantanée. En réalité, la désintégration du noyau d'un élément radioactif rappelle un peu le processus de friture du maïs lors de la fabrication du pop-corn : les grains (nucléons) tombent de « l'épi » (noyau) un à la fois, dans un ordre complètement imprévisible, jusqu'à ce qu'ils tombent tous. La loi décrivant la réaction de désintégration radioactive, en fait, ne fait qu'énoncer ce fait : sur une période de temps déterminée, un noyau radioactif émet un nombre de nucléons proportionnel au nombre de nucléons restant dans sa composition. Autrement dit, plus il reste de grains-nucléons dans le noyau d'épi « pas assez cuit », plus ils seront libérés pendant un intervalle de temps de « friture » ​​fixe. En traduisant cette métaphore dans le langage formules mathématiques nous obtenons une équation décrivant la désintégration radioactive :

d N = λN d t

où d N— nombre de nucléons émis par un noyau avec nombre total nucléons N dans le temps d t, UN λ - déterminé expérimentalement constante de radioactivité substance d’essai. Ci-dessus formule empirique représente un linéaire équation différentielle, dont la solution est fonction suivante, décrivant le nombre de nucléons restant dans le noyau à un moment donné t:

N = N 0 e - λt

Où N 0 est le nombre de nucléons dans le noyau par moment de départ observations.

La constante de radioactivité détermine ainsi la rapidité avec laquelle le noyau se désintègre. Cependant, les physiciens expérimentateurs ne le mesurent généralement pas, mais ce qu'on appelle demi-vie noyau (c'est-à-dire la période pendant laquelle le noyau étudié émet la moitié des nucléons qu'il contient). Pour différents isotopes de différentes substances radioactives, les demi-vies varient (en pleine conformité avec les prévisions théoriques) de quelques milliardièmes de seconde à des milliards d'années. Autrement dit, certains noyaux vivent presque éternellement et d'autres se désintègrent littéralement instantanément (il est important de se rappeler ici qu'après la demi-vie, la moitié de la masse totale reste Materiel de départ, après deux demi-vies - un quart de sa masse, après trois demi-vies - un huitième, etc.).

Quant à l’émergence d’éléments radioactifs, ils naissent de différentes manières. En particulier, l'ionosphère (la couche supérieure raréfiée de l'atmosphère) de la Terre est constamment bombardée. rayons cosmiques, constitué de particules avec hautes énergies (cm. Particules élémentaires). Sous leur influence, les atomes à vie longue se divisent en isotopes instables : notamment de l'azote 14 stable à l'atmosphère terrestre l'isotope instable du carbone 14 avec 6 protons et 8 neutrons dans le noyau se forme constamment ( cm. Datation radiométrique).

Mais le cas ci-dessus est plutôt exotique. Bien plus souvent, des éléments radioactifs se forment dans chaînes de réaction fission nucléaire . C'est le nom donné à une série d'événements au cours desquels le noyau d'origine (« mère ») se désintègre en deux « filles » (également radioactives), qui, à leur tour, se désintègrent en quatre noyaux « petites-filles », etc. Le processus se poursuit jusqu'à ce que jusqu'à ce que des isotopes stables soient obtenus. A titre d'exemple, prenons l'isotope uranium-238 (92 protons + 146 neutrons) avec une demi-vie d'environ 4,5 milliards d'années. Cette période est d'ailleurs approximativement égale à l'âge de notre planète, ce qui signifie qu'environ la moitié de l'uranium 238 entrant dans la composition de la matière primordiale de la formation de la Terre se retrouve encore dans la totalité des éléments. nature terrestre. L'uranium 238 se transforme en thorium 234 (90 protons + 144 neutrons), qui a une demi-vie de 24 jours. Le thorium-234 se transforme en palladium-234 (91 protons + 143 neutrons) avec une demi-vie de 6 heures - etc. Après plus de dix étapes de désintégration, l'isotope stable du plomb-206 est enfin obtenu.

À PROPOS désintégration radioactive Il y a beaucoup à dire, mais quelques points méritent d’être particulièrement soulignés. Premièrement, même si nous prenons comme matière première un échantillon pur d'un isotope radioactif, il se désintégrera en différents composants, et bientôt nous obtiendrons inévitablement tout un « bouquet » de différentes substances radioactives avec des masses nucléaires différentes. Deuxièmement, les chaînes naturelles de réactions désintégration atomique rassurez-nous dans le sens où la radioactivité est un phénomène naturel, elle existait bien avant l'homme, et il n'est pas nécessaire de rejeter le péché sur nos âmes et de blâmer seulement civilisation humaine dans ce qui est disponible sur Terre rayonnement de fond. L'uranium 238 existait sur Terre depuis sa création, s'est désintégré, se désintègre - et se désintégrera, et centrales nucléaires accélérer ce processus, en fait, d'une fraction de pour cent ; donc rien de spécial influence néfaste en plus de ce qui est fourni par la nature, ils ne nous affectent ni vous ni moi.

