Dirbtinį radioaktyvumą atrado pora Irène (1897–1956) ir Frédéric (1900–1958) Joliot-Curie. 1934 m. sausio 15 d. jų užrašą J. Perrinas pristatė Paryžiaus mokslų akademijos posėdyje. Irene ir Frederickas sugebėjo nustatyti, kad po alfa dalelių bombardavimo kai kurie lengvieji elementai – magnis, boras, aliuminis – išskiria pozitronus. Toliau jie bandė nustatyti šios emisijos mechanizmą, kuris savo pobūdžiu skyrėsi nuo visų tuo metu žinomų branduolinių transformacijų atvejų. Mokslininkai įdėjo alfa dalelių (polonio) šaltinį vieno milimetro atstumu nuo aliuminio folijos. Tada jie maždaug dešimt minučių ją apšvitino. Geigerio-Mulerio skaitiklis parodė, kad folija skleidžia spinduliuotę, kurios intensyvumas laikui bėgant eksponentiškai mažėja, o pusinės eliminacijos laikas yra 3 minutės 15 sekundžių. Atliekant eksperimentus su boru ir magniu, pusinės eliminacijos laikas buvo atitinkamai 14 ir 2,5 minutės. Tačiau atliekant eksperimentus su vandeniliu, ličiu, anglimi, beriliu, azotu, deguonimi, fluoru, natriu, kalciu, nikeliu ir sidabru tokių reiškinių nerasta. Tačiau Joliot-Curies padarė išvadą, kad aliuminio, magnio ir boro atomų bombardavimo sukeltos spinduliuotės negalima paaiškinti jokių priemaišų buvimu polonio preparate. „Boro ir aliuminio spinduliavimo debesų kameroje analizė parodė“, – savo knygoje „Atomo biografija“ rašo K. Manolovas ir V. Tyutyunnikas, „kad tai yra pozitronų srautas. Tapo aišku, kad mokslininkai susiduria su nauju reiškiniu, kuris gerokai skyrėsi nuo visų žinomų branduolinių transformacijų atvejų. Iki tol žinomos branduolinės reakcijos buvo sprogstamojo pobūdžio, o kai kurių šviesos elementų, apšvitintų polonio alfa spinduliais, teigiamų elektronų emisija tęsėsi dar daugiau ar mažiau ilgą laiką po to, kai buvo pašalintas alfa spindulių šaltinis. Pavyzdžiui, boro atveju šis laikas siekia pusvalandį. Joliot-Ciuri priėjo prie išvados, kad čia mes kalbame apie apie tikrąjį radioaktyvumą, pasireiškiantį pozitrono emisija. Reikėjo naujų įrodymų ir, visų pirma, reikėjo išskirti atitinkamą radioaktyvų izotopą. Remdamiesi Rutherfordo ir Cockroft tyrimais, Irene ir Fredericas Joliot-Curie sugebėjo nustatyti, kas nutinka aliuminio atomams, kai jie yra bombarduojami polonio alfa dalelėmis. Pirma, alfa daleles sugauna aliuminio atomo branduolys, kurio teigiamas krūvis padidėja dviem vienetais, todėl jis virsta radioaktyvaus fosforo atomo, mokslininkų vadinamo „radiofosforu“, branduoliu. Šį procesą lydi vieno neutrono emisija, todėl susidariusio izotopo masė padidėja ne keturiais, o trimis vienetais ir tampa lygi 30. Stabilus fosforo izotopas turi masę 31. „Radiofosforas“ su 15 krūvis ir 30 masės skilimas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 3 minutės 15 sekundžių, išspinduliuoja vieną pozitroną ir virsta stabiliu silicio izotopu. Vienintelis ir neginčijamas įrodymas, kad aliuminis virsta fosforu, o vėliau – siliciu, kurio krūvis 14, o masė – 30, galėtų būti tik šių elementų išskyrimas ir identifikavimas naudojant jiems būdingas kokybines chemines reakcijas. Bet kuriam chemikui, dirbančiam su stabiliais junginiais, tai buvo paprasta užduotis, tačiau Irene ir Frederic situacija buvo visiškai kitokia: jų pagaminti fosforo atomai truko kiek ilgiau nei tris minutes. Chemikai turi daug metodų, kaip aptikti šį elementą, tačiau visiems jiems reikia ilgo apsisprendimo. Todėl chemikų nuomonė buvo vieninga: identifikuoti fosforą kaip tokį trumpas laikas neįmanoma. Tačiau Joliot-Curie sutuoktiniai nepripažino žodžio „neįmanoma“. Ir nors ši „neįmanoma“ užduotis pareikalavo stulbinančio darbo, įtampos, virtuoziško miklumo ir begalinės kantrybės, ji buvo išspręsta. Nepaisant itin mažos branduolinių virsmų produktų išeigos ir visiškai nereikšmingos transformaciją patyrusios medžiagos masės – vos kelių milijonų atomų, pavyko nustatyti cheminės savybės susidariusio radioaktyvaus fosforo. Dirbtinio radioaktyvumo atradimas iš karto buvo įvertintas kaip vienas didžiausių šimtmečio atradimų. Prieš tai kai kuriems elementams būdingo radioaktyvumo žmogus negalėjo sukelti, sunaikinti ar kitaip pakeisti. Joliot-Curie pora buvo pirmoji, kuri dirbtinai sukėlė radioaktyvumą, gaudama naujų radioaktyvių izotopų. Mokslininkai numatė puikų teorinė vertėšis atradimas ir jo galimybės praktiniai pritaikymai biologijoje ir medicinoje. Jau kitais metais buvo apdovanoti dirbtinio radioaktyvumo atradėjai Irene ir Frédéricas Joliot-Curie. Nobelio premija chemijoje. Tęsdamas šiuos tyrimus, italų mokslininkas Fermi parodė, kad bombardavimas neutronais sukelia dirbtinį radioaktyvumą sunkieji metalai. Enrico Fermi (1901–1954) gimė Romoje. Net vaikystėje Enrico puikiai išmanė matematiką ir fiziką. Jo puikios žinios šiuose moksluose, įgytos daugiausia savišvietos būdu, leido jam 1918 m. gauti stipendiją ir įstoti į aukštąsias mokyklas. normali mokykla Pizos universitete. Tada Enrico gavo laikinas chemikų matematikos dėstytojo pareigas Romos universitete. 1923 m. jis išvyko į komandiruotę į Vokietiją, Getingeną, pas Maxą Borną. Grįžęs į Italiją, Fermi dirbo Florencijos universitete nuo 1925 m. sausio mėn. iki 1926 m. rudens. Čia jis įgyja savo pirmąjį akademinį laipsnį kaip „laisvasis docentas“ ir, svarbiausia, sukuria savo garsus darbas apie kvantinę statistiką. 1926 m. gruodį jis užėmė naujai įsteigtos katedros profesoriaus pareigas teorinė fizika Romos universitete. Čia jis subūrė jaunų fizikų komandą: Rasetti, Amaldi, Segre, Pontecorvo ir kitus, kurie sudarė italų mokyklašiuolaikinė fizika. Kai 1927 metais Romos universitete buvo įkurta pirmoji teorinės fizikos katedra, jos vadovu buvo išrinktas tarptautinį autoritetą įgijęs Fermis. Čia, Italijos sostinėje, Fermis subūrė keletą iškilių mokslininkų ir įkūrė pirmąją šalyje šiuolaikinės fizikos mokyklą. Tarptautiniuose mokslo sluoksniuose ji pradėta vadinti Fermi grupe. Po dvejų metų Fermi buvo paskirtas Benito Mussoliniį naujai sukurtos nario garbės pareigas Karališkoji akademija Italija. 1938 metais Fermi buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija. Sprendime Nobelio komitetas buvo pasakyta, kad premija buvo skirta Fermi „už naujo egzistavimo demonstravimą radioaktyvieji elementai gautas apšvitinant neutronais ir su tuo susijęs branduolinių reakcijų, kurias sukelia lėti neutronai, atradimas. Enrico Fermi apie dirbtinį radioaktyvumą sužinojo iš karto, 1934 m. pavasarį, kai tik Joliot-Curie sutuoktiniai paskelbė savo rezultatus. Fermi nusprendė pakartoti Joliot-Curie eksperimentus, tačiau pasuko visiškai kitu keliu, naudodamas neutronus kaip bombarduojančias daleles. Vėliau Fermi paaiškino kitų fizikų nepasitikėjimo neutronais priežastis ir savo laimingą spėjimą: „Neutronų, kaip bombarduojančių dalelių, naudojimas kenčia dėl to, kad neutronų, kuriuos galima praktiškai pašalinti, skaičius yra neišmatuojamas. mažesnis skaičius alfa dalelių, gautų iš radioaktyviųjų šaltinių, arba aukštos įtampos įrenginiuose pagreitintų protonų ir deuteronų skaičius. Tačiau šį trūkumą iš dalies kompensuoja didesnis neutronų efektyvumas atliekant dirbtines branduolines transformacijas. Jie yra didele dalimi galintis sukelti branduolines transformacijas. Elementų, kuriuos gali suaktyvinti neutronai, skaičius gerokai viršija elementų, kuriuos gali suaktyvinti kitų tipų dalelės, skaičių. 1934 m. pavasarį Fermi pradėjo apšvitinti elementus neutronais. Fermi „neutroniniai ginklai“ buvo maži, kelių centimetrų ilgio vamzdeliai. Jie buvo užpildyti smulkių berilio miltelių ir radžio emanacijos „mišiniu“. Štai kaip Fermis apibūdino vieną iš šių neutronų šaltinių: „Tai buvo tik 1,5 cm dydžio stiklinis vamzdis... kuriame buvo berilio grūdelių; Prieš lituojant vamzdį, į jį reikėjo įvesti tam tikrą radžio emanaciją. Radono skleidžiamos alfa dalelės dideliais kiekiais susiduria su berilio atomais ir gamina neutronus... Eksperimentas atliekamas taip. Aliuminio, geležies arba apskritai elemento, kurį norima ištirti, plokštė dedama arti neutronų šaltinio ir paliekama kelioms minutėms, valandoms ar dienoms (priklausomai nuo konkretaus atvejo). Iš šaltinio skleidžiami neutronai susiduria su medžiagos branduoliais. Tokiu atveju įvyksta daug įvairių branduolinių reakcijų...