Искусственную радиоактивность открыли супруги Ирен (1897–1956) и Фредерик (1900–1958) Жолио-Кюри. 15 января 1934 года их заметка была представлена Ж. Перреном на заседании Парижской Академии наук. Ирен и Фредерик сумели установить, что после бомбардировки альфа-частицами некоторые легкие элементы - магний, бор, алюминий - испускают позитроны. Далее они попытались установить механизм этого испускания, которое отличалось по своему характеру от всех известных в то время случаев ядерных превращений. Ученые поместили источник альфа-частиц (препарат полония) на расстоянии одного миллиметра от алюминиевой фольги. Затем они подвергали ее облучению в течение примерно десяти минут. Счетчик Гейгера - Мюллера показал, что фольга испускает излучение, интенсивность которого падает во времени по экспоненциальной зависимости с периодом полураспада 3 минут 15 секунд. В экспериментах с бором и магнием периоды полураспада составили 14 и 2,5 минут соответственно. А вот при опытах с водородом, литием, углеродом, бериллием, азотом, кислородом, фтором, натрием, кальцием, никелем и серебром таких явлений не обнаруживалось. Тем не менее супруги Жолио-Кюри сделали вывод о том, что излучение, вызванное бомбардировкой атомов алюминия, магния и бора, нельзя объяснить наличием какой-либо примеси в полониевом препарате. «Анализ излучения бора и алюминия в камере Вильсона показал, - пишут в своей книге „Биография атома“ К. Манолов и В. Тютюнник, - что оно представляет собой поток позитронов. Стало ясно, что ученые имеют дело с новым явлением, существенно отличавшимся от всех известных случаев ядерных превращений. Известные до того времени ядерные реакции носили взрывной характер, тогда как испускание положительных электронов некоторыми легкими элементами, подвергнутыми облучению альфа-лучами полония, продолжается в течение некоторого более или менее продолжительного времени после удаления источника альфа-лучей. В случае бора, например, это время достигает получаса». Супруги Жолио-Кюри пришли к выводу, что здесь речь идет о самой настоящей радиоактивности, проявляющейся в испускании позитрона. Нужны были новые доказательства, и, прежде всего, требовалось выделить соответствующий радиоактивный изотоп. Опираясь на исследования Резерфорда и Кокрофта, Ирен и Фредерику Жолио-Кюри удалось установить, что происходит с атомами алюминия при бомбардировке их альфа-частицами полония. Сначала альфа-частицы захватываются ядром атома алюминия, положительный заряд которого возрастает на две единицы, вследствие чего оно превращается в ядро радиоактивного атома фосфора, названного учеными «радиофосфором». Этот процесс сопровождается испусканием одного нейтрона, вот почему масса полученного изотопа возрастает не на четыре, а на три единицы и становится равной 30. Устойчивый изотоп фосфора имеет массу 31. «Радиофосфор» с зарядом 15 и массой 30 распадается с периодом полураспада 3 минут 15 секунд, излучая один позитрон и превращаясь в устойчивый изотоп кремния. Единственным и неоспоримым доказательством того, что алюминий превращается в фосфор и потом в кремний с зарядом 14 и массой 30, могло быть только выделение этих элементов и их идентификация с помощью характерных для них качественных химических реакций. Для любого химика, работающего с устойчивыми соединениями, это было простой задачей, но у Ирен и Фредерика положение было совершенно иным: полученные ими атомы фосфора существовали чуть больше трех минут. Химики располагают множеством методов обнаружения этого элемента, но все они требуют длительных определений. Поэтому мнение химиков было единодушным: идентифицировать фосфор за такое короткое время невозможно. Однако супруги Жолио-Кюри не признавали слова «невозможно». И хотя эта «неразрешимая» задача требовала непосильного труда, напряжения, виртуозной ловкости и бесконечного терпения, она была решена. Несмотря на чрезвычайно малый выход продуктов ядерных превращений и совершенно ничтожную массу вещества, претерпевшего превращение, - лишь несколько миллионов атомов, удалось установить химические свойства полученного радиоактивного фосфора. Обнаружение искусственной радиоактивности сразу было оценено как одно из крупнейших открытий века. До этого радиоактивность, которая была присуща некоторым элементам, не могла быть ни вызвана, ни уничтожена, ни как-нибудь изменена человеком. Супруги Жолио-Кюри впервые искусственно вызвали радиоактивность, получив новые радиоактивные изотопы. Ученые предвидели большое теоретическое значение этого открытия и возможности его практических приложений в области биологии и медицины. Уже в следующем году первооткрыватели искусственной радиоактивности Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были удостоены Нобелевской премии по химии. Продолжая эти исследования, итальянский ученый Ферми показал, что бомбардировка нейтронами вызывает искусственную радиоактивность в тяжелых металлах. Энрико Ферми (1901–1954) родился в Риме. Еще в детстве Энрико обнаружил большие способности к математике и физике. Его выдающиеся познания в этих науках, приобретенные в основном в результате самообразования, позволили ему получить в 1918 году стипендию и поступить в Высшую нормальную школу при Пизанском университете. Затем Энрико получил временную должность преподавателя математики для химиков в Римском университете. В 1923 году он едет в командировку в Германию, в Геттинген, к Максу Борну. По возвращении в Италию Ферми с января 1925 года до осени 1926 года работает во Флорентийском университете. Здесь он получает свою первую ученую степень «свободного доцента» и, что самое главное, создает свою знаменитую работу по квантовой статистике. В декабре 1926 года он занял должность профессора вновь учрежденной кафедры теоретической физики в Римском университете. Здесь он организовал коллектив молодых физиков: Разетти, Амальди, Сегре, Понтекорво и других, составивших итальянскую школу современной физики. Когда в Римском университете в 1927 году была учреждена первая кафедра теоретической физики, Ферми, успевший обрести международный авторитет, был избран ее главой. Здесь в столице Италии Ферми сплотил вокруг себя несколько выдающихся ученых и основал первую в стране школу современной физики. В международных научных кругах ее стали называть группой Ферми. Через два года Ферми был назначен Бенито Муссолини на почетную должность члена вновь созданной Королевской академии Италии. В 1938 году Ферми была присуждена Нобелевская премия по физике. В решении Нобелевского комитета говорилось, что премия присуждена Ферми «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». Об искусственной радиоактивности Энрико Ферми узнал сразу же, весной 1934 года, как только супруги Жолио-Кюри опубликовали свои результаты. Ферми решил повторить опыты Жолио-Кюри, но пошел совершенно иным путем, применив в качестве бомбардирующих частиц нейтроны. Позже Ферми так объяснил причины недоверия к нейтронам со стороны других физиков и свою собственную счастливую догадку: «Применение нейтронов как бомбардирующих частиц страдает недостатком: число нейтронов, которым можно практически располагать, неизмеримо меньше числа альфа-частиц, получаемых от радиоактивных источников, или числа протонов и дейтронов, ускоряемых в высоковольтных устройствах. Но этот недостаток частично компенсируется большей эффективностью нейтронов при проведении искусственных ядерных превращений Нейтроны обладают также и другим преимуществом. Они в большой степени способны вызывать ядерные превращения. Число элементов, которые могут быть активированы нейтронами, значительно превосходит число элементов, которые можно активировать с помощью других видов частиц». Весной 1934 года Ферми начал облучать элементы нейтронами. «Нейтронные пушки» Ферми представляли собой маленькие трубочки длиной несколько сантиметров. Их заполняли «смесью» тонкодисперсного порошка бериллия и эманации радия. Вот как Ферми описывал один из таких источников нейтронов: «Это была стеклянная трубочка размером всего 1,5 см… в которой находились зерна бериллия; прежде чем запаять трубочку, надо было ввести в нее некоторое количество эманации радия. Альфа-частицы, испускаемые радоном, в большом числе сталкиваются с атомами бериллия и дают нейтроны… Опыт выполняется следующим образом. В непосредственной близости от источника нейтронов помещают пластинку алюминия, или железа, или вообще того элемента, который желательно изучить, и оставляют на несколько минут, часов или дней (в зависимости от конкретного случая). Нейтроны, вылетающие из источника, сталкиваются с ядрами вещества. При этом происходит множество ядерных реакций самого различного типа…» Как все это выглядело на практике? Исследуемый образец находился заданное время под интенсивным воздействием нейтронного облучения, затем кто-либо из сотрудников Ферми буквально бегом переносил образец