Enfin, l’inévitabilité de la désintégration atomique radioactive pose à la fois des problèmes potentiels et des opportunités potentielles pour l’humanité. En particulier, dans la chaîne de réactions de désintégration des noyaux d'uranium 238, il se forme du radon-222 - un gaz noble sans couleur, sans odeur ni goût, qui ne prend aucune forme. réactions chimiques car il n'est pas capable de former des liaisons chimiques. Ce gaz inerte, et il suinte littéralement des profondeurs de notre planète. Habituellement, il n'a aucun effet sur nous : il se dissout simplement dans l'air et y reste en légère concentration jusqu'à ce qu'il se décompose en éléments encore plus légers. Cependant, si ce radon inoffensif reste longtemps dans une pièce non ventilée, ses produits de désintégration commenceront avec le temps à s'y accumuler - et ils sont nocifs pour la santé humaine (en cas d'inhalation). C’est ainsi que nous obtenons ce qu’on appelle le « problème du radon ».

D'un autre côté, propriétés radioactives les éléments chimiques apportent des avantages significatifs aux gens si vous les abordez judicieusement. Du phosphore radioactif, notamment, est désormais injecté pour produire une image radiographique des fractures osseuses. Le degré de radioactivité est minime et ne nuit pas à la santé du patient. Entrer le tissu osseux corps avec le phosphore ordinaire, il émet suffisamment de rayons pour les enregistrer sur un équipement sensible à la lumière et obtenir des images d'un os cassé littéralement de l'intérieur. Les chirurgiens ont ainsi la possibilité d'opérer une fracture complexe non pas aveuglément et au hasard, mais en étudiant au préalable la structure de la fracture à l'aide de telles images. En général, les candidatures radiographie il en existe d’innombrables dans les domaines de la science, de la technologie et de la médecine. Et ils fonctionnent tous sur le même principe : Propriétés chimiques atome (essentiellement, les propriétés de l'extérieur couche électronique) permettent d'attribuer une substance à un certain groupe chimique; puis, en utilisant les propriétés chimiques de cette substance, l'atome est livré « au bon endroit », après quoi, en utilisant la propriété des noyaux de cet élément de se désintégrer en stricte conformité avec établi par les lois Les physiciens enregistrent « graphiquement » les produits de désintégration.

Tous les noyaux atomiques peuvent être divisés en deux groupes : les noyaux stables et radioactifs (instables). Le nombre d'isotopes stables et d'isotopes ayant une demi-vie comparable à la durée de vie de la Terre est d'environ 350. La plupart des noyaux sont des isotopes instables. Pour qu'une substance radioactive soit découverte dans la nature, sa demi-vie ne doit pas être très longue. moins d'âge La Terre ou elle doit être formée à la suite de la désintégration d'une autre substance radioactive ou lors d'une réaction nucléaire. Parallèlement aux radioactivités α, β et γ et à la fission des noyaux atomiques, de nouveaux types de désintégration radioactive ont été découverts.
Pour plus types rares la désintégration radioactive comprend

• double désintégration β,
• radioactivité protonique et biprotonique,
• radioactivité neutronique,
• radioactivité en grappe.

Dans tous les types de radioactivité (sauf la radioactivité gamma), la composition du noyau change - le nombre de protons Z, numéro de masse A ou les deux.
Les caractéristiques de la désintégration radioactive sont fortement influencées par les interactions qui provoquent la désintégration. La désintégration α est causée par de fortes interactions. La désintégration β est causée par une interaction faible et la désintégration gamma est provoquée par une interaction électromagnétique.
Exister raisons diverses, grâce à quoi la durée de vie des noyaux instables peut varier de plusieurs ordres de grandeur.
a) L'émission de particules lourdes chargées positivement est fortement supprimée par la barrière de potentiel (Coulomb).
b) La longue durée de vie des noyaux radioactifs peut s'expliquer par la faible intensité de l'interaction à l'origine de la désintégration.
c) La durée de vie d'un noyau radioactif dépend fortement de l'énergie libérée lors de sa désintégration. Si cette énergie est faible, alors la durée de vie augmente fortement. L'interaction faible est caractérisée par une dépendance particulièrement forte à l'égard de l'énergie de désintégration Q : τ ~ 1/Q 5 .
d) La durée de vie d'un noyau radioactif dépend également fortement de la différence entre les spins des noyaux initial et final.