“ Kaip visa tai atrodė praktiškai? Tiriamas pavyzdys buvo nurodytą laiką intensyviai apšvitinant neutronais, vienas iš Fermi darbuotojų tiesiogine prasme nuvedė mėginį į Geigerio-Muller skaitiklį, esantį kitoje laboratorijoje, ir užregistravo skaitiklio impulsus. Juk daug naujų dirbtinių radioizotopų buvo trumpalaikiai. Pirmajame pranešime, 1934 m. kovo 25 d., Fermi pranešė, kad bombarduodamas aliuminį ir fluorą jis gavo natrio ir azoto izotopus, kurie išspinduliavo elektronus (o ne pozitronus, kaip Joliot-Curie). Neutronų bombardavimo metodas pasirodė esąs labai veiksmingas, ir Fermi rašė, kad šis didelis efektyvumas gaminant dalijimąsi „visiškai kompensuoja esamų neutronų šaltinių silpnumą, palyginti su alfa dalelių ir protonų šaltiniais“. Tiesą sakant, daug kas buvo žinoma. Neutronai atsitrenkia į padegto atomo branduolį, paversdami jį nestabilus izotopas, kuris spontaniškai sunyko ir išsiskyrė. Šioje spinduliuotėje glūdi nežinomybė: vieni dirbtinai pagaminti izotopai skleidė beta spindulius, kiti gama spindulius, treti – alfa daleles. Kiekvieną dieną dirbtinai gautas skaičius radioaktyvieji izotopai padidėjo. Kiekvieną naują branduolinę reakciją reikėjo suvokti, kad suprastume sudėtingas atomų transformacijas. Kiekvienai reakcijai reikėjo nustatyti spinduliuotės pobūdį, nes tik ją žinant galima įsivaizduoti diagramą radioaktyvus skilimas ir numatyti elementą, kuris atsiras galutinis rezultatas. Tada atėjo chemikų eilė. Jie turėjo identifikuoti gautus atomus. Tai taip pat užtruko. Naudodamas savo „neutroninį ginklą“, Fermis bombardavo fluorą, aliuminį, silicį, fosforą, chlorą, geležį, kobaltą, sidabrą ir jodą. Visi šie elementai buvo aktyvuoti, ir daugeliu atvejų Fermi galėjo nurodyti susidariusio radioaktyvaus elemento cheminę prigimtį. Jam pavyko suaktyvinti 47 iš 68 šiuo metodu tirtų elementų. Įkvėptas sėkmės, jis, bendradarbiaudamas su F. Rasetti ir O. Dagostino, ėmėsi sunkiųjų elementų: torio ir urano bombardavimo neutronais. „Eksperimentai parodė, kad abu elementai, anksčiau išvalyti nuo įprastų aktyvių priemaišų, gali būti stipriai suaktyvinti, kai juos bombarduoja neutronai. 1934 m. spalio 22 d. Fermis padarė esminį atradimą. Įdėjęs parafino pleištą tarp neutronų šaltinio ir aktyvuoto sidabro cilindro, Fermi pastebėjo, kad pleištas neutronų aktyvumo nesumažino, o šiek tiek padidino. Fermi padarė išvadą, kad šį poveikį greičiausiai lėmė vandenilio buvimas parafine, ir nusprendė išbandyti, kaip didelis kiekis vandenilio turinčių elementų paveiktų dalijimosi aktyvumą. Atlikęs eksperimentą pirmiausia su parafinu, paskui su vandeniu, Fermi pastebėjo šimtus kartų padidėjusį aktyvumą. Fermi eksperimentai atskleidė didžiulį efektyvumą lėti neutronai. Tačiau, be puikių eksperimentinių rezultatų, tais pačiais metais Fermi pasiekė puikių teorinių laimėjimų. Jau 1933 metų gruodžio mėnesio numeryje italų kalba mokslinis žurnalas Buvo paskelbtos jo preliminarios mintys apie beta skilimą. 1934 m. pradžioje buvo paskelbtas jo klasikinis straipsnis „Apie beta spindulių teoriją“. Straipsnio autoriaus santraukoje rašoma: „Siūloma kiekybinė beta skilimo teorija, pagrįsta neutrinų egzistavimu: šiuo atveju elektronų ir neutrinų emisija nagrinėjama pagal analogiją su emisija. šviesos kvantas sužadintas atomas radiacijos teorijoje. Formulės gaunamos iš branduolio gyvavimo trukmės ir ištisinio beta spindulių spektro formos; gautos formulės lyginamos su eksperimentu. Fermi šioje teorijoje pagimdė neutrino hipotezę ir branduolio protonų-neutronų modelį, taip pat priimdamas izotoninio sukimosi hipotezę, kurią šiam modeliui pasiūlė Heisenbergas. Remdamasis Fermi išsakytomis idėjomis, Hideki Yukawa 1935 metais numatė naujos elementarios dalelės, dabar žinomos kaip pi mezonas arba pionas, egzistavimą. Komentuodamas Fermi teoriją, F. Rasetti rašė: „Teorija, kurią jis sukūrė šiuo pagrindu, pasirodė galinti atlaikyti du su puse dešimtmečio beveik nepakitusi. revoliucinis vystymasis branduolinė fizika. Galima pažymėti, kad fizinė teorija retai jis gimsta tokiu galutiniu pavidalu“.
Radioaktyvumas yra kai kurių žmonių gebėjimas cheminiai elementai(uranas, toris, radis, kalifornis) spontaniškai suyra ir skleidžia nematomą spinduliuotę.
Radioaktyviosios medžiagos (RS) skyla griežtai apibrėžtu greičiu, matuojant pusinės eliminacijos periodu, t.y. laikas, per kurį suyra pusė visų atomų. Radioaktyvaus skilimo jokiu būdu negalima sustabdyti ar pagreitinti.
Spinduliuotės spindulys magnetiniame lauke skirstomas į tris spinduliuotės tipus:
b-spinduliavimas – teigiamai įkrautų dalelių srautas, vaizduojantis helio branduolį, judantis apie 20 000 km/s greičiu, t.y. 35 000 kartų greičiau nei modernus lėktuvas. Alfa dalelė yra sunkioji dalelė, ji yra 7300 kartų sunkesnė už elektroną. Gyvūnų audiniuose jo prasiskverbimo gebėjimas yra dar mažesnis ir matuojamas mikronais. Alfa dalelės yra šalia Žemės esančių kosminių spindulių dalis (6%).
Alfa skilimas yra spontaniška branduolių transformacija, kurią lydi dviejų protonų ir dviejų neutronų, sudarančių He 4 2 branduolį, emisija.
Dėl alfa skilimo branduolio krūvis sumažėja 2, o masės skaičius – 4 vienetais. Pavyzdžiui: išbėgančios b dalelės kinetinė energija nustatoma pagal pradinės ir galutinės b dalelės šerdies masę. Yra žinoma daugiau nei 200 b-aktyvių branduolių, esančių daugiausia periodinės lentelės pabaigoje. Taip pat žinoma apie 20 b-radioaktyvių retųjų žemių elementų izotopų. Čia b-skilimas būdingiausias branduoliams, kurių neutronų skaičius N=84, kurie, išskirdami b-daleles, virsta branduoliais su užpildytu branduolio apvalkalu (N=82). B-aktyvių branduolių gyvenimo trukmė labai skiriasi: nuo 3 * 10 -7 sek (Po 212) iki (2-5) * 10 15 metų (natūralūs izotopai Ce 142, 144, 176) Stebimo b skilimo energija yra 4–9 MeV (išskyrus ilgo nuotolio b daleles) visiems sunkiųjų branduolių ir 2–4,5 MeV retųjų žemių elementams.
c- spinduliuotė – įkrautų neigiamai įkrautų dalelių (elektronų) srautas. Jų greitis 200 000-300 000 km/s priartėja prie šviesos greičio. Beta dalelių masė yra 1/1840 vandenilio masės. Beta dalelės yra lengvos dalelės.
g-spinduliuotė – trumpųjų bangų elektromagnetinė spinduliuotė. Jo savybės panašios į rentgeno spinduliuotę, tačiau jos greitis ir energija yra daug didesni, tačiau sklinda šviesos greičiu. Ant spektro elektromagnetines bangasšie spinduliai užima beveik padėtį dešinėje. Po jų seka tik kosminiai spinduliai. Gama spindulių energija vidutiniškai yra apie 1,3 MeV (megaelektronvoltai). Tai labai didelė energija. Gama spindulių bangų virpesių dažnis yra 10 20 kartų/sek, tai yra, gama spinduliai yra labai kieti spinduliai, o jų skverbimosi galia yra didelė. Jie netrukdomi praeina per žmogaus kūną.
Kai kuriems branduolinės reakcijos Atsiranda stipriai prasiskverbianti spinduliuotė, kuri nėra nukreipta elektrinių ir magnetinių laukų. Šie spinduliai prasiskverbia į kelių metrų storio švino sluoksnį. Ši spinduliuotė yra neutraliai įkrautų dalelių srautas. Šios dalelės vadinamos neutronais.
Neutrono masė lygi protono masei. Neutronai turi skirtingu greičiu, vidutiniškai mažesnis už šviesos greitį. Greitieji neutronai sukuria 0,5 MeV ir didesnę energiją, lėtas - nuo frakcijų iki kelių tūkstančių elektronų voltų. Neutronai, būdami elektriškai neutralios dalelės, turi didelę skverbimosi galią, kaip ir gama spinduliai. Neutronų srautas susilpnėja daugiausia dėl susidūrimų su kitų atomų branduoliais ir dėl neutronų gaudymo atomų branduoliais. Taigi, susidūrę su lengvaisiais branduoliais, neutronai labiau praranda savo energiją, tačiau lengvosios vandenilio turinčios medžiagos, tokios kaip vanduo, parafinas, žmogaus kūno audiniai, šlapias betonas, dirvožemis, yra geriausi neutronų stabdikliai ir absorberiai.
Gamtoje daugelis cheminių elementų skleidžia spinduliuotę. Šie elementai vadinami radioaktyviais elementais, o pats procesas vadinamas natūraliu radioaktyvumu. Nei didžiulis slėgis ir temperatūra, nei magnetiniai ir elektriniai laukai neturi jokios įtakos radioaktyviosios spinduliuotės procesams. Radioaktyvioji spinduliuotė yra susijusi su elemento branduolių transformacija. Yra du natūralaus radioaktyvaus skilimo tipai.
Alfa skilimas, kurio metu branduolys išskiria alfa dalelę. Šio tipo skilimo metu vienas branduolys visada gamina kito elemento branduolį, kurio krūvis yra dviem vienetais mažesnis ir masė keturiais vienetais mažesnė. Taigi, pavyzdžiui, radis skyla, virsdamas radonu:
Ra 88 226 > He 2 4 + Rn 86 222
Beta skilimas, kurio metu iš branduolio išsiskiria beta dalelė. Kadangi beta dalelė gali būti skirtingai įkrauta, beta skilimas gali būti arba elektronas, arba pozitronas.
Elektroninis skilimas sukuria tos pačios masės elementą, kurio krūvis didesnis nei vienas. Štai kaip toris virsta protaktinumu:
Th 90 233 >Pa 91 233 + e -1 + g - kvantinis.