к счетчику Гейгера-Мюллера, расположенному в другой лаборатории, и регистрировал импульсы счетчика. Ведь многие новые искусственные радиоизотопы были короткоживущими. В первом сообщении, датированном 25 марта 1934 года, Ферми сообщил, что бомбардируя алюминий и фтор, получил изотопы натрия и азота, испускающие электроны (а не позитроны, как у Жолио-Кюри). Метод нейтронной бомбардировки оказался очень эффективным, и Ферми писал, что эта высокая эффективность в осуществлении расщепления «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников по сравнению с источниками альфа-частиц и протонов». В сущности, многое было известно. Нейтроны попадали в ядро обстреливаемого атома, превращали его в нестабильный изотоп, который спонтанно распадался и излучал. В этом излучении и таилось неизвестное: некоторые из искусственно полученных изотопов излучали бета-лучи, другие - гамма-лучи, третьи - альфа-частицы. С каждым днем число искусственно полученных радиоактивных изотопов возрастало. Каждую новую ядерную реакцию необходимо было осмыслить, чтобы разобраться в сложных превращениях атомов Для каждой реакции надо было установить характер излучения, потому что, только зная его, можно представить схему радиоактивного распада и предсказать элемент, который получится в конечном результате. Затем приходила очередь химиков. Они должны были идентифицировать полученные атомы. На это тоже требовалось время. С помощью своей «нейтронной пушки» Ферми подверг бомбардировке фтор, алюминий, кремний, фосфор, хлор, железо, кобальт, серебро и йод. Все эти элементы активировались, и во многих случаях Ферми мог указать химическую природу образовавшегося радиоактивного элемента. Ему удалось этим методом активизировать 47 из 68 изученных элементов. Воодушевленный успехом, он в сотрудничестве с Ф. Разетти и О. ДАгостино предпринял нейтронную бомбардировку тяжелых элементов: тория и урана. «Опыты показали, что оба элемента, предварительно очищенные от обычных активных примесей, могут сильно активизироваться при бомбардировке нейтронами». 22 октября 1934 года Ферми сделал фундаментальное открытие. Поместив между источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром парафиновый клин, Ферми заметил, что клин не уменьшает активность нейтронов, а несколько увеличивает ее. Ферми сделал вывод, что этот эффект, по-видимому, обусловлен наличием водорода в парафине, и решил проверить, как будет влиять на активность расщепления большое количество водородсодержащих элементов. Проведя опыт сначала с парафином, потом с водой, Ферми констатировал увеличение активности в сотни раз. Опыты Ферми обнаружили огромную эффективность медленных нейтронов. Но, помимо замечательных экспериментальных результатов, в этом же году Ферми достиг замечательных теоретических достижений. Уже в декабрьском номере 1933 года в итальянском научном журнале были опубликованы его предварительные соображения о бета-распаде. В начале 1934 года была опубликована его классическая статья «К теории бета-лучей». Авторское резюме статьи гласит: «Предлагается количественная теория бета-распада, основанная на существовании нейтрино: при этом испускание электронов и нейтрино рассматривается по аналогии с эмиссией светового кванта возбужденным атомом в теории излучения. Выведены формулы из времени жизни ядра и для формы непрерывного спектра бета-лучей; полученные формулы сравниваются с экспериментом». Ферми в этой теории дал жизнь гипотезе нейтрино и протонно-нейтронной модели ядра, приняв также гипотезу изотонического спина, предложенную Гейзенбергом для этой модели. Опираясь на высказанные Ферми идеи, Хидеки Юкава предсказал в 1935 году существование новой элементарной частицы, известной ныне под названием пи-мезона, или пиона. Комментируя теорию Ферми, Ф Разетти писал: «Построенная им на этой основе теория оказалась способной выдержать почти без изменения два с половиной десятилетия революционного развития ядерной физики. Можно было бы заметить, что физическая теория редко рождается в столь окончательной форме».
Радиоактивность - это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения.
Радиоактивные вещества (РВ) распадаются со строго определённой скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом.
Пучок излучений в магнитном поле разделяется на три вида излучения:
б-излучение - поток положительно заряженных частиц представляющих собой ядро гелия, движущийся со скоростью около 20 000 км /с, т.е. в 35 000 раз быстрее, чем современные самолёты. Альфа-частица относится к тяжелым частицам, она в 7300 раз тяжелее электрона. В животных тканях её проникающая способность ещё меньше и измеряется микронами. Альфа- частицы входят в состав космических лучей у Земли (6%).
Альфа - распад представляет собой самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро Не 4 2.
В результате альфа-распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы. Например: кинетическая энергия вылетающей б- частицы определяется массами исходного и конечного ядра б - частицы. Известно более 200 б- активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы. Известно также около 20 б-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь б -распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N=84, которые при испускании б-частиц превращаются в ядра с заполненной ядерной оболочкой (N=82). Время жизни б-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3*10 -7 сек (для Po 212) до (2-5)*10 15 лет (природные изотопы Ce 142, 144, 176) Энергия наблюдаемого б-распада лежит в пределах 4-9 Мэв (за исключением длиннопробежных б-частиц) для всех тяжелых ядер и 2-4.5 Мэв для редкоземельных элементов.
в- излучение - поток заряженных отрицательно заряженных частиц (электронов). Их скорость 200 000-300 000 км/с приближается к скорости света. Масса бета- частиц равна 1/1840 массы водорода. Бета- частицы относятся к лёгким частицам.
г-излучение - представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. По свойствам оно близко к рентгеновскому излучению, но обладает значительно большей скоростью и энергией, но распространяется со скоростью света. В спектре электромагнитных волн эти лучи занимают почти крайнее справа место. За ними следуют лишь космические лучи. Энергия гамма- лучей в среднем составляет около 1,3 Мэв (мегаэлектроновольт). Это очень большая энергия. Частота колебаний волн гамма лучей равна, 10 20 раз/сек, то есть гамма лучи относятся к очень жёстким лучам, и проникающая способность велика. Через тело человека они проходят беспрепятственно.
При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение, не отклоняющееся электрическим и магнитным полями. Эти лучи проникают через слой свинца толщиной в несколько метров. Это излучение представляет собой поток частиц, заряженных нейтрально. Эти частицы названы нейтронами.
Масса нейтрона равна массе протона. Нейтроны обладают различной скоростью, в среднем меньше скорости света. Быстрые нейтроны развивают энергию порядка 0,5 Мэв и выше, медленные - от долей до нескольких тысяч электроновольт. Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, обладают, как и гамма- лучи, большой проникающей способностью. Ослабление потока нейтронов в основном происходит за счет столкновения с ядрами других атомов и за счет захвата нейтронов ядрами атомов. Так при столкновении с легкими ядрами нейтроны в большей степени теряют свою энергию, но легкие водородосодержащие вещества такие как: вода, парафин, ткани тела человека, сырой бетон, почва, являются лучшими замедлителями и поглотителями нейтронов.
В природе многие химические элементы выделяют излучения. Эти элементы называются радиоактивными элементами, а сам процесс получил название естественной радиоактивности. На процессы радиоактивного излучения не оказывают никакого действия ни огромные давления и температуры, ни магнитные и электрические поля. Радиоактивное излучение связано с превращением ядер элемента. Существует два вида естественного радиоактивного распада.
Альфа-распад, при котором ядро испускает альфа- частицу. При этом виде распада всегда из одного ядра получается ядро другого элемента, у которого заряд меньше на две единицы, а масса меньше на четыре единицы. Так, например, распадается радий, превращаясь в радон:
Ra 88 226 > He 2 4 + Rn 86 222
Бета-распад, при котором из ядра вылетает бета-частица. Так как бета-частица может быть различно заряженной, то бета-распад может быть или электронный, или позитронный.
При электронном распаде образуется элемент с той же массой, но с зарядом, большим на единицу. Так торий превращается в протактиний:
Th 90 233 >Pa 91 233 + e -1 + г - квант.
При позитронном распаде радиоактивный элемент теряет положительную частицу и превращается в элемент с той же массой, но с зарядом меньшим на единицу. Так изотоп магния, превращается в натрий:
Mg 12 23 > Na 11 23 + e +1 + г- квант.