Désintégration alpha. Le phénomène de désintégration α est que les noyaux lourds émettent spontanément des particules α. Dans ce cas, le nombre de masse du noyau diminue de quatre unités, et le numéro atomique de deux :

(A,Z) → (A-4,Z-2) + 4 He.

Énumérons les traits empiriques caractéristiques de la désintégration α :
a) La désintégration α se produit sur les noyaux lourds avec Z > 60.
b) Les demi-vies des noyaux radioactifs α connus varient considérablement. Ainsi, l'isotope du tungstène 182 W a T 1/2 > 8,3.10 18 ans, et l'isotope du protactinium 219 Pa a T 1/2 = 5,3.10 -8 s.

Pour les isotopes pairs, la dépendance de la demi-vie sur l'énergie de désintégration α Q α bien décrit par la loi empirique Geiger-Nettol

log T 1/2 = A + B/√Q α ,

où A et B sont des constantes qui dépendent faiblement de Z. Prise en compte de la charge du noyau final Z la relation entre la demi-vie T 1/2 et l'énergie de désintégration α peut être représentée par

log T 1/2 = 9,54·Z 0,6 /√Q α − 51,37,

où la demi-vie T 1/2 est exprimée en secondes et Q α en MeV. L'image montre valeurs expérimentales demi-vies d'un noyau radioactif pair-pair (Z varie de 74 à 106) et leur description à l'aide de la relation Geiger-Nettol.
Pour les noyaux impair-pair, pair-impair et impair-impair La tendance générale est préservé, mais les demi-vies sont 2 à 1 000 fois plus longues que pour les noyaux pairs avec les mêmes Z et Q α.

E. Rutherford, 1936« En 1919, j'ai montré que lors des bombardementsα -les particules d'éléments légers peuvent être détruites en émettant un proton, c'est-à-dire un noyau d'hydrogène. Nous avons donc supposé que le proton devait être l’un des unités structurelles, dont sont constitués les noyaux d’autres atomes, et les théoriciens ont tenté d’expliquer les propriétés du noyau par des combinaisons de protons et d’électrons négatifs. Cependant, il est très difficile de combiner un proton lent et lourd avec un électron léger et mobile dans un espace aussi limité qu'un noyau, et lorsque Chadwick découvrit l'existence d'une particule non chargée - le neutron, cette question trouva apparemment sa solution théorique. Il est alors devenu possible de supposer que les noyaux de tous les atomes sont constitués d’une combinaison de protons et de neutrons, de sorte que, par exemple, l’oxygène de charge 8 et de masse 16 possède 8 protons et 8 neutrons. Il était très idée simple, ce qui signifiait que les particules composant le noyau avaient la même masse. Cependant, la question s'est posée : comment expliquer le fait qu'un électron négatif s'envole souvent du noyau lors de transformations radioactives et qu'un électron positif apparaisse lors de certaines transformations artificielles ? En réponse, les théoriciens ont suggéré que dans l'espace confiné du noyau, où les forces d'interaction entre les particules sont énormes, les protons se transforment en neutrons, et vice versa. Par exemple, si un neutron perd un électron négatif, il devient un proton, et si un proton perd un électron positif, il devient un neutron, donc dans le premier cas une particule négative peut être émise, et dans le second une particule positive. Les électrons et les positons n'existent pas à l'état libre dans le noyau, ils sont associés à un neutron ou à un proton, selon les circonstances, et ne peuvent être libérés que sous certaines conditions, lorsque de grands changements d'énergie se produisent dans le noyau.

Diagramme N-Z des noyaux atomiques. Couleur sombre les isotopes stables sont présentés.