Pozitronų skilimo metu radioaktyvus elementas netenka teigiamos dalelės ir virsta elementu, kurio masė tokia pati, bet kurio krūvis yra vienu mažesnis. Taigi magnio izotopas virsta natriu:
Mg 12 23 > Na 11 23 + e +1 + g- kvantinis.
Nukreipę alfa dalelių spindulį į aliuminio plokštę, jie pirmą kartą gavo dirbtinį radioaktyvų fosforo izotopą P 15 30:
Al 13 27 + He 2 4 > P 15 30 + n 0 1
Tokiu būdu gauti izotopai buvo vadinami dirbtinai radioaktyviais, o jų gebėjimas irti – dirbtiniu radioaktyvumu. Šiuo metu yra gauta per 900 dirbtinių radioaktyviųjų izotopų.
Jie plačiai naudojami medicinoje ir biologijoje studijoms cheminiai virsmai organizme. Šis metodas vadinamas žymėto atomo metodu.
yan masės išsaugojimo dėsnis – į cheminę reakciją patenkančių medžiagų masė yra lygi medžiagų, susidariusių vykstant reakcijai, masei.
Atominę-molekulinę teoriją sukūrė M.V. Lomonosovas 1741 m. Pagrindinės įstatymo nuostatos:
1) visos medžiagos susideda iš „kūnelių“ (molekulių);
2) molekulės susideda iš „elementų“ (atomų);
3) dalelės – molekulės ir atomai – nuolat juda. Kūnų šiluminė būsena yra jų dalelių judėjimo rezultatas;
4) paprastų medžiagų molekulės susideda iš identiškų atomų ir molekulių sudėtingos medžiagos– iš skirtingų atomų. Atominė-molekulinė teorija galiausiai buvo nustatyta 1860 m.
Paugimo medžiagos- medžiagos, sudarytos tik iš vieno cheminio elemento atomų, o ne sudėtingos medžiagos. Atsižvelgiant į cheminio ryšio tarp atomų tipą, gali būti paprastos medžiagos metalai (Na, Mg, Al, Bi ir kt.) ir nemetalai
(H 2, N 2, Br 2, Si ir kt.) Cheminis elementas
- atomų rinkinys, turintis tą patį branduolio krūvį ir protonų skaičių, sutampantį su serijos (atominiu) numeriu periodinėje lentelėje.
Kiekvienas cheminis elementas turi savo pavadinimą ir simbolį, kurie pateikti Mendelejevo periodinėje elementų lentelėje.
Sudėties pastovumo dėsnis – bet koks konkretus chemiškai grynas junginys, nepriklausomai nuo jo paruošimo būdo, susideda iš tų pačių cheminių elementų
Daugialypių santykių dėsnis yra vienas iš stechiometrinių chemijos dėsnių: jei du elementai sudaro daugiau nei vieną junginį vienas su kitu, tada vieno elemento masės tenka tai pačiai kito elemento masei.
yra traktuojami kaip sveikieji skaičiai, dažniausiai maži. Tūrinių santykių dėsnis: reaguojančių dujų tūriai tomis pačiomis sąlygomis (temperatūra ir slėgis) yra susiję vienas su kitu kaip sveikieji skaičiai.
Elemento atominė masė- yra jo atomo masės ir 1/12 12C atomo masės santykis Atomai molekulėse yra sujungtos viena su kita tam tikra seka pagal savo valentiškumą. Tarpatominių ryšių seka molekulėje vadinama jos cheminė struktūra ir atsispindi viena struktūrine formule (struktūros formule).
Molekulinė masė
molekulės masė, išreikšta atominės masės vienetais. Skaičiai lygus molinei masei. Molis yra medžiagos kiekio vienetas. Tai yra medžiagos (ar jos dalies), kurioje yra 6,02 1023 dalelių (molekulių, atomų ar kitų dalelių), kiekis. Avagadro dėsnis
Molis yra medžiagos kiekio vienetas. Tai yra medžiagos (ar jos dalies), kurioje yra 6,02 1023 dalelių (molekulių, atomų ar kitų dalelių), kiekis.
lygiavertis - yra tikroji arba fiktyvi dalelė, kuri gali prisijungti, išleisti arba kitaip būti lygiavertė vandenilio katijonui jonų mainų reakcijose arba elektronui redokso reakcijose
ekvivalentų dėsnis: visos medžiagos reaguoja lygiaverčiais santykiais. Valencija yra atomų savybė šio elemento pridėti arba pakeisti tam tikrą skaičių kito elemento atomų junginyje
Avogadro dėsnis leidžia mums nustatyti atomų, sudarančių paprastų dujų molekules, skaičių. Ištyrus tūrio santykius reakcijose, kuriose dalyvauja vandenilis, deguonis, azotas ir chloras, buvo nustatyta, kad šių dujų molekulės yra dviatomės. Todėl, nustačius bet kurios iš šių dujų santykinę molekulinę masę ir padalijus ją per pusę, būtų galima iš karto rasti atitinkamo elemento santykinę atominę masę. Pavyzdžiui, buvo nustatyta, kad molekulinė masė chloras yra 70,90; taigi chloro atominė masė yra lygi arba 35,45.
Valencija cheminių elementų atomų gebėjimas formuotis tam tikras skaičius cheminiai ryšiai su kitų elementų atomais.
Vidinė e yra molekulinės sąveikos ir šiluminių molekulės judesių energijų suma. Vidinė energija yra unikali sistemos būklės funkcija
Kovalentinį ryšį sudaro du elektronai su priešingais sukiniais, ir tai elektronų pora priklauso dviem atomams.
elektronų energetinė būsena atome.
Pagrindiniskvantinis skaičius - sveikasis skaičius, nurodantis energijos lygio skaičių. Pasižymi elektronų energija
užimantys tam tikrą energijos lygį. Yra pirmasis iš kvantinių skaičių serijos, kuri apima pagrindinius, orbitinius ir magnetinius kvantinius skaičius, taip pat sukimąsi Orbitinis kvantinis skaičius - kvantinėje fizikoje kvantinis skaičius ℓ, kuris lemia elektronų bangos funkcijos amplitudės pasiskirstymo atome formą, tai yra elektronų debesies formą. Apibrėžia pagrindinio (radialinio) nurodyto energijos lygio polygį
kvantinis skaičius n ir gali imti vertybes Ar operatoriaus savoji reikšmė orbitos momentas elektronas, skiriasi nuo elektrono kampinio impulso:
j- reiškia mažiausią energiją, reikalingą elektronui pašalinti iš laisvo atomo.
Didžiausią įtaką atomo jonizacijos energijai turi šie veiksniai:
efektyvusis branduolio krūvis, kuris priklauso nuo elektronų skaičiaus atome, kuris apsaugo branduolį ir yra gilesnėse vidinėse orbitose;
radialinis atstumas nuo branduolio iki didžiausio išorinio elektrono krūvio tankio, silpniausiai surišto su atomu ir paliekančio jį jonizacijos metu;
to elektrono prasiskverbimo galios matas;
tarpelektroninis atstūmimas tarp išorinių (valentinių) elektronų. Elektronų giminingumas – energijos kiekis, išsiskiriantis elektronui prisijungus prie atomo, molekulės ar radikalo. Elektronų giminingumas paprastai išreiškiamas elektronų voltais. Elektronų afiniteto vertė yra svarbi norint suprasti cheminių ryšių prigimtį ir susidarymo procesus neigiamų jonų . Kuo didesnis elektronų afinitetas, tuo lengviau atomas prijungia elektroną. Metalo atomų afinitetas yra lygus nuliui nemetalų atomams, elektronų giminingumas yra didesnis, kuo elementas (ne metalas) yra arčiau; inertinės dujos periodinėje D.I. Mendelejevo sistemoje. Todėl per laikotarpį jie sustiprėja nemetalinės savybės
artėjant laikotarpio pabaigai. Atomas susideda iš branduolio ir jį supančio elektronų „debesio“. Įsikūręs elektroniniame debesyje elektronų nešti neigiamas elektros krūvis. Protonai , įtraukta į šerdį, nešioja teigiamas krūvis Bet kuriame atome protonų skaičius yra tiksliai lygus elektronų skaičiui elektronų debesyje, todėl atomas kaip visuma yra neutrali dalelė, kuri neturi krūvio elektronų arba, atvirkščiai, sugauti kažkieno elektronus. Šiuo atveju atomas tampa teigiamas arba neigiamas krūvis ir yra vadinamas.
jonų Izotopai (iš senovės graikų ισος -, "lygus""tas pats" , ir τόπος -"vieta" ) - cheminio elemento atomų (ir branduolių) atmainos, turinčios tą patį atominis skaičius
, bet kartu ir skirtingi masės skaičiai.
Pavadinimas atsirado dėl to, kad visi vieno atomo izotopai yra išdėstyti toje pačioje periodinės lentelės vietoje (vienoje ląstelėje): 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O – trys stabilūs deguonies izotopai.- spontaniškas nestabilių atomų branduolių sudėties pokytis dėl elementariųjų dalelių ar branduolinių fragmentų išmetimo. Yra alfa, beta ir gama skilimas. Atitinkamai jie išskiria alfa, beta ir gama daleles. Skilimas, turintis stipriausią prasiskverbimo gebą, yra gama skilimas (jo neatmeta magnetinis laukas). Alfa yra teigiamai įkrautos dalelės. Beta yra neigiamo krūvio dalelės.
Radioaktyviųjų elementų arba izotopų branduoliai gali irti trimis pagrindiniais būdais, o atitinkamos branduolinio skilimo reakcijos įvardijamos pirmosiomis trimis graikų abėcėlės raidėmis. At alfa skilimas Išsiskiria helio atomas, susidedantis iš dviejų protonų ir dviejų neutronų – paprastai jis vadinamas alfa dalele. Kadangi alfa skilimas reiškia, kad teigiamai įkrautų protonų skaičius atome sumažėja dviem, branduolys, išmetęs alfa dalelę, periodinėje lentelėje virsta elemento branduoliu, dviem pozicijomis žemiau nuo jo. At beta skilimas branduolys skleidžia elektroną, o elementas pasislenka viena padėtimi pirmyn pagal periodinę lentelę (šiuo atveju iš esmės neutronas virsta protonu, spinduliuojant būtent šiam elektronui). Galiausiai, gama skilimas - Tai branduolių skilimas, išspinduliuojant didelės energijos fotonus, kurie paprastai vadinami gama spinduliais. Šiuo atveju branduolys netenka energijos, bet cheminis elementas nesikeičia. Radioaktyvus elementas– cheminis elementas, kurio visi izotopai yra radioaktyvūs.