Направляя, пучок альфа- частиц на пластинку алюминия, впервые получили искусственный радиоактивный изотоп фосфора Р 15 30:
Al 13 27 + He 2 4 > P 15 30 + n 0 1
Полученные таким образом изотопы были названы искусственно радиоактивными, а их способность распадаться получила название искусственной радиоактивности. В настоящее время получено свыше 900 искусственных радиоактивных изотопов.
Они широко используются в медицине и в биологии для изучения химических превращений в организме. Этот метод называется методом меченых атомов.
янЗакон сохр массы-Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции
Атомно-молекулярное учение разработал М.В. Ломоносовв 1741 г. Основные положения закона:
1) все вещества состоят из «корпускул» (молекул);
2) молекулы состоят из «элементов» (атомов);
3) частицы – молекулы и атомы – находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц;
4) молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ – из различных атомов. Атомно-молекулярное учение окончательно утвердилось в 1860 г.
П ростые вещества - вещества, состоящие исключительно из атомов одного химического элемента, в отличие от сложных веществ. В зависимости от типа химической связи между атомами простые вещества могут быть металлами (Na, Mg, Al, Bi и др.) и неметаллами (H 2 , N 2 , Br 2 , Si и др.)
Химический элемент - совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Менделеева.
Закон постоянства состава - любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов
Закон кратных отношений - один из стехиометрических законов химии: если два элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого элемента,
относятся как целые числа, обычно небольшие.
Закон обьёмных отношен объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как целые числа.
Атомная масса элемента - есть отношение массы его атома к 1/12 части массы атома 12С
Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения). Молекуля́рная ма́сса масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Численно равна молярной массе.
Моль – это единица количества вещества. Это такое количество вещества (или его порция), которое содержит 6,02 · 1023 частиц (молекул, атомов или других частиц)
Закон Авагадро в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул
Моль – это единица количества вещества. Это такое количество вещества (или его порция), которое содержит 6,02 · 1023 частиц (молекул, атомов или других частиц)
Эквивалент- это реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или другим способом быть эквивалентна катиону водорода в ионообменных реакциях или электрону в окислительно-восстановительных реакциях
закон эквивалентов: все вещества реагируют в эквивалентных отношениях. Валентностью называется свойство атомов данного элемента присоединять или замещать в соединении определенное число атомов другого элемента
Закон Авогадро позволяет определить число атомов, входящих в состав молекул простых газов. Путем изучения объемных отношений при реакциях, в которых участвуют водород, кислород, азот и хлор, было установлено, что молекулы этих газов двухатомны. Следовательно, определив относительную молекулярную массу любого из этих газов и разделив ее пополам, можно было сразу найти относительную атомную массу соответствующего элемента. Например, установили, что молекулярная масса хлора равна 70,90; отсюда атомная масса хлора равняется или 35,45.
Вале́нтность способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов.
Внутр.э-это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы
Ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам.
энергетическое состояние электронов в атоме.
Главное квантовое число - целое число, обозначающее номер энергетического уровня. Характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Является первым в ряду квантовых чисел, который включает в себя главное, орбитальное имагнитное квантовые числа, а также спин
Орбитальное квантовое число - в квантовой физике квантовое число ℓ, определяющее форму распределения амплитуды волновой функции электрона в атоме, то есть форму электронного облака. Определяет подуровень энергетического уровня, задаваемого главным (радиальным) квантовым числом n и может принимать значения
Является собственным значением оператора орбитального момента электрона, отличающегося от момента количества движенияэлектрона j лишь на оператор спина s :
Энергия ионизации - представляет собой наименьшую энергию, необходимую для удаления электрона от свободного атома. На энергию ионизации атома наиболее существенное влияние оказывают следующие факторы:
эффективный заряд ядра, являющийся функцией числа электронов в атоме, экранирующих ядро и расположенных на более глубоко лежащих внутренних орбиталях;
радиальное расстояние от ядра до максимума зарядовой плотности наружного, наиболее слабо связанного с атомом и покидающего его при ионизации, электрона;
мера проникающей способности этого электрона;
межэлектронное отталкивание среди наружных (валентных) электронов.
Сродство к электрону - количество энергии, выделяющееся при присоединении электрона к атому, молекуле пли радикалу. Сродство к электрону выражается обычно в электрон-вольтах. Значение величины Сродства к электрону важно для понимания природы химической связи и процессов образования отрицательных ионов. Чем больше Сродство к электрону, тем легче атом присоединяет электрон. Сродство атомов металлов к электрону равно нулю, у атомов неметаллов Сродство к электрону тем больше, чем ближе стоит элемент (неметалл) к инертному газу в периодической системе Д. И. Менделеева. Поэтому в пределах периода усиливаются неметаллические свойства по мере приближения к концу периода.
Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны , входящие в состав ядра, несутположительный заряд.В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда.Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот – захватить чужые электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом .
Изото́пы (от др.-греч. ισος - «равный» , «одинаковый» , и τόπος - «место» ) - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O - три стабильных изотопа кислорода.
Радиоактивные элементы и их распад.
Радиоактивный распад - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Существуют альфа, бета и гамма распады. Соответственно они испускают альфа, бета и гамма частицы. Распад имеющий самую сильную проникающую способность, это гамма распад (не откланяются магнитным полем). Альфа – положительно заряженные частицы. Бета – отрицательно заряженные частицы.
Распад ядер радиоактивных элементов или изотопов может происходить тремя основными путями, и соответствующие реакции ядерного распада названы тремя первыми буквами греческого алфавита. При альфа-распаде выделяется атом гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов, - его принято называть альфа-частицей. Поскольку альфа-распад влечет за собой понижение числа положительно заряженных протонов в атоме на два, ядро, испустившее альфа-частицу, превращается в ядро элемента, отстоящую на две позиции ниже от нее в периодической системе Менделеева. При бета-распаде ядро испускает электрон, а элемент продвигается на одну позицию вперед по периодической таблице (при этом, по существу, нейтрон превращается в протон с излучением этого самого электрона). Наконец, гамма-распад - это распад ядер с излучением фотонов высоких энергий, которые принято называть гамма-лучами. При этом ядро теряет энергию, но химический элемент не видоизменяется. Радиоактивный элемент - химический элемент, все изотопы которого радиоактивны.
Искусственная радиоактивность - самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции. Все три типа излучений - a, b и g, характерные для естественной радиоактивности,- испускаются также и искусственно-радиоактивными веществами. Однако среди искусственно-радиоактивных веществ часто встречается еще иной тип распада, не свойственный естественно-радиоактивным элементам. Это - распад с испусканием позитронов - частиц, обладающих массой электрона, но несущих -положительный заряд. По абсолютной величине заряды позитрона и электрона равны. Искусственно-радиоактивные вещества могут получаться при весьма разнообразных ядерных реакциях. Примером может служить реакция захвата нейтронов серебром. Для проведения такой реакции достаточно поместить пластинку серебра поблизости от источника нейтронов, окруженного парафином.
38. Ядерные реакции.
Ядерная реакция - процесс образования новых ядер или частиц при их столкновениях. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.
39. Теория химического строения.
У этой теории четыре положения: 1) Атомы в молекуле соединены в определённой последовательности в соответствии с их валентностью. Эта последовательность называется химическим строением . 2) Свойства вещества зависят не только от качественного и количественного состава молекулы, но и от её химического строения. Вещества, имеющие один и тот же состав, но разное строение, называются изомерами , а само их существование изомерией . 3) Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга непосредственно или посредством других атомов. 4) Строение вещества познаваемо, возможен синтез веществ с заданным строением. Бутлеров.1861 г.
40. Ковалентная связь.
Ковалентная связь - химическая связь, образованная перекрытием пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака называются общей электронной парой . Бывает полярной и неполярной. Важная характеристика ковалентной связи это её полярность. Если молекула состоит из 2 атомов, которые связаны полярной связью, то такая молекула – полярная молекула. Представляет собой диполь. Диполь – электро-нейтральная система в которой центры положительного и отрицательного заряда находятся на определённом расстоянии друг от друга. Полярность молекулы, количественно оценивается дипольным моментом, которые равен произведению длины диполя на значение эффективного заряда. Эффективный заряд = 1.6 * 10 -19 Кл. Способность молекул и отдельных связей полиризоватся под влиянием внешнего электрического поля называется полиризуемостью. Способность атома участвовать в образовании ограниченного числа ковалентных связей, называется насыщаемостью ковалентной связи. Направленность ковалентной связи обуславливает пространственную структуру молекул, т.е. перекрывание электронных облаков. Происходит только при определённой взаимной ориентации орбиталей обеспечивающей наибольшую электронную плотность в области перекрывания.