G. Gamov, 1930 : « Le phénomène de radioactivité, déjà découvert à la fin du siècle dernier, indiquait que le noyau d'un atome n'est pas une unité simple, mais qu'il possède une structure complexe. Les particules α et β observées lors de la désintégration radioactive des éléments ont été interprétées par Rutherford comme des éléments constitutifs du noyau éjecté des noyaux instables des atomes lourds, et les rayonnements très durs observés lors de la désintégration, les rayons γ, ont été interprétés comme des perturbations électromagnétiques. causée par la restructuration des noyaux après la désintégration. D'autres expériences de Rutherford ont également montré la possibilité d'une division artificielle des noyaux d'éléments habituellement stables sous l'influence d'influences énergétiques externes.
La découverte des isotopes et les recherches d'Aston, qui ont montré que leurs poids atomiques sont exprimés en nombres très proches des nombres entiers, ont rendu plus que probable que les noyaux de tous les éléments sont construits à partir de protons et d'électrons, et que les formations constituées de quatre protons jouent un rôle important. rôle très important dans la structure du noyau et de deux électrons (particules α) et ont une très grande stabilité.
Des mesures très précises des poids atomiques des isotopes ont révélé de petits écarts par rapport aux nombres entiers (défaut de masse), ce qui a permis de déterminer l'énergie totale de liaison d'un individu. éléments structurels noyaux en un seul tout.
Des études détaillées des spectres des rayons gamma, qui ont montré leur structure linéaire - études que nous devons principalement à Ellis et Meitner - ont conduit à la conclusion que dans le noyau de l'atome, nous avons affaire à l'existence de certains niveaux d'énergie quantique, assez semblables à ceux que l'on rencontre dans système électronique atome.
La plupart fait incroyable, que l’on rencontre dans la théorie de la désintégration nucléaire spontanée, sont ces périodes de temps souvent incroyablement longues pendant lesquelles un noyau instable reste en statu quo avant d’éjecter une particule α ou β. La durée de vie moyenne des éléments radioactifs varie d'une fraction de seconde insignifiante à des périodes extraordinairement longues de plusieurs millions d'années et, pour chaque de cet élément, est une quantité bien définie.
Il a semblé très difficile de trouver les raisons qui retardent le départ d'une particule pendant des périodes aussi longues, si la particule a suffisamment d'énergie pour quitter le noyau, et pendant ce temps les particules α et β éjectées du noyau transportent très, très d'importantes réserves d'énergie.
On sait depuis longtemps qu'il existe une relation bien définie entre l'énergie d'une particule éjectée et la durée moyenne de son séjour dans le noyau dans un état instable (la période de désintégration nucléaire). En 1912, Geiger et Nattall ont remarqué que si pour les éléments qui se désintègrent, on trace l'énergie des particules alpha sur l'axe des abscisses et le logarithme de la constante de désintégration correspondante sur l'axe des ordonnées, alors pour une famille radioactive donnée, les points se situeront approximativement sur une ligne droite. Les trois familles radioactives connues que sont l'uranium, le thorium et l'actinium sont représentées par trois droites parallèles.

Les expériences de Rutherford et Chadwick ont ​​​​montré que dans le cas de collisions très étroites de particules α avec des noyaux d'éléments légers, des écarts du nombre de particules dispersées par rapport à la formule dérivée sous l'hypothèse sont observés Interaction coulombienne. Les écarts observés peuvent s'expliquer par l'hypothèse de l'existence de ces forces d'attraction - nous pouvons ainsi nous faire une idée de la portée et des lois de ces forces. Malheureusement, à l'heure actuelle, il n'existe pas d'étude suffisamment détaillée de la diffusion anormale des particules α, et les conclusions théoriques se résument approximativement aux éléments suivants. Pour les éléments légers (Mg, A1), des forces d'attraction anormales commencent à affecter des distances de l'ordre de 10 -12 cm, variant approximativement en proportion inverse de la puissance quatrième ou cinquième de la distance et domine les répulsions coulombiennes à une distance d'environ 3∙10 -13 cm du centre du noyau - à des distances plus petites, la particule α est évidemment déjà sous l'influence des forces d'attraction totales. Pour les noyaux d'éléments radioactifs lourds qui nous intéressent, en raison de leur charge importante, les particules α dont nous disposons ne peuvent pas s'approcher de distances aussi proches et atteindre la région des forces anormales. Rutherford et Chadwick, dans leurs expériences de diffusion de particules α dans l'uranium, n'ont pu atteindre (en utilisant les particules α les plus rapides) qu'une distance de 3∙10 -12 cm et aucun écart par rapport à la diffusion normale n'a été remarqué - la région des forces d'attraction se situe ici évidemment beaucoup plus près du noyau que 3∙10 -12 cm.
Il semblerait que les résultats de ces expériences avec l'uranium ne puissent nous aider que très peu - puisque la région des forces d'attraction n'a pas pu être atteinte ; Ces expériences contenaient la clé pour élucider le phénomène de désintégration α.
Comparées aux données sur la désintégration des noyaux d'uranium eux-mêmes, ces expériences conduisent à un paradoxe totalement inexplicable du point de vue mécanique classique. En effet : les noyaux des atomes d'uranium sont instables et émettent des particules α d'une énergie d'environ 6.8.10 -6 erg. Selon notre hypothèse sur l'existence de forces d'attraction à proximité du noyau, une particule alpha située dans le noyau d'un élément radioactif est entourée d'une sorte de barrière de potentiel, comme le montre la figure. Le fait que même à des distances de 3∙10 -12 tu vois, nous n'avons que Forces coulombiennes, indique que la hauteur maximale de la barrière est dans tous les cas supérieure à