Dirbtinis radioaktyvumas- spontaniškas gautų elementų branduolių skilimas dirbtinai per atitinkamas branduolines reakcijas. Visas tris spinduliuotės rūšis – a, b ir g, būdingas natūraliam radioaktyvumui – skleidžia ir dirbtinai radioaktyvios medžiagos. Tačiau tarp dirbtinai radioaktyvių medžiagų dažnai pasitaiko ir kitokio skilimo, kuris nebūdingas natūraliai radioaktyviems elementams. Tai yra skilimas, kai išsiskiria pozitronai – dalelės, turinčios elektrono masę, bet turinčios teigiamą krūvį. Autorius absoliuti vertė Pozitrono ir elektrono krūviai yra lygūs. Dirbtinai radioaktyviosios medžiagos gali būti gaminamos įvairių branduolinių reakcijų metu. Pavyzdys yra neutronų gaudymo reakcija su sidabru. Norint atlikti tokią reakciją, pakanka pastatyti sidabrinę plokštelę šalia neutronų šaltinio, apsupto parafino.
38. Branduolinės reakcijos.
Branduolinė reakcija- naujų branduolių ar dalelių susidarymo procesas jų susidūrimo metu. Branduolinę reakciją pirmą kartą pastebėjo Rutherfordas 1919 m., bombarduodamas azoto atomų branduolius α dalelėmis. . Vėliau šio proceso nuotraukos buvo gautos naudojant debesų kamerą.
39. Cheminės struktūros teorija.
Ši teorija turi keturias nuostatas: 1) Molekulėje esantys atomai yra sujungti tam tikra seka pagal jų valentiškumą. Ši seka vadinama Atomai. 2) Medžiagos savybės priklauso ne tik nuo kokybinės ir kiekybinės molekulės sudėties, bet ir nuo jos cheminės struktūros. Vadinamos tos pačios sudėties, bet skirtingos struktūros medžiagos izomerai, ir pats jų egzistavimas izomerija. 3) Atomai ir atomų grupės molekulėje veikia vienas kitą tiesiogiai arba per kitus atomus. 4) Medžiagos sandara yra žinoma. Butlerovas.1861 m
40. Kovalentinis ryšys.
Kovalentinis ryšys- cheminė jungtis, susidaranti persidengus valentinių elektronų debesų porai. Elektroniniai debesys, kurie užtikrina ryšį, vadinami bendra elektronų pora. Jis gali būti polinis arba nepolinis. Svarbi kovalentinio ryšio savybė yra jo poliškumas. Jei molekulė susideda iš 2 atomų, kurie yra sujungti poliniu ryšiu, tai tokia molekulė yra polinė molekulė. Tai yra dipolis. Dipolis yra elektriškai neutrali sistema, kurioje teigiamo ir neigiamo krūvio centrai yra tam tikru atstumu vienas nuo kito. Molekulės poliškumas yra kiekybiškai įvertintas dipolio momentas, kuri yra lygi dipolio ilgio ir efektyviojo krūvio vertės sandaugai. Efektyvus įkrovimas = 1,6 * 10 -19 C. Molekulių ir atskirų ryšių gebėjimas polirizuotis veikiant išoriniams veiksniams elektrinis laukas vadinamas polirizuotumu. Atomo gebėjimas dalyvauti formuojant ribotą skaičių kovalentinių ryšių vadinamas kovalentinio ryšio prisotinimu. Kovalentinio ryšio kryptis lemia erdvinę molekulių struktūrą, t.y. elektronų debesų sutapimas. Atsiranda tik esant tam tikrai abipusei orbitų orientacijai, kuri užtikrina didžiausią elektronų tankį persidengimo srityje.
Radioaktyvumo reiškinys susideda iš spontaniško branduolių skilimo, kai išsiskiria viena ar daugiau dalelių. Branduoliai, kuriuose vyksta toks skilimas, vadinami radioaktyviais. Akivaizdu, kad būtina, bet ne visada pakankama radioaktyvaus skilimo sąlyga yra jos energetinis pranašumas – radioaktyviojo branduolio masė turi viršyti skilimo metu išskiriamų dalelių ir fragmentinio branduolio masių sumą (visiškai akivaizdu, kad panašus nelygybė turi būti patenkinta, jei ji
branduolių mases pakeiskite atitinkamų atomų masėmis, būtent šios nelygybės dažniausiai naudojamos vertinant radioaktyvųjį skilimą).
egzistuoja gamtoje didelis skaičius natūraliai radioaktyvūs branduoliai, t.y. branduoliai, kurie nespėjo suirti nuo susidarymo momento iki dabarties arba nuolat susidaro veikiami kosminių spindulių. Tuo pačiu metu radioaktyvius branduolius galima gauti dirbtinai – bombarduojant stabilius branduolius dalelėmis. Nėra fizinės ribos tarp natūralaus ir dirbtinio radioaktyvumo.
Radioaktyvumą pirmą kartą atrado A. Becquerel 1896 m. Netrukus prieš tai, rentgeno spinduliai, o Becquerel tyrė ryšį tarp fluorescencijos ir rentgeno spindulių. Fluorescuoti galinčios urano druskos buvo dedamos ant fotografinės plokštelės, suvyniotos į juodą popierių ir saulės šviesa. Buvo manoma, kad esant įtakai saulės spinduliai uranas fluorescuoja, o jei fluorescencijos spektras apima rentgeno spindulius, tada, praeinant per juodą popierių, plokštelė pajuoduos. Kelias dienas nebuvo saulės ir pasiruošė
urano plokštės gulėjo juodoje dėžėje. Tačiau po plėtros buvo aptiktas stiprus plokštelių pajuodavimas. Taigi paaiškėjo, kad pačios urano druskos skleidžia kažkokius spindulius.
Labai greitai kiti mokslininkai prisijungė prie šio reiškinio tyrimo. 1898 P. Curie kartu su M. Sklodowska-Curie atrado naujus radioaktyvius elementus – polonį ir radį. Naudodami jų sukurtą sodrinimo metodą, 1902 m., kruopščiai apdirbdami didelius urano dervos kiekius, jie sugebėjo gauti kelis decigramus grynos radžio druskos. Už radioaktyvumo fenomeno tyrimus 1903 m
Curie kartu su A. Becquerel buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija. Pats terminas „radioaktyvumas“ buvo įvestas į mokslą. Sklodowska-Curie.
Radioaktyvaus skilimo dėsniai. Radioaktyvusis skilimas apibūdinamas pagal laiką, per kurį jis įvyksta, išskiriamų dalelių rūšį, jų energiją, o kai išsiskiria kelios dalelės – kampine koreliacija, t.y. santykiniu kampu tarp jų emisijos krypčių. Pradinis radioaktyvus branduolys vadinamas motininiu branduoliu, o jo skilimo produktas – dukteriniu branduoliu.
Kadangi skilimo procesas vyksta spontaniškai (spontaniškai), branduolių N skaičiaus pokytis dN dėl skilimo per savavališką laikotarpį dt nustatomas tik pagal radioaktyvių branduolių skaičių momentu t ir yra proporcingas laiko intervalui dt. :
DN = λNdt, (10,34)
kur λ yra skilimo greitį apibūdinanti konstanta. Integravimas (10.34)
ir darant prielaidą, kad esant t = 0 branduolių skaičius lygus pradiniam N = N 0, gauname
N = N 0 e - λt (10,35)
y., branduolių skaičius mažėja eksponentiškai.
Dydis A, nustatantis (10.35) radioaktyviųjų branduolių skaičiaus mažėjimo greitį, vadinamas skilimo konstanta. Jis turi matmenį [s -1 ] ir, kaip bus parodyta šiek tiek toliau, apibūdina vieno atomo skilimo tikimybę per vieną sekundę. Radioaktyviesiems elementams apibūdinti taip pat įvedama pusėjimo trukmės T 1/2 sąvoka. Tai reiškia laiką, per kurį suyra pusė turimo atomų skaičiaus.
Radioaktyvaus skilimo dėsnį (10.35) pirmą kartą 1903 metais nustatė P. Curie. Jis taip pat pristatė pusinės eliminacijos laiko sąvoką ir parodė jos nepriklausomybę nuo išorinės sąlygos. Remdamasis tuo, P. Curie pasiūlė naudoti pusėjimo trukmę kaip laiko standartą nustatant absoliutus amžius sausumos uolienos.
Dabar apskaičiuokime vidutinę radioaktyvaus branduolio gyvavimo trukmę. Pakeitimas
sąlyga N(T 1/2) = N 0 /2 į (10.35) lygtį, gauname
N 0 /2 = N 0 e – λTl/2, (10.36)
iš kur, paėmę logaritmus, tą randame
λT 1/2 = 1n2 = 0,693,
ir pusinės eliminacijos laikas
T 1/2 = 0,693/λ. (10.37)
At eksponentinė teisė radioaktyvaus skilimo bet kuriuo metu t yra ne nulinė tikimybė rasti nesuirusių branduolių. Tokių branduolių gyvavimo laikas viršija t. Tuo pačiu metu gyveno kiti branduoliai, kurie iki to laiko buvo suirę skirtingi laikai, mažiau nei t. Tam tikro radioaktyvaus izotopo vidutinė tarnavimo trukmė paprastai nustatoma taip:
Vadinasi, vidutinė radioaktyvaus branduolio gyvavimo trukmė g yra lygi abipusis nuo skilimo konstantos A. Per laiką t pradinis branduolių skaičius sumažėja e kartų.
Didumas
A = - dN/dt = λN
vadinamas tam tikro vaisto aktyvumu,
jis nustato skilimų skaičių per sekundę. Aktyvumas būdingas tam tikram pūvančių medžiagų kiekiui, o ne atskiram branduoliui. Aktyvumo vienetas yra bekerelis: 1 bekerelis (Bq) yra lygus 1 skilimui per sekundę. Dažnai praktikoje naudojamas nesisteminis, anksčiau naudotas, aktyvumo vienetas - kiuris: 1 kiuris (Ci) yra lygus branduolių, esančių 1 g radžio, skilimo skaičiui per 1 s 3,7 10 10 skilimų per sekundę. ).
Radioaktyvaus skilimo rūšys.Į numerį radioaktyvūs procesai apima α ir β skilimus (įskaitant elektronų gaudymą iš atominis apvalkalas), γ spinduliuotė, branduolio dalijimasis, taip pat uždelsto neutronų ir protonų emisija. Du naujausias procesas priklauso kaskadiniam dviejų pakopų tipui, nes uždelstų neutronų (protonų) emisija įvyksta po to, kai branduolys išleidžia preliminarų elektroną (pozitroną). Todėl emisija vėluojama laiku, apibūdinančiu ankstesnį β skilimą. Panagrinėkime mūsų išvardytus procesus.