Явление радиоактивности состоит в самопроизвольном распаде ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Ядра, подверженные такому распаду, называются радиоактивными. Очевидно, что необходимым, но не всегда достаточным условием радиоактивного распада является его энергетическая выгодность - масса радиоактивного ядра должна превышать сумму масс ядра-осколка и частиц, вылетающих при распаде (совершенно очевидно, что аналогичное неравенство должно выполняться, если в нем
массы ядер заменить на массы соответствующих атомов, именно такие неравенства обычно и используют при рассмотрении радиоактивных распадов).
В природе существует большое число естественно-радиоактивных ядер, т. е. ядер, не успевших распасться с момента их образования до настоящего времени или непрерывно образующихся под действием космических лучей. В то же время радиоактивные ядра могут быть получены искусственным путем - бомбардировкой стабильных ядер частицами. Никакой физической границы между естественной и искусственной радиоактивностью нет.
Впервые радиоактивность была обнаружена А. Беккерелем в 1896 г. Незадолго до этого были открыты рентгеновские лучи, и Беккерель изучал связь флюоресценции с рентгеновским излучением. Способные флюоресцировать соли урана помещались на фотопластинку, завернутую в черную бумагу, и ставились на солнечный свет. Считалось, что под действием солнечных лучей уран флюоресцирует, и, если в состав спектра флюоресценции входят рентгеновские лучи, то, проходя через черную бумагу, они будут вызывать почернение пластинки. Несколько дней не было солнца, и подготовленные
пластинки с ураном пролежали в черном ящике. Тем не менее после проявления было обнаружено сильное почернение пластинок. Таким образом выяснилось, что соли урана сами испускают какие-то лучи.
Очень скоро к исследованию этого явления подключились другие ученые. 1898 г. П. Кюри совместно с М. Склодовской-Кюри открыли новые радиоактивные элементы - полоний и радий. Используя разработанный ими метод обогащения, они смогли в 1902 г. путем кропотливой работы по переработке больших количеств урановой смолки получить несколько дециграммов чистой соли радия. В 1903 г. за исследования явления радиоактив-
ности супруги Кюри совместно с А. Беккерелем были удостоены Нобелевской премии по физике. Сам термин «радиоактивность» был введен в науку. Склодовской-Кюри.
Законы радиоактивного распада. Радиоактивный распад характеризуется временем протекания, сортом испускаемых частиц, их энергией, а ри вылете нескольких частиц - угловой корреляцией, т. е. относительным углом между направлениями их вылета. Исходное радиоактивное ядро называется материнским, продукт его распада - дочерним.
Поскольку процесс распада происходит самопроизвольно (спонтанно), то изменение dN числа ядер N из-за распада за произвольный промежуток времени dt определяется только количеством радиоактивных ядер в момент t и пропорционально промежутку времени dt:
DN = λNdt, (10.34)
где λ - постоянная, характеризующая скорость распада. Интегрируя (10.34)
и считая, что при t = 0 количество ядер равно исходному N = N 0 , получаем
N = N 0 е - λt (10.35)
т. е. число ядер убывает по экспоненциальному закону.
Величина А, определяющая в (10.35) скорость убывания количества радиоактивных ядер, называется постоянной распада. Она имеет размерность [с -1 ] и, как будет показано чуть дальше, характеризует вероятность распада одного атома в одну секунду. Для характеристики радиоактивных элементов вводится также понятие периода полураспада Т 1/2 . Под ним понимается время, в течение которого распадается половина наличного числа атомов.
Впервые закон радиоактивного распада (10.35) был установлен в 1903 г. П. Кюри. Он же ввел понятие периода полураспада и показал его независимость от внешних условий. Исходя из этого, П. Кюри предложил использовать период полураспада как эталон времени для определения абсолютного возраста земных пород.
Рассчитаем теперь среднее время жизни радиоактивного ядра. Подставляя
условие N(T 1/2) = N 0 /2 в уравнение (10.35), получим
N 0 /2 = N 0 e - λTl/2 , (10.36)
откуда, логарифмируя, найдем, что
λТ 1/2 = 1n2 = 0,693,
а период полураспада
Т 1/2 = 0,693/λ. (10.37)
При экспоненциальном законе радиоактивного распада в любой момент времени t имеется отличная от нуля вероятность найти еще нераспавшиеся ядра. Время жизни таких ядер превышает t. Вместе с тем, другие, распавшиеся к этому времени ядра, прожили разное время, меньшее t. Среднее время жизни для данного радиоактивного изотопа определяется обычно следующим образом:
Следовательно, среднее время жизни г радиоактивного ядра равно обратной величине от постоянной распада А. За время т первоначальное число ядер уменьшается в е раз.
Величина
А = - dN/dt = λN
называется активностью данного препарата,
она определяет число распадов в секунду. Активность является характеристикой определенного количества распадающегося вещества, а не отдельного ядра. Единицей активности является беккерелъ: 1 беккерель (Бк) равен 1 распаду в секунду. Часто на практике используют и внесистемную, ранее применявшуюся, единицу активности - кюри: 1 кюри (Ки) равно числу распадов ядер, содержащихся в 1 г радия за 1 с 3,7 10 10 распадов в секунду).
Виды радиоактивных распадов .К числу радиоактивных процессов относятся α- и β-распады (в том числе и захват электрона с атомной оболочки), γ-излучение, деление ядер, а также испускание запаздывающих нейтронов и протонов. Два последних процесса относятся к каскадному двухступенчатому типу, так как испускание запаздывающих нейтронов (протонов) происходит после предварительного испускания ядром электрона (позитрона). Поэтому испускание запаздывает на время, характеризующее предшествующий β-распад. Рассмотрим перечисленные нами процессы.
Альфа-распад . Спонтанному α-распаду подвержены только тяжелые ядра с Z > 83 и небольшая группа редкоземельных ядер в области А = 140-160. При α-распаде исходное материнское ядро испускает ядро гелия (α-частицу) и превращается в дочернее ядро, числа протонов и нейтронов у которого уменьшаются на две единицы каждое. Период полураспада α-активных ядер изменяется в чрезвычайно широких пределах. Так, например, для изотопа полония 214 84 Pо он равен 3 10 ~7 с, а для изотопа свинца 204 82 Pb - 1,4 * 10 17 лет. Диапазон изменения энергии вылетающих α-частиц значительно меньше - от 4 до 9 МэВ, причем чем меньше их энергия, тем больше период полураспада. Функциональная связь между энергией α-частицы Е и периодом полураспада радиоактивного ядра T 1/2 хорошо
описывается формулой
lgT 1/2 = а/√Ё + b, (10.39)
полученной на основе экспериментальных данных Г. Гейгером и Дж. Нэттолом в 1911 г. Теоретическое обоснование закон Гейгера-Нэттола получил лишь после создания квантовой механики в 1928 г. в работах Г. Гамова и, независимо, Р. Герни и Э. Кондона, которые показали, что вероятность вылета α-частицы из ядра определяется вероятностью ее проникновения через кулоновский барьер. Экспоненциальный характер этого процесса возникает вследствие экспоненциального затухания волновой функции в области под
барьером, где потенциальная энергия больше энергии частицы.
Четыре элементарные частицы, из которых состоит α-частица (два протона и два нейтрона), участвуют в сложном движении нуклонов в ядре, и нет никакого способа отличить их от других частиц этого ядра. Вместе с тем существует заметная (~ 10 ~6) вероятность образования а-частицы в ядре на какое-то короткое время в результате случайного сближения четырех нуклонов. Однако лишь только когда а-частица покинет ядро и окажется достаточно далеко от него, можно рассматривать ее и ядро как две отдельные частицы.