Comment une particule alpha d'uranium avec une énergie de seulement 6.8.10 -6 erg « rouler » sur une telle barrière ? En d'autres termes : si les particules α « RaG », utilisées dans les expériences de diffusion dans l'uranium, « roulant » le long de la pente externe de la barrière, ne pouvaient pas encore atteindre son sommet, comment α- des particules d'uranium, qui ont beaucoup moins d'énergie, franchissent la barrière et s'envolent ? Du point de vue de la mécanique classique, une particule alpha, traversant une telle barrière plus haute que sa énergie totale, devrait avoir un « négatif » à l’intérieur de la barrière énergie cinétique» et donc « vitesse imaginaire ».
Cependant, la possibilité d'un tel phénomène, en contradiction flagrante avec mécanique classique, est une conséquence directe de la mécanique ondulatoire moderne. Tout comme en optique ondulatoire, la lumière incidente sur l'interface entre deux milieux sous un angle supérieur à l'angle de pleine réflexion interne, pénètre en partie dans le deuxième milieu - tout comme dans la mécanique ondulatoire, les ondes de Broglie-Schrödinger peuvent pénétrer en partie dans la région de la « vitesse imaginaire », permettant aux particules de « rouler » par-dessus la barrière.
Passant à la question de l’émission d’une particule alpha à partir d’un noyau entouré d’une barrière de potentiel, il faut tout d’abord connaître la forme de cette barrière. Nous avons déjà vu que l'évolution du potentiel des forces d'attraction anormales à proximité et à l'intérieur du noyau (rampe interne) n'est pas connue avec précision ; en revanche, il est aisé de constater que le parcours exact du potentiel sur la forte pente interne de la barrière a relativement peu d'effet sur sa perméabilité. Dans ce cas. il est plus rationnel de faire les hypothèses les plus simples sur sa forme ; pour les calculs ultérieurs nous accepterons le modèle de barrière donné par les formules

Ce modèle est caractérisé par deux quantités inconnues : rayon du noyau r 0 Et potentiel interne U. La question du départ d'une particule alpha de l'espace entourée d'une barrière de potentiel revient à résoudre l'équation des ondes, qui donne une onde sphérique reculante à l'extérieur du noyau. Ce problème conduit à un certain nombre d'énergies discrètes (quantiques) de la particule α située à l'intérieur de la barrière, et à un certain nombre de probabilités d'évasion correspondantes.
Dans cet essai, cependant, nous ne nous attarderons pas sur la solution exacte du problème et nous nous contenterons d'une conclusion approximative, qui est cependant tout à fait suffisante pour une comparaison avec les données expérimentales. En vue de haute altitude barrière, on peut, en première approximation, considérer le mouvement d'une particule à l'intérieur du noyau comme enfermé entre des parois infiniment hautes, en oubliant que dans deux millions d'années la particule s'envolera encore. Nous ne nous intéresserons qu'à l'état d'énergie la plus basse (l'orbite principale), puisqu'il peut désormais être considéré comme plus que probable que toutes les particules α du noyau aient Nombre quantique- un.
La probabilité de fuite λ peut être calculée approximativement comme le produit du nombre de collisions d'une particule α avec une barrière et de sa perméabilité.

.

Il semblerait que le phénomène de désintégration β devrait être facilement expliqué en utilisant le même principes généraux, ainsi que la désintégration α.
En effet, le phénomène d’éjection d’un électron nucléaire est à bien des égards similaire à l’éjection d’une particule α. On retrouve ici les mêmes périodes très longues et la même relation quantitativement identique entre énergie et période de désintégration : des particules β plus lentes correspondent à des périodes de vie nucléaire plus longues.
Une différence significative réside toutefois dans le fait que le spectre des particules β est flou.
Les recherches d'Ellis ont établi de manière assez fiable que les particules β quittent les noyaux avec des vitesses variant dans de très larges limites ; par contre, il n'existe absolument aucun processus qui puisse compenser ce brouillage des énergies et ramener l'équilibre énergie totale graines. Selon la loi de conservation de l'énergie, les noyaux résultant de la désintégration β devraient avoir un apport d'énergie très diversifié, et pourtant le caractère discret des vitesses des particules et la linéarité des spectres γ indiquent une énergie discrète bien définie de les noyaux.
On arrive ainsi à la conclusion que pour les électrons à l’intérieur du noyau et qui en sortent, la loi de conservation de l’énergie s’avère inapplicable.
Ceci et un certain nombre d'autres difficultés liées à la question du mouvement des électrons à l'intérieur du noyau indiquent que nous sommes ici confrontés à quelque chose de complètement nouveau, qui ne peut être expliqué sur la base de concepts théoriques modernes. Il ne fait aucun doute que toutes ces difficultés liées à la quantification des particules se déplaçant à une vitesse très proche de celle de la lumière sont en lien direct avec les contradictions fondamentales que présentent les systèmes modernes. physique théorique dans les tentatives de généraliser la mécanique ondulatoire aux cas de mouvement relativiste. L’étude des propriétés des électrons dans le noyau est actuellement le seul domaine pouvant fournir du matériel expérimental pour le développement ultérieur des principes de base de la physique théorique.»