Alfa skilimas. Tik sunkieji branduoliai, kurių Z > 83, ir nedidelė retųjų žemių branduolių grupė regione A = 140–160 yra paveikiami savaiminio α skilimo. α skilimo metu pradinis motininis branduolys išskiria helio branduolį (α-dalelę) ir virsta dukteriniu branduoliu, kuriame protonų ir neutronų skaičius sumažėja po du vienetus. α-aktyvių branduolių pusinės eliminacijos laikas kinta itin plačiose ribose. Taigi, pavyzdžiui, polonio izotopui 214 84 Po jis yra lygus 3 10 ~ 7 s, o švino izotopui 204 82 Pb - 1,4 * 10 17 metų. Išskiriamų α dalelių energijos kitimo diapazonas yra daug mažesnis – nuo 4 iki 9 MeV, o kuo mažesnė jų energija, tuo ilgesnis pusinės eliminacijos laikas. Funkcinis ryšys tarp alfa dalelės E energijos ir radioaktyvaus branduolio pusėjimo trukmės T 1/2 yra geras
aprašyta formule
logT 1/2 = a/√Ё + b, (10,39)
gautas remiantis G. Geigerio ir J. Nattall eksperimentiniais duomenimis 1911 m. Teorinis pagrindas Geigerio-Nattall dėsnis buvo gautas tik 1928 metais sukūrus kvantinę mechaniką G. Gamow ir nepriklausomai R. Gurney ir E. Condon darbuose, kurie parodė, kad alfa dalelės pasitraukimo iš branduolio tikimybę lemia jo prasiskverbimo pro Kulono barjerą tikimybė. Eksponentinis šio proceso pobūdis atsiranda dėl bangos funkcijos eksponentinio nykimo regione
barjeras, kuriame potencinė energija yra didesnė už dalelės energiją.
Keturi elementariosios dalelės, iš kurių susideda α dalelė (du protonai ir du neutronai), dalyvauja sudėtingas judėjimas nukleonų branduolyje, ir nėra galimybės jų atskirti nuo kitų tame branduolyje esančių dalelių. Tuo pačiu metu yra pastebima (~ 10 ~ 6) tikimybė, kad dėl atsitiktinio keturių nukleonų artėjimo trumpam branduolyje susidarys alfa dalelė. Tačiau tik tada, kai a-dalelė palieka branduolį ir yra pakankamai toli nuo jo, ji ir branduolys gali būti laikomi dviem atskiromis dalelėmis.
Energetiniu požiūriu α-skilimas galimas, jei pradinio motininio branduolio E A, z jungimosi energija yra mažesnė už dukterinio branduolio E A-4, z-2 ir α dalelės E α jungimosi energijų sumą, t.y. turi būti patenkintas
ΔE = E A-4, z-2 + E α - E A, z > 0. (10.40)
α dalelės surišimo energija yra 28 MeV, tai yra 7 MeV/nukleonas.
Todėl α-skilimas vidutinio dydžio branduolių, kurių surišimo energija yra
nukleonas ~ 8 MeV.
Apsvarstykite vaizdą potenciali energija a-dalelės branduolyje ir jo aplinkoje (10.9 pav.). Už branduolio ribų trumpojo nuotolio branduolinės jėgos greitai išnyksta, o a dalelę veikia tik elektrostatinė Kulono atstūmimo jėga, kurios potencialas U coul yra lygus
U cool = 2(Z-2)e 2 /r (10,41)
Prie branduolio ribos atsiranda stiprus potraukis dėl branduolines pajėgas, o potencialo kreivė smarkiai sumažėja. Branduolio viduje potencialas gali būti laikomas maždaug pastoviu.
Net jei bendra alfa dalelės energija branduolyje yra didesnė už nulį, kaip parodyta Fig. 10.9, taigi energetiškai leidžiamas a-skilimas pagal klasikinės fizikos sąvokas, šis procesas negali vykti neperduodant jam papildomos energijos, nes dalelė yra potencialo šulinyje. Tačiau kvantinė mechanika leidžia dalelei praeiti arba, tiksliau, nutekėti per potencialų barjerą. Teigiama, kad per barjerą gali įvykti alfa dalelių tunelis. Esmė ta
kvantinės dalelės savybės aprašomos naudojant banginę funkciją ψ, kurios modulio kvadratas |ψ(r)| 2 yra proporcingas dalelės aptikimo taške r tikimybei. IN
esant baigtiniam potencialui (potencialui su baigtinio aukščio sienomis) funkcija ψ
visur skiriasi nuo nulio. Todėl yra, nors ir maža, tikimybė aptikti dalelę už branduolio, o tai reiškia α skilimo galimybę.
Kokybiškai parodykime, kur seka aukščiau minėti α-skilimo dėsniai. α-dalelės, kurios energija E, barjero pralaidumas D nustatomas pagal šią išraišką:
(10.42)
kur integracija vykdoma diapazone nuo branduolio spindulio R i iki posūkio taško R n, nustatyto pagal sąlygą
2(Z–2)e 2 /R n = E
(atsižvelgėme į tai, kad α-dalelė už branduolio yra paveikta liekamojo branduolio Kulono potencialo su krūviu Z-2). Laikysime, kad tuneliavimas vyksta giliai po užtvara, t.y.
Dėl Plancko konstantos mažumo barjero pralaidumo išraiškoje eksponente, iš tikrųjų regiono, kuriame U ~ E yra mažas, indėlis, o mūsų nustatyta sąlyga yra fiziškai pagrįsta. Pagal šias prielaidas formulė (10.42) įgauna formą
kur A, B, C yra konstantos. Kadangi pusinės eliminacijos laikas T 1/2 yra atvirkščiai proporcingas barjero pralaidumui, eksperimentiškai pastebėtas Geigerio-Nattall dėsnis išplaukia iš išraiškos (10.43).
logT 1/2 = a/√E + b , (10.44)
susiejant pusėjimo trukmę su skleidžiamos α-dalelės energija. Iš tikrųjų koeficientai a ir b nėra konstantos, bet labai silpnai priklauso nuo pirminio branduolio Z atominio skaičiaus:
a ~ 1,6 Z; b ~ -1,6 Z 2/3 - 21,4 (10,45)
(jei T 1/2 išreiškiamas sekundėmis, E yra megaelektronvoltais, o Z yra dukterinio branduolio krūvis). Kaip matyti, T 1/2 nepriklauso nuo atominės masės A, silpnai priklauso nuo Z ir stiprus laipsnis- apie skleidžiamų α-dalelių energiją.
Kol kas kalbėjome tik apie potencialaus barjero pralaidumą.
Norint rasti skilimo konstantą λ, reikia padauginti barjero pralaidumą iš α-dalelės bandymų ν per laiko vienetą įveikti šį barjerą, t.y.
λ = 0,693/T 1/2 = νD. (10.46)
Apytikslis (10.46) priešeksponentinis koeficientas gali būti įvertintas, jei v reiškia alfa dalelės smūgių į branduolio paviršių dažnį, nustatytą pagal formulę.
ν = v/(2R n), (10,47)
čia v – a-dalelės greitis branduolio viduje. Žinoma, ikieksponentinis koeficientas taip pat priklauso nuo energijos (pagal mūsų apytikrį įvertinimą jis yra proporcingas √E), tačiau, palyginti su eksponentine priklausomybe, tai yra lėtai kintanti energijos funkcija, taigi tai yra barjero pralaidumas. tai lemia
visi pagrindiniai α skilimo dėsniai.
Daugelio alfa aktyvių branduolių alfa dalelių energijos spektras susideda iš kelių linijų, iš kurių viena vyrauja. Kaip pavyzdys pav. 10.10 paveiksle parodytas ThC(212 83 Bi) α spektras.
Ryžiai. 10,10 α ThC(212 83 Bi) spektras.
Linijų diskretiškumas ir jų santykinis intensyvumas yra lengvai paaiškinami. Faktas yra tas, kad α daleles gali išspinduliuoti sužadintos būsenos branduolys (vadinamosios ilgo nuotolio α dalelės), arba α skilimas gali įvykti iš pagrindinės motininio branduolio būsenos į sužadintos būsenos. dukterinis branduolys (trumpojo nuotolio α dalelės). Fig. 10.11 rodomi du tokių perėjimų pavyzdžiai – 238 Pu ir 212 Po skilimas.
Pirmuoju atveju (238 Pu) didžiausios energijos α-dalelės atitinka perėjimus iš pagrindinės būsenos į pagrindinę būseną. Be to, α skilimas gali įvykti dukterinio branduolio 234 U sužadintose būsenose su vėlesniais γ perėjimais į pagrindinę būseną. 212 Po skilimas yra α dalelių išskyrimo iš sužadintos būsenos pavyzdys. Ši situacija atsiranda dėl to, kad 212 Po susidaro dėl 212 Bi β skilimo. Būdamas sužadintos būsenos, 212 Po branduolys gali arba išspinduliuoti α dalelę, arba pereiti į pagrindinę būseną γ spinduliuote.
Beta skilimas. Beta skilimas – nestabilaus branduolio spontaniško virsmo izobariniu branduoliu (branduoliu, kurio atominis skaičius yra toks pat), kurio krūvis skiriasi nuo pradinio ΔZ = ±1, dėl elektrono (pozitrono) arba elektrono gaudymas iš atomo apvalkalo. Pagrindinė savybėβ skilimas yra tai, kad jį sukelia ne branduolinės ar elektromagnetinės jėgos, o silpna sąveika (žr. 12 skyrių), tikimybė
kuri yra maždaug 10 14 kartų mažesnė nei branduolinė. Todėl pusinės eliminacijos laikas
β-aktyvūs branduoliai yra vidutiniškai gana dideli - maždaug kelias minutes ir net valandas. IN bendras atvejis išskyrus tai vienodos sąlygosβ skilimo metu stebima ta pati tendencija kaip ir α skilimo metu: kuo didesnė skilimo metu išsiskirianti energija Q, tuo trumpesnis laikotarpis pusinės eliminacijos laikas
Pusinės eliminacijos laikas, trumpesnis nei 10 ~ 2 s, nebūna, nes su jomis Q reikšmės būtų didesnės nei 10 MeV, t.y. didesnės už vidutinę nukleonų jungimosi energiją branduolyje; esant tokiam energijos pertekliui, branduolys pasirodo nestabilus nukleono emisijos atžvilgiu, ir šis procesas (kai tai įmanoma) vyksta daug greičiau nei beta skilimas, maždaug per 10–20 s. . β skilimo procesai visada vyksta tada, kai jie energetiškai įmanomi. Kulono barjeras β-skilimui yra nereikšmingas, nes labai maža masė elektronas.
Būdingas bruožasβ-skilimas – tai išbėgančių dalelių energijos spektras (10.12 pav.). Skirtingai nuo alfa dalelių, šiuo atveju turime nenutrūkstamą β skilimo elektronų energijos spektrą. Stebėtas tęstinumas yra kitos dalelės - neutrino, kurios ramybės energija yra nulinė (pagal naujausius duomenis) - skilimo procese pasekmė. viršutinė riba neutrinų ramybės energija yra 3 eV). Todėl vieno skilimo įvykio metu elektrono ir neutrino energijos santykis gali būti bet koks, t.y., elektrono energija gali įgauti bet kokią reikšmę nuo nulio iki didžiausios galimos energijos (bendros išsiskiriančios energijos).