Энергетически α-распад возможен, если энергия связи исходного материнского ядра Е А, z меньше суммы энергий связи дочернего ядра Е А-4, z-2 и α-частицы Е α , т. е. должно выполняться соотношение
ΔE = Е А-4, z-2 + E α - Е А, z > 0. (10.40)
Энергия связи α-частицы равна 28 МэВ, что составляет 7 МэВ/нуклон.
Поэтому невозможен α-распад средних ядер, у которых энергия связи на
нуклон ~ 8 МэВ.
Рассмотрим вид потенциальной энергии а-частицы в ядре и его окрестности (рис. 10.9). Вне ядра короткодействующие ядерные силы быстро обращаются в нуль, и на а-частицу действует только электростатическое кулоновское отталкивание, потенциал которого U кул равен
U кул = 2(Z-2)e 2 /r (10.41)
На границе ядра вступает в игру сильное притяжение, обусловленное ядерными силами, и потенциальная кривая резко уходит вниз. Внутри ядра потенциал можно считать примерно постоянным.
Даже если полная энергия а-частицы в ядре больше нуля, как это показано на рис. 10.9, и тем самым энергетически а-распад разрешен, по представлениям классической физики этот процесс не может происходить без сообщения ей дополнительной энергии, поскольку частица находится в потенциальной яме. Однако квантовая механика разрешает прохождение или, точнее, просачивание частицы через потенциальный барьер. Говорят, что может происходить туннелирование α-частицы сквозь барьер. Дело в том, что
свойства квантовой частицы описываются с помощью волновой функции ψ, квадрат модуля которой |ψ(r)| 2 пропорционален вероятности обнаружить частицу в точке r. В
случае конечного потенциала (потенциала со стенками конечной высоты) ψ-функция
всюду отлична от нуля. Поэтому существует, хотя и малая, вероятность обнаружить частицу вне ядра, а это и означает возможность α-распада.
Покажем качественно, откуда следуют указанные выше закономерности α-распада. Проницаемость D барьера для α-частицы с энергией Е определяется следующим выражением:
(10.42)
где интегрирование производится в пределах от радиуса ядра R я до точки поворота R n , определяемой из условия
2(Z–2)e 2 /R n = Е
(мы учли, что на α-частицу вне ядра действует кулоновский потенциал ядра-остатка с зарядом Z-2). Будем считать, что туннелирование происходит глубоко под барьером, т. е.
В силу малости постоянной Планка, стоящей в выражении для проницаемости барьера в экспоненте, фактически вклад области, где U ~ Е, мал, и накладываемое нами условие физически оправдано. При этих предположениях формула (10.42) принимает вид
где А, В, С - константы. Поскольку период полураспада Т 1/2 обратно пропорционален проницаемости барьера, из выражения (10.43) следует экспериментально наблюдаемый закон Гейгера-Нэттола
lgT 1/2 = а/√Е + b , (10.44)
связывающий период полураспада с энергией вылетающей α-частицы. Реально коэффициенты а и b - не константы, однако они очень слабо зависят от атомного номера материнского ядра Z:
а ~ 1,6 Z; b ~ -1,6 Z 2/3 - 21,4 (10.45)
(если Т 1/2 выражается в секундах, Е - в мегаэлектронвольтах, a Z - заряд дочернего ядра). Как видно, Т 1/2 не зависит от атомного веса А, слабо зависит от Z и в сильной степени - от энергии вылетающих α-частиц.
До сих пор мы говорили только о проницаемости потенциального барьера.
Чтобы найти константу распада λ надо умножить проницаемость барьера на число попыток α-частицы ν в единицу времени преодолеть этот барьер, т. е.
λ= 0,693/T 1/2 = νD. (10.46)
Грубая оценка предэкспоненциального множителя в (10.46) может быть сделана, если под v понимать частоту ударов а-частицы о поверхность ядра, определяемой формулой
ν = v/(2R n), (10.47)
где v - скорость а-частицы внутри ядра. Разумеется, предэкспоненциальный множитель также зависит от энергии (согласно нашей грубой оценке он пропорционален √Е), но, по сравнению с экспоненциальной зависимостью, это - медленно меняющаяся функция энергии, так что именно проницаемостью барьера определяются
все основные закономерности α-распада.
Энергетический спектр а-частиц многих α-активных ядер состоит из нескольких линий, одна из которых является преобладающей. В качестве примера на рис. 10.10 показан α-спектр ThC(212 83 Bi).
Рис. 10.10 α-спектр ThC(212 83 Bi).
Дискретность линии и их относительная интенсивность легко объяснимы. Дело в том, что α-частицы могут либо испускаться ядром, находящимся в возбужденном состоянии (так называемые длиннопробежные α-частицы), либо может происходить α-распад из сновного состояния материнского ядра в возбужденные состояния дочернего ядра (короткопробежные α-частицы). На рис. 10.11 приведены два примера таких переходов - распад 238 Рu и 212 Ро.
В первом случае(238 Рu) α-частицы максимальной энергии соответствуют переходам из основного в основное состояние. Кроме того, α-распад может идти в возбужденные состояния дочернего ядра 234 U с последующими γ~переходами в основное состояние. Распад 212 Ро - пример испускания α-частиц из возбужденного состояния. Такая ситуация возникает от того, что 212 Ро образуется в результате β-распада 212 Bi. Находясь в возбужденном состоянии, ядро 212 Ро может либо испустить α-частицу, либо путем γ-излучения перейти в основное состояние.
Бета-распад. Бета-распад - процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобару (ядро с тем же атомным номером) с зарядом, отличным от исходного на ΔZ = ±1, за счет испускания электрона (позитрона) или захвата электрона с атомной оболочки. Главной особенностью β-распада является то, что он обусловлен не ядерными и не электромагнитными силами, а слабым взаимодействием (см. гл. 12), вероятность
которого примерно в 10 14 раз меньше ядерного. Поэтому периоды полураспадов
β-активных ядер в среднем довольно велики - порядка нескольких минут и даже часов. В общем случае при прочих равных условиях при β-распаде соблюдается та же тенденция, что и при α-распаде: чем больше энергия Q, выделяющаяся при распаде, тем меньше период полураспада.
Периоды полураспада меньше 10 ~2 с не встречаются, так как при них значения Q получились бы больше 10 МэВ, т. е. больше средней энергии связи нуклонов в ядре; при таком избытке энергии ядро оказывается нестабильным по отношению к вылету нуклона, а этот процесс (когда он возможен) происходит гораздо быстрее β-распада, за время порядка 10~20 с. Процессы β-распада идут всегда, когда они энергетически возможны. Кулоновский барьер для β-распада несущественен в силу очень малой массы электрона.
Характерной особенностью β -распада является энергетический спектр вылетающих частиц (рис. 10.12). В отличие от а-частиц, в данном случае мы имеем непрерывный энергетический спектр электронов β-распада. Наблюдающаяся непрерывность является следствием участия в процессе распада еще одной частицы - нейтрино, обладающей нулевой энергией покоя (согласно последним данным верхний предел энергии покоя нейтрино составляет 3 эВ). Поэтому при одиночном акте распада соотношение энергий электрона и нейтрино может быть любым, т. е. энергия электрона может принимать любые значения от нуля до максимальной возможной энергии (полной выделяющейся энергии).
Остановимся более подробно на энергетических процессах при β-распаде.
Рассмотрим атом с зарядом Z+1 и полной энергией E z+1 . Пусть его нулевая энергия соответствует системе «однократно ионизованный атом плюс покоящийся свободный электрон». Последнее означает, что энергия нейтрального атома с зарядом Z + 1 слегка отрицательна и имеет порядок энергии
ионизационного потенциала атома (рис. 10.13). При этом возможны следующие случаи.
А. Энергия E z атома с зарядом Z выше, чем E z+1 . Энергетически возможным является β-распад, т. е. распад с вылетом электрона, и атом Z переходит в ионизованный атом Z + 1. Процесс E z+1 -> E z запрещен.
B . Переход E z+1 -> E z возможен только в том случае, если ядро Z + 1 поглощает электрон из атомных К-, L-, М-оболочек. Обычно ядром захватывается К-электрон, и поэтому процесс часто называют К-захватом. Новый атом Z образуется в возбужденном состоянии B* соответственно с вакансией (дыркой) в К- или L-оболочке. Затем роисходит переход в основное состояние, сопровождающийся испусканием характеристического излучения:
B* -> В + hv. (10.48)
C. Энергия атома Z такова, что E z + 2m 2 <= E z +1. Также возможен процесс К-захвата, но, кроме того, ядро может претерпевать β + -распад (позитронный распад). Приведенное энергетическое соотношение легко получить.