Désintégration β. Le problème mentionné de la non-conservation de l'énergie pendant la désintégration β a été résolu par Pauli, qui a suggéré que la désintégration β produit un neutrino simultanément avec un électron. L’énergie totale de la désintégration β est répartie entre l’électron et le neutrino. Par conséquent, enregistrer l’énergie de l’électron uniquement conduit à une non-conservation apparente de l’énergie de la désintégration β. L'énergie manquante est emportée par les neutrinos, dont la détection constitue un problème extrêmement difficile.
L’étude de la désintégration β a joué un rôle extrêmement important dans la compréhension des processus se produisant dans les noyaux atomiques. Le phénomène de désintégration β est que le noyau (A,Z) émet spontanément des leptons de 1ère génération - un électron (positron) et un neutrino électronique (antineutrino électronique), passant dans un noyau de même numéro de masse A, mais avec numéro atomique Z , un de plus ou de moins. À e- capture, le noyau absorbe l'un des électrons coquille atomique(généralement à partir de la coquille K la plus proche), émettant des neutrinos. Dans la littérature, le terme EC (Electron Capture) est souvent utilisé pour désigner l'e-capture.
Il existe trois types de désintégration β : β - -désintégration, β + -désintégration et e-capture.
β - : (A, Z) → (A, Z+1) + e - + e ,
β + : (A, Z) → (A,Z-1) + e + + ν e ,
e : (A, Z) + e - → (A,Z-1) + ν e .
Caractéristique principale La désintégration β est qu’elle est causée par une interaction faible. La désintégration bêta n’est pas un processus intranucléaire, mais intranucléaire. Un seul nucléon se désintègre dans un noyau. Les transformations du nucléon se produisant à l’intérieur du noyau et les conditions énergétiques de la désintégration β ont la forme (nous supposons une masse nulle des neutrinos) :
β - (n → p + e - + e), M(A, Z) > M(A, Z+1) + m e ,
β + (p → n + e + + ν e), M(A, Z) > M(A, Z-1) + m e ,
e-capture (p + e - → n + ν e), M(A, Z) + m e > M(A, Z-1).

La désintégration β, comme la désintégration α, se produit entre les états discrets des noyaux initial (A, Z) et final (A, Z ± 1). C'est pourquoi pendant longtemps Après la découverte du phénomène de désintégration β, il n'était pas clair pourquoi les spectres des électrons et des positrons émis par le noyau lors de la désintégration β étaient continus et non discrets, comme les spectres des particules α.
Les faits expérimentaux semblaient incompatibles avec les lois de conservation de l'énergie, de la quantité de mouvement et du moment cinétique. Ainsi, l’énergie totale de l’électron et du noyau formé à la suite de la désintégration était inférieure à l’énergie du noyau initial. Afin de sauvegarder les lois de conservation, W. Pauli en 1930, dans une lettre aux participants d'une conférence de physique à Tübingen, a suggéré que dans le processus de désintégration β, avec l'électron, une autre particule très légère (insaisissable) avec zéro charge électrique et spin J = 1/2.

W. Pauli, 1930 : «Chers dames et messieurs radioactifs. Avec... le spectre β continu à l'esprit, j'ai fait une tentative désespérée pour sauver les statistiques d'échange et la loi de conservation de l'énergie. À savoir, il est possible que dans les noyaux se trouvent des particules électriquement neutres, que j'appellerai « neutrons » et qui ont un spin de 1/2. La masse du « neutron » doit être comparable en ordre de grandeur à la masse de l’électron et en tout cas ne pas dépasser 0,01 de la masse du proton. Le spectre β continu deviendrait alors compréhensible si l’on supposait que pendant la désintégration, avec l’électron, un « neutron » est également émis de telle manière que la somme des énergies du « neutron » et de l’électron reste constante.