Išsamiau pakalbėkime apie energijos procesus β skilimo metu.
Apsvarstykite atomą su krūviu Z+1 ir pilna energija E z+1 . Leisk jam nulinės energijos atitinka sistemą „pavieniui jonizuotas atomas ir laisvasis elektronas ramybės būsenoje“. Pastarasis reiškia, kad neutralaus atomo, kurio krūvis Z + 1, energija yra šiek tiek neigiama ir turi energijos eilę
atomo jonizacijos potencialas (10.13 pav.). Galimi šie atvejai.
A. Atomo, kurio krūvis Z, energija Ez yra didesnė už Ez+1. Energetiškai galimas β skilimas, t.y. skilimas su elektrono emisija, o Z atomas virsta jonizuotu Z + 1 atomu Procesas E z+1 -> E z yra draudžiamas.
B. Perėjimas E z+1 -> E z galimas tik tuo atveju, jei Z + 1 branduolys sugeria elektroną iš atominių K-, L-, M-apvalkalų. Paprastai K-elektroną užfiksuoja branduolys, todėl šis procesas dažnai vadinamas K-fiksavimu. Sužadintoje būsenoje B* susidaro atitinkamai naujas Z atomas su laisva vieta (skyle) K arba L apvalkale. Tada įvyksta perėjimas į pagrindinę būseną, kartu su emisija būdinga spinduliuotė:
B* -> B + hv. (10.48)
C. Atomo Z energija yra tokia, kad 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.
Jei m yra elektrono (pozitrono) masė, M z yra galutinio branduolio masė ir
M z+1 yra pradinio branduolio masė, tada turi būti tenkinama nelygybė
M z+1 c 2 >= M z c 2 + mс 2 . (10.49)
Bet atomų masės (A M Z ir A M z+1) Z ir Z+1, atsižvelgiant į elektronų masę, yra lygios
A M Z =M Z + Zm, A M Z +1 = M z +1 + (Z + l)m. (10.50)
Pakeitę šiuos ryšius į sąlygą A0.49), gauname
A M Z +1 >= A M z +2 m (10,51)
E z +1 >= E z +2mc 2 . (10.52)
Svarbu pabrėžti, kad β skilimas yra ne intranuklearinis, o intranukleoninis procesas. Branduolyje suyra vienas nukleonas – neutronas arba protonas.
Elektronų skilimas yra susijęs su neutronų skilimu
n° -> p + + e - + ν > . (10.53)
Pozitronų skilimo metu vienas protonas skyla branduolyje
р + -> n° + e + + ν. (10.54)
Formulėje (10.53) virš neutrino esantis „tildės“ ženklas reiškia, kad neutronui suskaidžius susidaro antineutrinas. Kodėl taip atsitinka, bus išsamiai aptarta skyriuje. 12. Atkreipkite dėmesį, kad laisvoje būsenoje neutronas yra nestabilus, jo pusinės eliminacijos laikas yra 10,5 minutės. Laisvasis protonas nesuyra, nes jo masė yra mažesnė už neutrono masę, tačiau branduolyje surištam protonui tokia transformacija yra įmanoma papildyti branduoliu.
Vienas iš nuostabių XX amžiaus atradimų yra susijęs su β skilimu. - pariteto neišsaugojimo atradimas. Atrodo visiškai akivaizdu, kad koordinačių sistemos, kurioje rašoma matematiškai, pasirinkimas fizikines lygtis ir atitinkamai įvyksta sistemos raida laike, kuri yra visiškai savavališka. Vadinasi, negali būti skirtumo tarp to paties proceso aprašymų kairėje ir teisingos sistemos koordinates Matematiškai tai reiškia, kad visos lygtys turi būti simetriškos erdvinės inversijos operacijos atžvilgiu, tai yra, r pakeičiant -r. Keisti
bet kurio taško koordinačių ženklai atitinka taško padėtį, gautą dėl jo veidrodinis atspindys per tris koordinačių plokštumos, todėl toks koordinačių sistemos pasikeitimas gali būti interpretuojamas kaip perėjimas prie įvykių, kurie yra, aibės veidrodinis vaizdas pateiktą įvykių rinkinį. Konversija
erdvinė inversija turi fizinę prasmę dėl to, kad, kaip rodo patirtis, natūralūs procesai iš esmės yra simetriški
tokia transformacija. Tai reiškia, kad bet kokiam procesui gamtoje atliekamas „veidrodinis simetriškas“ procesas ir vyksta tokia pat tikimybe.
Simetrija, susijusi su erdvinės inversijos transformacija, kvantiniame mechaniniame aprašyme lemia tam tikro sistemos erdvinio pariteto egzistavimą. Kitaip tariant, bangos funkcija pagal šią transformaciją sistema yra lyginė arba nelyginė. Erdvinis paritetas išsaugomas stiprios ir elektromagnetinės sąveikos procesuose. Kalbant apie silpną sąveiką,
atsakingas už β skilimą, situacija čia kitokia. Hipotezę apie pariteto neišsaugojimą esant silpnoms sąveikoms iškėlė T.D. Lee (g. 1926 m.) ir C.N. Youngas (g. 1922 m.), pasiūlęs atitinkamą eksperimentą, kurį atliko C.S. Autorius (g. 1913 m.).
Scheminė diagrama patirtis labai paprasta. Beta aktyvus izotopas 60 Co buvo patalpintas į magnetinį lauką N solenoidas, kuris poliarizavo kobalto branduolius, t.y magnetiniai momentai palei lauką (10.14 pav.).
Visa sistema yra veidrodinė simetriška srovės kilpos plokštumos atžvilgiu, todėl atrodytų, kad β-elektronų spinduliuotės intensyvumas turi būti vienodas abiejose simetrijos plokštumos pusėse. Tiesą sakant, eksperimento metu buvo pastebėta ryški asimetrija (apie 40%), ty silpnų sąveikų asimetrija, palyginti su kairiąja ir dešine.
Gama spinduliuotė. Tuo atveju, kai branduolio skilimas su nukleono emisija yra energetiškai neįmanomas, sužadinimas pašalinamas dėl γ-kvantų - didelės energijos fotonų emisijos. Branduolio, kurio energija viršija nukleono rišimosi energiją, γ-kvantų emisija įvyksta tik tuo atveju, kai uždraudžiama nukleonų (ar kitų dalelių) emisijos paritetas ir kampinis impulsas, o tai sukelia emisijos procesą. γ-kvantai santykinai labiau tikėtini. Jei tokio draudimo nėra, tada skleidžiamos tokios „branduolinės“ dalelės kaip neutronai, protonai,
α dalelės yra daug labiau tikėtinos nei γ spinduliuotė. Pastarasis yra dėl to, kad γ~ spinduliuotė yra dėl elektromagnetinė sąveika, o nukleonų arba a-dalelių emisija atsiranda dėl stipresnio branduolinė sąveika(šis esminės sąveikos tipas paprastai vadinamas stipriąja sąveika – žr. 12 skyrių).
Skirtingai nuo β-skilimo, γ~ spinduliuotė yra ne intranukleoninis reiškinys, o intranuklearinis reiškinys. Izoliuotas laisvas nukleonas negali išspinduliuoti (arba sugerti) γ kvanto dėl bendro energijos tvermės ir impulso dėsnių veikimo. Pastarasis yra visiškai panašus į tai, kad fotoelektrinis poveikis laisvųjų elektronų neįmanoma. Tuo pačiu metu branduolio viduje nukleonas gali išspinduliuoti kvantą, dalį impulso perkeldamas kitiems nukleonams.
Sk. 8 parodėme, kad kadangi fotonas yra bemasė dalelė, jam nėra koordinačių sistemos, kurioje jis būtų ramybėje. Be to, fotonui nėra prasmės dalyti savo bendrą kampinį impulsą į sukimąsi ir orbitą. Bendras momentas iš esmės gali turėti bet kokį sveikąjį skaičių (K vienetais), pradedant nuo vieneto. Štai kodėl dažnai sakoma, kad fotono sukinys yra lygus 1, nors teisingesnis teiginys yra „ minimalią vertę Fotono kampinis impulsas yra lygus 1.
Kaip minėta § 8.1, bet kurios sistemos skleidžiamo fotono būsena pasižymi daugiapoliumu, t.y., tam tikru bendru kampiniu momentu ir paritetu.
2 L daugiapolis fotonas turi kampinis momentas L, absoliuti vertė kuri, anot kvantinė mechanika, yra lygus √(L(L + 1)), t.y. lygiai toks pat, kaip ir baigtinės masės dalelės atveju. Pagal kampinio momento išsaugojimo dėsnį, tarp pradinio ir galutinio branduolio momentų I n ir I K ir momento L, kurį nuneša γ-kvantas, turi būti tenkinamas toks ryšys:
|I n -I į |<=L<=I H + I K . (10.55)
Tai atrankos taisyklė, pagrįsta kampiniu momentu. Pagal (10.55) dipolio γ kvantai (L = 1) gali būti spinduliuojami perėjimų tarp būsenų metu
ΔI = 0, ±1, išskyrus (0-0) perėjimus; kvadrupolio γ-kvantas (L = 2) - perėjimų metu tarp būsenų, kai ΔI = ± 2, ±1, 0, išskyrus (0-0)-, (0-1)- ir (1-0)-perėjimus ir kt. d.
Kita atrankos taisyklė yra susijusi su banginės funkcijos pariteto išsaugojimo dėsnio įvykdymu. Lygumą, kaip minėjome anksčiau, lemia visų trijų ašių atspindžio sistemos banginės funkcijos įtaka pradžios atžvilgiu.
Toks atspindys statinio dipolio atveju lemia abipusį kiekvieno krūvio padėties persitvarkymą (10.15 pav.). Vadinasi, žiūrint iš pradinės koordinačių sistemos, akivaizdus visų krūvių ženklų pasikeitimas. Tačiau toks pats atspindys esant magnetiniam dipoliui (žiedinė srovė) nekeičia srovės krypties (ženklo) magnetiniame dipolyje (taip pat žr. 8.1 pav.).
Todėl daugiapolio L elektrinę γ spinduliuotę skleidžiančio branduolio pariteto leistinas pokytis apibūdinamas formule
P ir /P k = (-1) L, (10,56)
o branduoliui, skleidžiančiam magnetinę L daugiapolio spinduliuotę, pagal formulę
R n / R k = (-1) L+1, (10,57)
kur R n ir R k yra atitinkamai pradinės ir galutinės branduolio būsenų paritetai.
Dažnai sužadinimas branduolyje pašalinamas ne tiesioginiu perėjimu į pagrindinę būseną, o išspinduliuojant γ kvantų kaskadą su mažesniu daugiapoliumu. Pasirodo, kad yra kampinė nuosekliai skleidžiamų γ kvantų koreliacija, ty stebima vyraujanti antrojo kvanto emisijos kryptis.