Если m- масса электрона (позитрона), M z - масса конечного ядра, а
M z+1 - масса исходного ядра, то должно выполняться неравенство
M z+1 c 2 >= M z c 2 + mс 2 . (10.49)
Но массы атомов (A M Z и A M z+1) Z и Z+1 с учетом массы электронов равны
A M Z =M Z + Zm, A M Z +1 = M z +1 + (Z + l)m. (10.50)
Подставив эти соотношения в условие A0.49), получим
A M Z +1 >= A M z +2m (10.51)
E z +1 >= E z +2mc 2 . (10.52)
Важно подчеркнуть, что β-распад - процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон - нейтрон либо протон.
Электронный распад связан с распадом нейтрона
n° -> p + + e - + ν > . (10.53)
При позитронном распаде в ядре распадается одиночный протон
р + -> n° + е + + ν. (10.54)
В формуле (10.53) знак «тильда» над нейтрино означает, что при распаде нейтрона образуется антинейтрино. Почему так происходит, будет подробно рассматриваться дальше в гл. 12. Заметим, что в свободном состоянии нейтрон нестабилен, его период полураспада равен 10,5 мин. Свободный же протон не распадается, т. к. его масса меньше массы нейтрона, но для связанного в ядре протона подобное превращение возможно, недостающая энергия восполняется ядром.
С β-распадом связано одно из удивительных открытий XX в. - открытие несохранения четности. Кажется совершенно очевидным, что выбор системы координат, в которой математически записываются физические уравнения и происходит, соответственно, эволюция системы во времени, является вполне произвольным. Следовательно, не может быть разницы между описаниями одного и того же процесса в левой и правой системах координат. Математически это означает, что все уравнения должны быть симметричны относительно операции пространственной инверсии, т. е. замены r на -r. Изменение
знаков координат какой-либо точки соответствует положению точки, полученной в результате ее зеркального отражения в трех координатных плоскостях, и поэтому такое изменение системы координат можно трактовать как переход к совокупности событий, являющихся зеркальным изображением данной совокупности событий. Преобразование
пространственной инверсии обладает физическим смыслом вследствие того, что, как показывает опыт, процессы природы в основном симметричны относительно
такого преобразования. Это означает, что для всякого процесса в природе осуществляется и протекает с той же вероятностью «зеркально симметричный» процесс.
Симметрия относительно преобразования пространственной инверсии приводит при квантовомеханическом описании к существованию у системы определенной пространственной четности. Иными словами, волновая функция системы либо четна, либо нечетна при этом преобразовании. Пространственная четность сохраняется в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий. Что же касается слабых взаимодействий,
ответственных за β-распад, то здесь ситуация иная. Гипотеза несохранения четности в слабых взаимодействиях была выдвинута Т.Д. Ли(р.1926) и Ч.Н. Янгом(р.1922), которые предложили соответствующий эксперимент, поставленный Ч.С. By(р.1913).
Принципиальная схема опыта крайне проста. Бета-активный изотоп 60 Со помещался в магнитное поле Н соленоида, которое поляризовало ядра кобальта, т. е. ориентировало их магнитные моменты вдоль поля (рис. 10.14).
Вся система зеркально симметрична относительно плоскости токового витка, поэтому, казалось бы, и интенсивность излучения β-электронов должна быть одинаковой по обе стороны от плоскости симметрии. На самом деле в эксперименте наблюдалась резкая асимметрия (примерно на 40 %), т. е. асимметрия слабых взаимодействий относительно левого и правого.
Гамма-излучение. В том случае, когда распад ядра с вылетом нуклона энергетически невозможен, происходит снятие возбуждения за счет испускания γ-квантов - высокоэнергетичных фотонов. Испускание ядром γ- квантов с энергией, превышающей энергию связи нуклона, имеет место только в случае запрета по четности и моменту количества движения для вылета нуклонов (или других частиц), который делает процесс испускания γ-квантов относительно более вероятным. Если же подобного рода запрета не существует, то испускание таких «ядерных» частиц, как нейтроны, протоны,
а-частицы, значительно более вероятно, чем γ-uзлучение. Последнее связано с тем, что γ~излучение обусловлено электромагнитным взаимодействием, тогда как вылет нуклонов или а-частиц просходит благодаря более сильному ядерному взаимодействию (этот тип фудаментального взаимодействия обычно называют сильным взаимодействием - см. гл. 12).
В отличие от β-распада, γ~излучение - явление не внутринуклонное, а внутриядерное. Изолированный свободный нуклон не может испустить (или поглотить) γ- квант из-за совместного действия законов сохранения энергии и импульса. Последнее полностью аналогично тому, что фотоэффект на свободных электронах невозможен. В то же время внутри ядра нуклон может испустить квант, передав при этом часть импульса другим нуклонам.
В гл. 8 мы показали, что поскольку фотон - безмассовая частица, для него не существует системы координат, в которой он покоится. Кроме того, для фотона бессмысленно делить его полный момент импульса на спиновый и орбитальный. Полный же момент может иметь в принципе любое целое (в единицах К) значение, начиная с единицы. Именно поэтому часто говорят, что спин фотона равен 1, хотя более правильным является утверждение «минимальное значение момента импульса фотона равно 1».
Как упоминалось в § 8.1, состояние фотона, испущенного какой-либо системой, характеризуют мулътиполъностъю, т. е. определенными полным моментом импульса и четностью.
Фотон мультипольности 2 L обладает угловым моментом L, абсолютное значение которого, согласно квантовой механике, равно √(L(L + 1)), т. е. точно такое же, как и в случае частицы конечной массы. В соответствии с законом сохранения момента импульса должно выполняться следующее соотношение между моментами I н и I К начального и конечного ядра и моментом L, уносимым γ-квантом:
|I н -I к |<=L<=I H + I K . (10.55)
Оно является правилом отбора по моменту количества движения. Согласно (10.55) дипольные γ-кванты (L = 1) могут быть испущены при переходах между состояниями с
ΔI = 0, ±1, кроме (0-0)-переходов; квадрупольные γ-кванты (L = 2) - при переходах между состояниями с ΔI = ± 2, ±1, 0, кроме (0-0)-, (0-1)- и (1-0)-переходов и т. д.
Еще одно правило отбора связано с выполнением закона сохранения четности волновой функции. Четность, как мы уже говорили ранее, определяется по влиянию на знак волновой функции системы отражения всех трех осей относительно начала координат.
Такое отражение в случае статического диполя приводит к взаимной перестановке положения каждого заряда (рис. 10.15). Следовательно, если смотреть из исходной системы координат, то происходит очевидное изменение знаков всех зарядов. Однако такое же отражение в случае магнитного диполя (кругового тока) не изменяет направления (знака) тока в магнитном диполе (см. также рис. 8.1).
Поэтому разрешенное изменение четности ядра, испускающего электрическое γ-излучение мультипольности L, описывается формулой
Р и /Р к = (-1) L, (10.56)
а для ядра, испускающего магнитное L-мультипольное излучение, формулой
Р н /Р к = (-1) L+1 , (10.57)
где Р н иР к - соответственно четности начального и конечного состояний ядра.
Часто снятие возбуждения в ядре происходит не путем непосредственного перехода в основное состояние, а путем испускания каскада γ-квантов, обладающих меньшей мультипольностью. При этом оказывается, что существует угловая корреляция последовательно испускаемых γ-квантов, т. е. наблюдается преимущественное направление испускания второго кванта.
Появление корреляционной зависимости обусловлено тем, что проекция т полного момента γ-кванта на его импульс может принимать только значения m = ±1 (единицей измерения является постоянная Планка ћ).
Значение m = 0 исключено условием поперечности электромагнитных волн.
Поэтому, если, например, ядро на уровне с моментом нуль испустило γ-квант, вылетевший в определенном направлении, т. е. зарегистрированный в этом направлении детектором, то проекция спина ядра в новом, более низком энергетическом состоянии на данное направление может быть только ±1, но не нуль. Таким образом, оказывается, что ядро ориентировано в пространстве уже не совсем хаотически. Поэтому и каскадные γ-кванты вылетают из него в разных направлениях с разной вероятностью. Угловая
корреляция существенно зависит от моментов последовательно распадающихся состояний.