Après la découverte du neutron en 1932, E. Fermi propose d’appeler la particule de W. Pauli « neutrino ». En 1933, lors du Congrès Solvay, W. Pauli fit un rapport sur le mécanisme de désintégration β impliquant une particule neutre de spin J = l/2. L'hypothèse de Pauli a sauvé non seulement la loi de conservation de l'énergie, mais aussi les lois de conservation du moment cinétique et du moment. Les derniers doutes selon lesquels les lois de conservation prouvées de manière fiable en physique classique sont violées dans les processus quantiques ont été rejetés. En 1934, E. Fermi développa la théorie de la désintégration β, basée sur la loi de conservation de l'énergie et l'hypothèse selon laquelle un électron et un neutrino sont émis simultanément par le noyau. Fermi a expliqué le spectre d'énergie observé des électrons et a lié le taux de désintégration β à l'énergie maximale des électrons émis pendant la désintégration β. La plupart élément important La théorie de Fermi sur la désintégration bêta affirmait qu'il n'y avait pas d'électrons dans le noyau.

L'électron et le neutrino sont créés au moment de la désintégration bêta noyau atomique.

Cette désintégration est analogue à l’émission de lumière par un atome. Un quantum de lumière n’existe pas dans un atome, mais résulte d’un changement dans l’état de l’atome. Les neutrinos ont été découverts expérimentalement en 1956 lors des expériences de F. Reines et C. Cohen.

Caractéristiques de base de l'électron

Principales caractéristiques du neutrino électronique

+ ?.

Après ?-la rupture numéro atomique L'élément change et il décale une cellule du tableau périodique.
?-pourriture
?-pourriture appelé désintégration spontanée d'un noyau atomique en un noyau produit et une particule ? (noyau d'un atome).
La désintégration ? est une propriété des noyaux lourds avec un nombre de masse A >= 200. À l'intérieur de ces noyaux, en raison de la propriété de saturation forces nucléaires Des particules ? isolées se forment, constituées de deux protons et de deux neutrons. Une particule ainsi formée ressent plus fortement la répulsion coulombienne des autres protons du noyau que les protons individuels. Dans le même temps, la particule β est moins influencée par l’inclination d’attraction nucléaire due à forte interaction que pour les nucléons restants.
Règle de déplacement de Soddy pour la désintégration ? :

À la suite de la désintégration ?, l’élément décale 2 cellules au début du tableau périodique. Le noyau fille formé à la suite de la désintégration de l'β se révèle généralement également radioactif et se désintègre également après un certain temps. Le processus de désintégration radioactive se produira jusqu'à ce qu'un noyau stable, c'est-à-dire non radioactif, apparaisse, qui est le plus souvent les noyaux de plomb ou de bismuth.
?-pourriture
Les rayons gamma sont ondes électromagnétiques avec longueur d'onde petites tailles atome. Ils se forment généralement lors de la transition du noyau atomique d’un état excité à un état fondamental. Dans ce cas, le nombre de neutrons ou de protons dans le noyau ne change pas, ce qui signifie que le noyau reste le même élément. Toutefois, l’émission de rayons gamma peut accompagner d’autres réactions nucléaires.
Lors de la désintégration radioactive, des transformations des noyaux atomiques se produisent. L’énergie des particules formées dans ce cas est bien supérieure à l’énergie libérée lors de réactions chimiques typiques. Par conséquent, ces processus sont pratiquement indépendants de l’environnement chimique de l’atome et des composés dans lesquels cet atome est inclus. La désintégration radioactive se produit spontanément. Cela signifie qu’il est impossible de déterminer le moment où un noyau particulier se désintégrera. Cependant, pour chaque type de désintégration, il existe une période caractéristique pendant laquelle la moitié de tous les noyaux radioactifs se désintègrent. Cette période est appelée la demi-vie. Pour différents isotopes radioactifs, la demi-vie peut varier dans une très large plage – de quelques nanosecondes à des millions d'années. Les isotopes à demi-vie courte sont très radioactifs mais disparaissent rapidement. Isotopes avec longue période Les demi-vies sont faiblement radioactives, mais cette radioactivité persiste très longtemps.