Koreliacijos priklausomybė atsiranda dėl to, kad viso γ kvanto momento projekcija m į jo impulsą gali turėti tik reikšmes m = ±1 (matavimo vienetas yra Plancko konstanta ћ).
Vertė m = 0 neįtraukta į skersinių elektromagnetinių bangų būklę.
Todėl, jei, pavyzdžiui, nulinio momento lygyje esantis branduolys išspinduliuotų tam tikra kryptimi išspinduliuotą γ kvantą, t.y., detektoriumi užregistruotą šia kryptimi, tada branduolio sukinio projekcija naujame, žemesnės energijos būsena šia kryptimi gali būti tik ± 1, bet ne nulis. Taigi paaiškėja, kad branduolys nebėra visiškai chaotiškai orientuotas erdvėje. Todėl kaskadiniai γ-kvantai iš jo išskrenda įvairiomis kryptimis su skirtinga tikimybe. Kampas
koreliacija labai priklauso nuo nuosekliai nykstančių būsenų momentų.
γ-aktyvių branduolių gyvenimo trukmė yra vidutiniškai trumpa ir paprastai yra 10–7–10–11 s. Retais atvejais, kai didelis draudimo laipsnis derinamas su maža pereinamojo laikotarpio energija, γ-aktyvūs branduoliai gali būti stebimi su makroskopinės eilės gyvavimo trukme - iki kelių valandų, o kartais net metų. Tokios sužadintos ilgaamžės branduolių būsenos vadinamos izomerai. Šį reiškinį 1935 metais atrado I.V. Kurchatovas ir jo darbuotojai. Izomerinio lygio sukimasis turi labai skirtis nuo žemiau esančių lygių sukimų ir maža sužadinimo energija. Paprastai izomerinė būsena reiškia pirmąjį sužadintą branduolio lygį. Taigi, pavyzdžiui, 115 49 branduolyje pagrindinės būsenos charakteristika yra 9/2 +, o pirmojo sužadinto lygio, kurio energija yra 335 keV, charakteristika yra 1/2 ~. Šis perėjimas yra taip griežtai draudžiamas, kad sužadinto lygio tarnavimo laikas yra 14,4 valandos.
Reikėtų pažymėti, kad visi laboratoriniai γ kvantų šaltiniai iš tikrųjų yra ilgaamžiai β aktyvūs branduoliai, o γ spinduliuotė kyla dėl
Motinos branduolio β-skilimas į sužadintus dukterinio branduolio lygius. Pavyzdžiui, plačiai paplitusiame γ spinduliuotės šaltinyje 60 Co (T 1/2 = 5,3 g) įvyksta elektronų, kurių energija yra 0,3 MeV, emisija ir vėlesni γ perėjimai 60 Ni branduolyje, kurių energija yra 1,17 ir 1 33 MeV.
Be γ spinduliuotės, yra dar vienas energijos praradimo sužadintam branduoliui mechanizmas – vidinių konversijos elektronų emisija. Šiame procese branduolio sužadinimo energija tiesiogiai perduodama vienam iš orbitos elektronų, kuris gauna visą kvanto energiją. Su didžiausia tikimybe vidinio virsmo procesas vyksta ant K-elektronų, kurių banginė funkcija labiausiai sutampa su branduoliu. Tačiau
jei branduolinio perėjimo metu išsiskirianti energija yra mažesnė už X-elektrono rišamąją energiją, tada stebima konversija L-elektronais ir tt Be konversijos elektronų, vidinės konversijos metu galima stebėti ir atsirandančius rentgeno kvantus. kai vienas iš išorinių elektronų pereina į emituoto elektrono atlaisvintą K- arba L-apvalkalą. Vidinės konversijos metu išskiriamų elektronų monoenergetinė prigimtis leidžia atskirti juos nuo β skilimo elektronų, kurių spektras yra ištisinis.
Kaip šio proceso iliustraciją, pav. 10.16 paveiksle parodytas gyvsidabrio 203 Hg β aktyviojo branduolio išspinduliuotų elektronų spektras.
Vidinės konversijos procesas tam tikra prasme yra analogiškas virpesiams susietoje sistemoje su dviem laisvės laipsniais. Paprasčiausias tokios sistemos pavyzdys – dvi spyruokle sujungtos švytuoklės: vienos iš švytuoklių svyravimai spyruoklės dėka sužadina kitos svyravimus. Vidinės konversijos atveju „spyruoklės“ vaidmenį atlieka elektrinis laukas. Taigi vidinė konversija yra pirminis, o ne antrinis elektromagnetinės spinduliuotės sąveikos su orbitiniais elektronais procesas: branduolio sužadinimo energija orbitiniams elektronams perduodama, kaip sakoma, virtualiais, o ne tikrais kvantais.
Branduolio dalijimasis. Atomų branduolių dalijimasis yra procesas, būdingas tik sunkiausiems branduoliams, pradedant nuo torio ir toliau link aukštojo Z.
Dabar sunku įsivaizduoti, su kokiu suglumimu ir nepasitikėjimu fizikai pasitiko 1938 metais O. Hahno ir F. Strassmanno žinią apie atomo branduolio dalijimąsi lėtaisiais neutronais, nes buvo gerai žinoma, kad iš branduolio reikia išplėšti vieną nukleoną. reikalauja milijonų elektronų voltų energijos. Pagal vaizdinę R. Leachmano išraišką, tai prilygsta tam, kad kietas akmuo suskaldomas lengvai bakstelėjus pieštuku. Pirmąjį stebimo proceso paaiškinimą pateikė N. Bohr ir J. Wheeler ir nepriklausomai Ya.I. Frenkelis per kelis mėnesius remiantis
analogijos tarp branduolio dalijimosi ir įkrauto skysčio lašo dalijimosi deformacijos metu.
Pataikęs neutronui, lašelio branduolys pradeda svyruoti ir tam tikru momentu įgauna pailgą formą. Branduolinės jėgos, veikiančios tarp nukleonų, kaip ir skystyje esančių molekulių sanglaudos jėgos, sukelia paviršiaus įtempimo atsiradimą. Jie siekia grąžinti branduolį į pradinę beveik sferinę formą (sunkieji branduoliai pradinėje būsenoje yra šiek tiek deformuoti ir turi pailgo elipsoido formą).
Tačiau jei branduolio pailgėjimas tam tikru momentu pasirodys pakankamai didelis, panašių krūvių atstūmimo elektrostatinės jėgos gali viršyti paviršiaus įtempimo jėgas.
Tada šerdis pradės dar labiau temptis, kol suskaidys į du fragmentus. Dalijimosi momentu du ar trys neutronai, α dalelės ir net lengvieji branduoliai išspinduliuojami kaip „maži purslai“, nors ir su labai maža tikimybe. Vienas po kito einantys proceso etapai
Atomo branduolio dalijimasis parodytas Fig. 10.17.
1940 metais G.N. Flerovas ir K.A. Pietrzak atrado, kad urano branduoliai taip pat gali spontaniškai dalytis. 238 U savaiminio dalijimosi pusinės eliminacijos laikas
lygus 8 10 15 metų. Kaip vėliau paaiškėjo, visi už torį sunkesni branduoliai savaime dalijasi, ir kuo branduolys sunkesnis ir kuo didesnis jo krūvis, tuo vidutinė šio proceso tikimybė, t.y., tuo trumpesnis jo savaiminio skilimo laikotarpis. Spontaniško dalijimosi laikotarpis labai greitai mažėja, kai pereiname prie sunkesnių branduolių. Taigi plutonio izotopui 242 Pu tai yra 6,8 * 10 10 metų, kaliforniui 252 Cf jau 85 metai, o fermiui 256 Fm - 2,7 valandos.
Spontaniškas branduolio dalijimasis yra grynai kvantinis mechaninis poveikis. Kaip minėta aukščiau, tai yra dviejų procesų – paviršiaus įtempimo, kuris linkęs grąžinti branduolį į pradinę būseną, ir Kulono įkrautų fragmentų atstūmimo – konkurencijos rezultatas. Taigi branduolyje atsiranda potencialus barjeras, neleidžiantis jam dalytis.
Fig. 10.18 paveiksle pavaizduota potenciali branduolio energija kaip branduolio paviršiaus nuokrypio ΔR nuo sferinės formos funkcija. Branduolio pagrindinė būsena yra šiek tiek
deformuota.
Todėl spontaniškas branduolio dalijimasis yra tuneliavimo procesas, kaip ir α dalelių tuneliavimo metu. Čia išryškėja stipri savaiminio dalijimosi periodo priklausomybė nuo branduolio krūvio: didėjant branduolio krūviui, barjero reikšmė mažėja, o dalijimosi tikimybė smarkiai padidėja. 235 U izotopo dalijimosi barjeras yra maždaug 6 MeV, tai yra būtent ta energija, kurią lėtas neutronas įneša į branduolį, todėl 235 U dalijasi taip lengvai, kai absorbuojamas neutronas.
Kulono barjero išvaizda ir įtaka lengvai paaiškinama naudojant pusiau empirinę Weizsäcker formulę, skirtą branduolių surišimo energijai. Tegul šerdis keičia savo formą, pavyzdžiui, iš sferinės į elipsoidinę. Branduolio tūris nekinta (branduolinė medžiaga praktiškai nesuspaudžiama), tačiau paviršius didėja, o Kulono energija mažėja (didėja vidutinis atstumas tarp protonų). Branduolio gebėjimas dalytis natūraliai apibūdinamas Kulono energijos ir paviršiaus energijos santykiu, t.y.
(10.58)
Kadangi koeficientai γ ir β yra pastovūs visiems branduoliams, dalijimosi tikimybę lemia reikšmė Z 2 /A, kuri pagal Bohro ir Wheelerio siūlymą buvo pasirinkta kaip branduolio dalijimosi parametras. Skaičiavimai rodo, kad branduoliuose, kurių Z 2 /A >= 49, skilimas įvyksta beveik akimirksniu, maždaug per 10 ~ 23 s.
Tai reiškia, kad savaiminis dalijimasis lemia stabilių branduolių egzistavimo ribą, t. y. branduoliai, kurių Z >= 120, neturi energijos barjero, kuris neleidžia spontaniškas pasidalijimas. Skilimo barjero E f ir energijos Q f kitimo pobūdis, išsiskiriantis branduolio dalijimosi metu, kai branduolys deformuojasi ε. At skirtingos reikšmės Dalijimosi parametras parodytas fig. 10.19, o pav. 10.20 paveiksle parodytas lyginių ir lyginių branduolių savaiminio dalijimosi laikas. Branduoliams, kurių N arba Z yra nelyginis, savaiminio dalijimosi pusinės eliminacijos laikas yra keliomis eilėmis ilgesnis nei gretimų lyginių ir lyginių branduolių.