Времена жизни γ-активных ядер в среднем невелики и обычно имеют порядок 10 ~7 -10 ~11 с. В редких случаях, при сочетании высокой степени запрета с малой энергией перехода, могут наблюдаться γ-активные ядра с временами жизни макроскопического порядка - до нескольких часов, а иногда даже лет. Такие возбужденные долгоживущие состояния ядер называются изомерами. Данное явление было открыто в 1935 г. И.В. Курчатовым с сотрудниками. Изомерный уровень должен иметь спин, сильно отличающийся от спинов уровней, лежащих ниже, и низкую энергию возбуждения. Как правило, изомерное состояние относится к первому возбужденному уровню ядра. Так, например, в ядре 115 49 In, основное состояние имеет характеристику 9/2 + , а первый возбужденный уровень с нергией 335 кэВ - характеристику 1/2 ~ . Переход этот настолько сильно запрещен, что время жизни возбужденного уровня оказывается равным 14,4 часа.
Следует обратить внимание на то, что все лабораторные источники γ-квантов являются фактически долгоживущими β-активными ядрами, а γ-излучение возникает из-за
β-распада материнского ядра на возбужденные уровни дочернего ядра. Так, например, в широко распространенном источнике γ-излучения 60 Со (Т 1/2 = 5,3 г) происходят вылет электронов с энергией 0,3 МэВ и последующие γ-переходы в ядре 60 Ni с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ.
Кроме γ-излучения, существует еще один механизм потери энергии возбужденным ядром - испускание электронов внутренней конверсии. В этом процессе энергия возбуждения ядра передается непосредственно одному из орбитальных электронов, который получает всю энергию кванта. С наибольшей вероятностью процесс внутренней конверсии идет на К-электронах, волновая функция которых больше всего перекрывается с ядром. Однако
если энергия, освобождаемая при ядерном переходе, меньше энергии связи Х-электрона, то наблюдается конверсия на L-электронах и т. д. Помимо конверсионных электронов, при внутренней конверсии можно наблюдать еще и рентгеновские кванты, возникающие при переходе одного из наружных электронов на уровень К- или L-оболочки, освобожденной вылетевшим электроном. Моноэнергетичность вылетающих при внутренней конверсии электронов позволяет отличать их от β-распадных электронов, спектр которых непрерывен.
В качестве иллюстрации этого процесса на рис. 10.16 приведен спектр электронов, вылетающих из β-активного ядра ртути 203 Hg.
Процесс внутренней конверсии в некотором смысле аналогичен колебаниям в связанной системе с двумя степенями свободы. Простейшим примером такой системы могут служить два маятника, связанные пружиной: колебания одного из маятников благодаря пружине возбуждают колебания другого. В случае внутренней конверсии роль «пружины» играет электрическое поле. Таким образом, внутренняя конверсия представляет собой первичный, а не вторичный процесс взаимодействия электромагнитного излучения с орбитальными электронами: энергия возбуждения ядра передается орбитальным электронам, как говорят, виртуальными, а не реальными квантами.
Деление ядер . Деление атомных ядер - это процесс, характерный только для самых тяжелых ядер, начиная от тория и далее в сторону больших Z.
Сейчас трудно себе представить, с каким недоумением и недоверием физики встретили в 1938 г. сообщение О. Хана и Ф. Штрассмана о делении атомного ядра медленными нейтронами, поскольку было хорошо известно, что для вырывания из ядра одного нуклона требуется энергия в миллионы электроновольт. По образному выражению Р. Личмена, это равносильно тому, что твердый камень раскалывается от легкого постукивания карандаша. Первое объяснение наблюдаемого процесса было выдвинуто Н. Бором и Дж. Уилером и независимо, Я.И. Френкелем уже через несколько месяцев на основе
аналогии деления ядра с делением заряженной капли жидкости при деформации.
При попадании нейтрона ядро-капля начинает колебаться и в какой-то момент времени принимает вытянутую форму. Действующие между нуклонами ядерные силы, подобно силам сцепления молекул в жидкости, приводят к появлению поверхностного натяжения. Они стремятся вернуть ядру первоначальную почти сферическую форму (тяжелые ядра в основном состоянии слегка деформированы и имеют форму вытянутого эллипсоида).
Однако, если вытянутость ядра в какой-то момент времени оказывается достаточно большой, электростатические силы отталкивания одноименных зарядов могут превзойти силы поверхностного натяжения.
Тогда ядро начнет еще больше растягиваться, пока не разорвется на два осколка. В качестве «мелких брызг» в момент деления вылетают два-три нейтрона, α-частицы и даже легкие ядра, правда, с очень малой вероятностью. Последовательные стадии процесса
деления атомного ядра представлены на рис. 10.17.
В 1940 г. Г.Н. Флеров и К.А. Петржак обнаружили, что ядра урана могут делиться и самопроизвольно (спонтанно). Период полураспада спонтанного деления 238 U
равен 8 10 15 лет. Как оказалось в дальнейшем, все ядра тяжелее тория испытывают спонтанное деление, причем чем тяжелее ядро, и чем больше его заряд, тем в среднем больше вероятность этого процесса, т. е. тем меньше период его спонтанного деления. Период спонтанного деления очень быстро уменьшается по мере перехода к более тяжелым ядрам. Так, у изотопа плутония 242 Рu он равен 6,8*10 10 лет, у калифорния 252 Cf уже 85 лет, а у фермия 256 Fm – 2.7 часа.
Спонтанное деление ядер представляет собой чисто квантовомеханический эффект. Как указывалось выше, оно является результатом конкуренции двух процессов - поверхностного натяжения, стремящегося вернуть ядро в исходное состояние, и кулоновского отталкивания заряженных осколков. Таким образом у ядра появляется потенциальный барьер, препятствующий его делению.
На рис. 10.18 показана потенциальная энергия ядра как функция отклонения ΔR поверхности ядра от сферической формы. Основное состояние ядра является слегка
деформированным.
Следовательно, спонтанное деление ядер является туннельным процессом, точно так же, как это происходит при туннелировании α-частиц. Отсюда и появляется столь сильная зависимость периода спонтанного деления от заряда ядра: по мере увеличения заряда ядра уменьшается величина барьера и резко увеличивается вероятность деления. У изотопа 235 U барьер деления равен примерно 6 МэВ, как раз той энергии, какую вносит медленный нейтрон в ядро, и поэтому 235 U столь легко делится при поглощении нейтрона.
Появление и влияние кулоновского барьера легко объясняется с помощью полуэмпирической формулы Вайцзеккера для энергии связи ядер. Пусть ядро изменяет свою форму, например, из сферического становится эллипсоидальным. Объем ядра не изменяется (ядерная материя практически несжимаема), но поверхность увеличивается, а кулоновская энергия уменьшается (увеличивается среднее расстояние между протонами). Способность ядра к делению естественно характеризовать отношением кулоновской энергии к поверхностной, т. е.
(10.58)
Так как коэффициенты γ и βпостоянны для всех ядер, то вероятность деления определяется величиной Z 2 /А, которая по предложению Бора и Уиллера выбрана в качестве параметра делимости ядра. Расчеты показывают, что для ядер с Z 2 /А >= 49 деление происходит практически мгновенно, за время порядка 10 ~23 с.
Это означает, что спонтанное деление определяет предел существования стабильных ядер, т. е. у ядер с Z >= 120 отсутствует энергетический барьер, препятствующий спонтанному делению. Характер изменения барьера деления E f и энергии Q f , выделяющейся при делении ядра, по мере деформации ядра ε. При разных значениях параметра делимости показан на рис. 10.19, а на рис. 10.20 приведены времена жизни для спонтанного деления четно-четных ядер. Ядра с нечетными N или Z имеют на несколько порядков больший период полураспада для спонтанного деления, чем соседние четно-четные ядра.
На основе приведенных выше рассуждений легко предсказать следующие основные свойства процесса деления.