La détection d'un rayonnement radioactif repose sur son action sur une substance, notamment son ionisation. Historiquement, le rayonnement a été enregistré pour la première fois en raison du noircissement d’une plaque photographique irradiée. Les émulsions photographiques, dans lesquelles des réactions chimiques se produisent sous l'influence de rayonnements, restent encore l'une des méthodes de détection. Un autre principe de détection est utilisé dans les compteurs Geiger : l'apparition de non-soi decharge electrique dans un gaz irradié. Les dosimètres qui n'enregistrent pas les passages individuels d'une particule chargée rapidement utilisent souvent les changements de propriétés, telles que la conductivité, du matériau irradié.
La radioactivité dépend du nombre d'isotopes instables et de leur durée de vie. Le système SI définit l'unité de mesure de l'activité comme le Becquerel - la quantité de substance radioactive dans laquelle se produit un événement de désintégration par seconde. En pratique, cette valeur n'est pas très pratique, c'est pourquoi les unités non systémiques - Curie - sont plus souvent utilisées. L'unité Rutherford est parfois utilisée.
Concernant les effets des rayonnements radioactifs sur les substances irradiées, les mêmes unités sont utilisées que pour les rayons X. L'unité de mesure de la dose de rayonnement ionisant absorbée dans le système C est le Gray - une dose à laquelle un Joule d'énergie est libéré par kilogramme de substance. Unité action biologique l'irradiance dans le système SI est le sievert. Une unité d'énergie extra-système libérée lors de l'irradiation - conseils.
Une unité telle que les rayons X n'est pas une mesure de l'énergie libérée, mais de l'ionisation d'une substance lors d'une irradiation radioactive. Pour simuler les effets biologiques des rayonnements, l’équivalent biologique des rayons X, le rem, est utilisé.
Pour caractériser l'intensité du rayonnement, des unités sont utilisées qui décrivent le taux d'accumulation de dose, par exemple les roentgens par heure.
L'exposition aux radiations provoque des lésions tissulaires importantes. L'ionisation des produits chimiques dans les tissus biologiques crée la possibilité de réactions chimiques inhabituelles pour processus biologiques, et à l'éducation produits dangereux. Les dommages causés par les radiations à l'ADN provoquent des mutations. Travailler avec des substances radioactives nécessite le respect scrupuleux des règles de sécurité. Les substances radioactives sont signalées par un symbole spécial en haut de la page.
Les substances radioactives sont stockées dans des conteneurs spéciaux conçus pour absorber les rayonnements radioactifs. Gros problème est l'élimination des déchets radioactifs énergie nucléaire.
Les substances radioactives peuvent être utilisées pour produire de l'énergie dans des conditions où d'autres sources d'énergie ne sont pas disponibles, par ex. vaisseau spatial conçu pour les vols vers des planètes lointaines système solaire. L'énergie libérée lors de la désintégration radioactive dans de tels dispositifs peut être convertie en électricité à l'aide de thermoéléments.
En médecine exposition aux radiations utilisé dans le traitement de certaines formes de cancer, en s'appuyant sur le fait que les cellules cancéreuses, qui se divisent rapidement, sont sensibles aux radiations et attaquent donc plus rapidement.
La méthode des atomes marqués permet d’analyser le métabolisme dans le corps et aide au diagnostic des maladies.
Rencontres pour Isotopes radioactifs aide à établir l’âge des objets et des roches et est utilisé en géologie, archéologie et paléontologie.
Radioactivité et substances radioactiveségalement largement utilisé dans divers domaines recherche scientifique.
Tous les types de rayonnements radioactifs accompagnant la radioactivité sont appelés rayonnements ionisants. Le rayonnement ionisant est le processus d'excitation et d'ionisation des atomes de matière lors du passage des quanta gamma et des particules formées à la suite de la désintégration ?-et ?. Lorsque, par exemple, des rayons gamma traversent la matière, les quanta se transforment en une paire électron-positon, à condition que l'énergie du rayon gamma dépasse l'énergie de ces deux particules (> 1 MeV). Les particules ? perdent rapidement toute leur énergie car elles excitent tous les atomes qu'elles rencontrent sur leur passage (1 à 10 cm dans l'air, 0,01 à 0,2 mm dans les liquides). Les particules ? interagissent moins efficacement avec les substances (2 à 3 m dans l'air, 1 à 10 mm dans les liquides). Les ?-quanta ont la plus grande capacité de pénétration. Les neutrons, qui n’ont pas de charge électrique, n’ionisent pas directement les atomes. Cependant, à la suite de l'interaction des neutrons avec les noyaux, des particules chargées rapidement et des quanta gamma apparaissent, qui sont des particules ionisantes. Lorsqu'une personne reste longtemps dans la zone de rayonnement radioactif, ses cellules sont ionisées et excitées. En conséquence, les cellules entrent dans de nouvelles réactions chimiques et en forment de nouvelles. substances chimiques qui perturbent le fonctionnement normal du corps. Une mesure de l'effet des rayonnements ionisants est la dose de rayonnement absorbée (Gray), égal au rapporténergie transférée par rayonnement ionisant à la masse de matière (D = E/m). Le débit de dose de rayonnement est mesuré par le rapport entre la dose de rayonnement absorbée et le temps (Pв = D/t). Rayonnement radioactif utilisé pour l'examen aux rayons X.