Remiantis aukščiau pateiktais argumentais, nesunku numatyti šias pagrindines dalijimosi proceso savybes.
1 . Sunkiojo branduolio dalijimosi metu turėtų išsiskirti didelė energija Q, nes jungimosi energija vienam nukleonui sunkiųjų branduolių ε grandinėje yra maždaug 0,8 MeV mažesnė už atitinkamą energiją ε sr vidutiniams branduoliams; taigi, pavyzdžiui, 238 U branduoliui
Q f ~ A(ε sunkus - ε sr) ~ 238 0,8 ~ 200 MeV. (10.59)
2. Didžioji dalijimosi energijos dalis išsiskiria formoje kinetinė energija dalijimosi fragmentai Ek, nes fragmentų branduoliai neišvengiamai turi išsiskirti, veikiami Kulono atstūmimo. Dviejų fragmentų, kurių krūviai Z 1 ir Z 2 yra atstumu δ, Kulono energija yra lygi
. (10.60)
kur R 1, R 2 yra fragmento branduolių spinduliai, kurie
galima apskaičiuoti naudojant formulę
R = 1,23 10 ~ 13 A 1/3 cm,
a Z 1 = Z 2 = Z 0 / 2 ~ 46
(darant prielaidą, kad urano branduolys padalintas per pusę), gauname
y., reikšmė yra tokios pat eilės kaip Q f
3 . Susidarę dalijimosi fragmentai turi būti β-radioaktyvūs ir gali skleisti neutronus. Priežastis ta, kad didėjant branduolio krūviui, didėja neutronų skaičiaus branduolyje ir protonų skaičiaus santykis dėl protonų Kulono energijos padidėjimo. Todėl fragmentų branduoliai dalijimosi metu turės tokį patį N/Z santykį kaip, tarkime, urano, t.y. bus perkrauti neutronais, o tokiuose branduoliuose vyksta β skilimas (dėl didelės neutronų perkrovos šio skilimo produktai yra taip pat β-aktyvus, todėl dalijimosi fragmentai sukelia gana ilgas radioaktyviųjų branduolių grandines). Be to, dalį energijos gali nunešti tiesioginė dalijimosi neutronų emisija arba antrinė, t.y., dalijimosi fragmentų išskiriami neutronai. Vidutinė energija skilimo neutronai yra apie 2 MeV.
Vidutinis neutronų skaičius ν, išsiskiriantis per dalijimosi įvykį, priklauso nuo skiliojo branduolio masės skaičiaus ir didėja didėjant Z. Jei 240 Pu branduoliui ν ~ 2,2, tai 252 Cf ν ~ 3,8. Kadangi 252 Cf taip pat gana greitai suyra (spontaniško dalijimosi atžvilgiu T 1/2 = 85 metai; realiai jo tarnavimo laikas yra nulemtas α skilimo ir yra 2,64 metų), tai yra intensyvus neutronų šaltinis.
Šiuo metu jis laikomas vienu perspektyviausių radioaktyviųjų neutronų šaltinių.
Didelis energijos išsiskyrimas ir antrinių neutronų emisija branduolio dalijimosi metu turi didžiulį poveikį praktinę reikšmę. Šiuo procesu pagrįstas branduolinių reaktorių veikimas, kuris bus aptartas kitame skyriuje.
Natūralus ir dirbtinis radioaktyvumas
Kai kurių izotopų branduoliai gali spontaniškai transformuotis į kitų elementų branduolius, išskirdami energiją. Šis procesas vadinamas radioaktyvumu. Natūralus radioaktyvumas pirmą kartą atrastas ant urano druskų 1896 m. prancūzų fizikas A. Becquerel, o paskui studijavo Pierre'as ir Marie Curie. Nustatyta, kad radioaktyvų skilimą lydi α-, β- ir γ spindulių emisija. Dauguma gamtoje esančių radioaktyviųjų elementų sudaro radioaktyviąsias šeimas, kuriose kiekvienas radioaktyvus elementas kyla iš ankstesnio ir, savo ruožtu, virsta kitu. Radioaktyviųjų virsmų procesas tęsiasi tol, kol susidaro stabilus izotopas. Kai kurių natūralių radioaktyvių elementų (40 K, 87 Rb, 152 Sm ir kt.) skilimas apsiriboja vienu virsmo etapu.
Dirbtinis radioaktyvumas buvo aptiktas 1934 m. Prancūzų mokslininkai Irene ir Fredericas Joliot-Curie. Jie nustatė, kad stabilius elementus apšvitinus alfa dalelėmis, susidaro radioaktyvieji fosforo, azoto ir silicio izotopai – elementai, kurie neturi natūralių radioaktyvių izotopų. Vėliau, apšvitinus stabilius elementus alfa dalelėmis, protonais, deuteronais ir neutronais, buvo gauti visų cheminių elementų radioaktyvieji izotopai – nuo vandenilio iki urano, o daugumai elementų – keli radioaktyvūs izotopai.
Yra šie pagrindiniai natūralių radioaktyviųjų elementų skilimo tipai.
1. α-dalelės, kuri yra teigiamai įkrautas helio branduolys, kurio atominis skaičius Z=2 ir masės skaičius M=4, emisija. Branduolio, susidariusio dėl α skilimo, masės skaičius yra keturi vienetai, o atominis skaičius yra dviem vienetais mažesnis nei pradinio branduolio, pavyzdžiui:
2. Neigiamų arba teigiamų α dalelių – elektronų – emisija (žymima e - arba β -) arba pozitronas (e + arba β +), kurie yra įkrautos dalelės, kurių masė maždaug tokia pati ( m e=0,9035-10 -27 g), sudarantis tik 1/1835 protono masės. Šiuo atveju skilimo produkto masės skaičius yra toks pat kaip ir pradinio branduolio, o atominis skaičius padidėja arba sumažėja vienu vienetu, pavyzdžiui:
.
Aukščiau pateikti reakcijos įrašai išryškina svarbią β skilimo ypatybę: jį visada lydi nulinės masės neutralios dalelės – neutrino – emisija. v su β+ skilimu ir antineutrinais vβ - -skilimo metu. Labai dažnai pagrindiniai (privalomi) skilimo produktai, α- ir β-dalelės, taip pat neutrinai (antineutrinai), neišneša visos skilimo reakcijos energijos. Energijos perteklius išsiskiria vieno ar kelių kvantų pavidalu
.
3. Elektrono gaudymas vienu iš atomų apvalkalų branduolyje. Dėl šio proceso, vadinamo elektronų gaudymu (EC), atominis skaičius (kaip β + skilimas) sumažėja vienu vienetu, o reakcijos energiją nuneša neutrinai, o kai kuriais atvejais ir -γ spinduliuotė. pavyzdys:
.
Kai užima laisvą vietą elektronų apvalkalas kitas elektronas taip pat sukuria charakteristiką rentgeno spinduliuotė elementas – reakcijos produktas.
Elektroninis griebtuvas su K-, L- apvalkalai paprastai vadinami atitinkamai ( KAM- patraukti, L- patraukti ir kt.
4. Savaiminis kai kurių sunkiųjų branduolių dalijimasis (238 U, 232 Th) į dvi dalis, dažniausiai nevienodos masės. Savaiminio dalijimosi metu, be dalijimosi fragmentų, išsiskiria du ar trys neutronai, o kartais ir kitos dalelės. Naujai susidarę branduoliai dažniausiai būna nestabilūs ir suyra išskirdami keletą neutronų ir β – dalelių. Branduolinėje geofizikoje domina vadinamųjų uždelstų neutronų, lydinčių β skilimą, emisiją dėl kai kurių dalijimosi produktų, pavyzdžiui:
Tokių neutronų registracija naudojama urano kiekiui nustatyti.
5. Vieno ar dviejų protonų, kurių masė ir krūvis sumažėja vienu ar dviem vienetais, emisija stebima tik kai kuriuose dirbtiniuose radioaktyviuose izotopuose didelis deficitas neutronai (atitinkamai su protonų pertekliumi), pavyzdžiui:
.
Šį skilimo tipą neseniai atrado sovietų mokslininkai, o jo reikšmė branduolinei geofizikai dar nebuvo ištirta.
Kartais radioaktyvusis skilimas apima ir kai kurių branduolių perėjimą iš metastabilios (santykinai stabilios sužadintos) būsenos į pagrindinę būseną, išspinduliuojant vieną ar daugiau γ kvantų. Šiuo atveju nevyksta jokia branduolio transformacija (jo masės ar krūvio pasikeitimo prasme). Tačiau aktyvių (metastabilių) branduolių skaičiaus mažėjimo dėsnis sutampa su radioaktyvaus skilimo dėsniu, o tai pateisina šio proceso, vadinamo izomeriniu perėjimu (IT), priskyrimą. specialus tipas radioaktyvumas.
Kai kurio elemento M X sužadintas izomero branduolys paprastai žymimas M m X. Izomerai dažniausiai gaunami sužadinant branduolius bombarduojant branduolinėmis dalelėmis arba kartais kaip tarpinis produktas irnt tam tikrus branduolius. Pavyzdžiui, UX 1 skilimo metu, be izotopo 234 Pa(UZ), susidaro jo izomeras 234 m Pa(UX 2), kurio pusinės eliminacijos laikas skiriasi.
Paprastai radioaktyvus elementas suyra vienu iš aukščiau išvardytų būdų. Tačiau daugelis jų gali sugesti įvairiais būdais. Pavyzdžiui, 226 Ra 99% atvejų virsta 222 Rn, išspinduliuojančiu 4,9 MeV energijos alfa dalelę. Tačiau radžio perėjimas į radoną stebimas, kai išsiskiria dvi dalelės: α-dalelė, kurios energija yra 4,7 MeV, ir γ-kvantinė, kurios energija yra 0,2 MeV. Kai kurie radioaktyvieji elementai skyla ir susidaro du ar daugiau naujų elementų. Taigi apie 12% atomų patiria 40 K KAM-sugauti ir paversti argono atomais 40 Ar, vėliau išspinduliuojant γ -kvantus, kurių energija yra 1,46 MeV. Likę 88% 40 K paverčiami kalcio 40 Ca atomais su β dalelių emisija. Dirbtinių radioaktyvių elementų irimą dažniausiai lydi elektronų (arba pozitronų) ir γ spindulių emisija.
Gamtoje buvo aptikta daugiau nei 50 natūralių radioaktyvių elementų. Dažniausiai sunkūs elementai, kurios yra urano, aktinourano AcU ir torio radioaktyviųjų šeimų dalis (5.1 pav.). Neptūnių šeimos elementų gamtoje randama labai mažais kiekiais, kurių irimas apsiriboja viena transformacijų grandimi. Iš analizės pav. 5.1 iš to matyti, kad šių šeimų irimo pobūdis turi daug bendro.