1 . При делении тяжелого ядра должна освобождаться большая энергия Q, поскольку энергия связи, приходящаяся на один нуклон в тяжелых ядрах ε тяж примерно на 0,8 МэВ меньше сответствующей энергии ε ср для средних ядер; так, например, для ядра 238 U
Q f ~ А(ε тяж - ε ср) ~ 238 0,8 ~ 200 МэВ. (10.59)
2. Подавляющая часть энергии деления освобождается в форме кинетической энергии осколков деления Ек, так как ядра-осколки неизбежно должны разлетаться под действием кулоновского отталкивания. Кулоновская энергия двух осколков с зарядами Z 1 и Z 2 , находящихся на расстоянии δ, равна
. (10.60)
где R 1 , R 2 - радиусы ядер осколков, которые
могут быть вычислены по формуле
R = 1,23 10 ~13 А 1/3 см,
a Z 1 = Z 2 = Z 0 /2 ~ 46
(считая, что ядро урана делится пополам), то получим
т. е. значение такого же порядка, что и Q f
3 . Образующиеся при делении осколки должны быть β-радиоактивными и могут испускать нейтроны. Причина заключается в том, что, по мере увеличения заряда ядра, отношение числа нейтронов в ядре к числу протонов растет из-за увеличения кулоновской энергии протонов. Поэтому ядра-осколки будут иметь при делении такое же отношение N/Z, как, скажем, у урана, т. е. будут перегружены нейтронами, а подобные ядра испытывают β-распад (ввиду большой перегрузки нейтронами продукты этого распада также β-активны, так что осколки деления дают начало достаточно длинным цепочкам из радиоактивных ядер). Кроме того, часть энергии может уноситься путем непосредственного испускания нейтронов деления или вторичных, т. е. испускаемых из осколков деления, нейтронов. Средняя энергия нейтронов деления составляет около 2 МэВ.
Среднее число нейтронов ν, испускаемых за один акт деления, зависит от массового числа делящегося ядра и растет с ростом Z. Если для ядра 240 Рu ν ~ 2,2, то уже для 252 Cf ν ~ 3,8. Так как 252 Cf к тому же достаточно быстро распадается (по отношению к спонтанному делению Т 1/2 = 85 лет; реально его время жизни определяется α-распадом и составляет 2,64 г.), то он является интенсивным источником нейтронов.
В настоящее время его рассматривают как один самых перспективных радиоактивных источников нейтронов.
Большое энерговыделение и испускание вторичных нейтронов в процессе деления ядер имеют огромное практическое значение. На этом процессе основана работа ядерных реакторов, которые будут рассматриваться в следующей главе.
Естественная и искусственная радиоактивность
Ядра некоторых изотопов могут самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с выделением энергии. Этот процесс называют радиоактивностью. Естественная радиоактивность впервые обнаружена на солях урана в 1896г. французским физиком А. Беккерелем и исследована затем Пьером и Марией Кюри. Было установлено, что радиоактивный распад сопровождается испусканием α-, β-, и γ-лучей. Большинство естественных радиоактивных элементов образует радиоактивные семейства, где каждый радиоактивный элемент возникает из предыдущего и, в свою очередь, превращается в последующий. Процесс радиоактивных превращений продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп. Для некоторых естественных радиоактивных элементов (40 К, 87 Rb, 152 Sm и др.) распад ограничивается одним звеном превращения.
Искусственная радиоактивность открыта в 1934г. французскими учеными Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Они установили, что при облучении стабильных элементов α-частицами образуются радиоактивные изотопы фосфора, азота и кремния – элементов, не име6ющих естественных радиоактивных изотопов. В дальнейшем при облучении стабильных элементов α-частицами, протонами, дейтронами и нейтронами, были получены радиоактивные изотопы всех химических элементов, начиная от водорода и кончая ураном, причем для большинства элементов получено несколько радиоактивных изотопов.
Существуют следующие основные виды распада природных радиоактивных элементов.
1. Испускание α-частицы, представляющей собой положительно заряженное ядро гелия с атомным номером Z=2 и массовым числом М=4. Ядро, образовавшееся в результате α-распада, имеет массовое число на четыре единицы, а порядковый номер на две единицы меньше, чем у исходного ядра, например:
2. Испускание отрицательных или положительных α-частиц - электрона (обозначается е - или β -) или позитрона (е + или β +), представляющих собой заряженные частицы с примерно одинаковой массой (m e =0,9035-10 -27 г), составляющей всего 1/1835 часть массы протона. При этом массовое число продукта распада такое же, как у исходного ядра, а порядковый номер увеличивается или уменьшается на одну единицу, например:
.
В приведенных записях реакций отмечена важная особенность β-распада: он всегда сопровождается испусканием нейтральной частицы с нулевой массой - нейтрино v при β + -распаде и антинейтрино v при β - -распаде. Очень часто основные (обязательные) продукты распада, α- и β-частицы, а также нейтрино (антинейтрино) , уносят не всю энергию реакции распада. Избыток энергии испускается в виде одного или нескольких -квантов
.
3. Захват ядром электрона одной из оболочек атомов. В результате этого процесса, называемого электронным захватом (ЭЗ), атомный номер (как и при β + -распаде) уменьшается на одну единицу, а энергия реакции уносится нейтрино и в некоторых случаях также -γ-излучением, например:
.
При занятии вакантного места на электронной оболочке другим электроном возникает также характеристическое рентгеновское излучение элемента - продукта реакции.
Электронный захват с К-, L -оболочек принято называть соответственно (К -захватом, L -захватом и т. д.
4. Самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (238 U , 232 Th ) на две части, обычно с неодинаковой массой. При самопроизвольном делении помимо осколков деления излучаются два или три нейтрона, а иногда и другие частицы. Вновь образовавшиеся ядра обычно нестабильны и распадаются путем испускания нескольких нейтронов и β - -частиц. В ядерной геофизике вызывает интерес испускание некоторыми продуктами деления так называемых запаздывающих нейтронов, сопровождающих β-распад, например:
Регистрацию таких нейтронов используют для определения содержания урана.
5. Испускание одного или двух протонов, при котором масса и заряд уменьшаются на одну или две единицы, наблюдается лишь у части искусственных радиоактивных изотопов с исключительно большим дефицитом нейтронов (соответственно с избытком протонов), например:
.
Этот вид распада недавно открыт советскими учеными, и его значение для ядерной геофизики еще не изучено.
Иногда к радиоактивному распаду относят также переход некоторых ядер из метастабильного (относительно устойчивого возбужденного) состояния в основное с испусканием одного или нескольких γ-квантов. При этом ядерного превращения (в смысле изменения его массы или заряда) не происходит. Однако закон уменьшения числа активных (метастабильных) ядер совпадает с законом радиоактивного распада, что и оправдывает отнесение этого процесса, называемого изомерным переходом (ИП), к особому виду радиоактивности.
Возбужденное ядро-изомер некоторого элемента М Х принято обозначать М m Х. Изомеры обычно получают возбуждением ядер при бомбардировке ядерными частицами или иногда как промежуточный продукт при распаде некоторых ядер. Например, при распаде UX 1 кроме изотопа 234 Pa(UZ) образуется его изомер 234 m Pa(UX 2), имеющий другой период полураспада.
Обычно радиоактивный элемент распадается одним из перечисленных выше способов. Однако многие из них могут распадаться различными путями. Так, например, 226 Ra в 99 % случаев превращается в 222 Rn, излучая α-частицу с энергией 4,9 МэВ. Однако наблюдается переход радия в радон и с испусканием двух частиц: α -частицы с энергией 4,7 МэВ и γ-кванта с энергией 0,2 МэВ. Некоторые радиоактивные элементы распадаются, образуя два или более новых элементов. Так, около 12 % атомов 40 К испытывают К -захват и превращаются в атомы аргона 40 Аr с последующим излучением γ -квантов с энергией 1,46 МэВ. Остальные 88 % 40 К превращаются в атомы кальция 40 Са с излучением β-частицы. Распад искусственных радиоактивных элементов, как правило, сопровождается испусканием электронов (или позитронов) и γ –лучей.
В природе обнаружено более 50 естественных радиоактивных элементов. Наиболее распространены тяжелые элементы, входящие в состав радиоактивных семейств урана , актиноурана AcU и тория ( ,рис. 5.1). В ничтожно малых количествах в природе встречаются элементы семейства нептуния , распад которых ограничивается одним звеном превращений. Из анализа рис. 5.1 следует, что характер распада этих семейств имеет много общего.
