Știți deja asta la mijlocul secolului al XX-lea. a apărut problema găsirii de noi surse de energie. În acest sens, reacțiile termonucleare au atras atenția oamenilor de știință.

  • Reacția termonucleară este reacția de fuziune a nucleelor ​​ușoare (cum ar fi hidrogenul, heliul etc.), care are loc la temperaturi de la zeci la sute de milioane de grade.

Crearea unei temperaturi ridicate este necesară pentru a oferi nucleelor ​​o energie cinetică suficient de mare - numai în această condiție nucleele vor putea depăși forțele de repulsie electrică și se vor apropia suficient pentru a cădea în zona de acțiune a forțelor nucleare. La distanțe atât de mici, forțele de atracție nucleară depășesc semnificativ forțele de repulsie electrică, datorită cărora sinteza (adică fuziunea, asocierea) nucleelor ​​este posibilă.

În § 58, folosind exemplul uraniului, s-a arătat că energia poate fi eliberată în timpul fisiunii nucleelor ​​grele. În cazul nucleelor ​​ușoare, energia poate fi eliberată în timpul procesului invers - în timpul fuziunii lor. Mai mult, reacția de fuziune a nucleelor ​​ușoare este energetic mai favorabilă decât reacția de fisiune a nucleelor ​​grele (dacă comparăm energia eliberată per nucleon).

Un exemplu de reacție termonucleară este fuziunea izotopilor de hidrogen (deuteriu și tritiu), care are ca rezultat formarea heliului și emisia unui neutron:

Aceasta este prima reacție termonucleară pe care oamenii de știință au reușit să o realizeze. A fost implementat în bombă termonuclearăși era de natură incontrolabilă (explozivă).

După cum sa menționat deja, reacțiile termonucleare pot apărea cu eliberarea de cantitate mare energie. Dar pentru ca această energie să fie folosită în scopuri pașnice, este necesar să înveți cum să conduci reacții termonucleare controlate. Una dintre principalele dificultăți în efectuarea unor astfel de reacții este aceea de a conține plasmă la temperatură înaltă (gaz aproape complet ionizat) în interiorul instalației, în care are loc fuziunea nucleară. Plasma nu trebuie să intre în contact cu pereții instalației în care se află, altfel pereții se vor transforma în abur. În prezent, câmpurile magnetice foarte puternice sunt folosite pentru a închide plasma într-un spațiu restrâns la o distanță adecvată de pereți.

Reacțiile termonucleare joacă un rol important în evoluția Universului, în special în transformări substanțe chimiceîn ea.

Datorită reacțiilor termonucleare care au loc în adâncurile Soarelui, se eliberează energie care dă viață locuitorilor Pământului.

Soarele nostru a radiat lumină și căldură în spațiu de aproape 4,6 miliarde de ani. Desigur, în orice moment, oamenii de știință au fost interesați de întrebarea care este „combustibilul” datorită căruia Soarele produce o cantitate imensă de energie pentru o perioadă atât de lungă.

Au existat diferite ipoteze în această privință. Una dintre ele a fost că energia din Soare este eliberată ca urmare reactie chimica combustie. Dar în acest caz, după cum arată calculele, Soarele ar putea exista doar câteva mii de ani, ceea ce contrazice realitatea.

Ipoteza originală a fost înaintată la mijlocul secolului al XIX-lea. Asta a fost creșterea energie interna iar creşterea corespunzătoare a temperaturii Soarelui are loc datorită scăderii acesteia energie potențială sub compresie gravitațională. De asemenea, s-a dovedit a fi de nesuportat, deoarece în acest caz durata de viață a Soarelui crește la milioane de ani, dar nu la miliarde.

Presupunerea că eliberarea de energie în Soare are loc ca urmare a reacțiilor termonucleare care au loc pe acesta a fost făcută în 1939 de fizicianul american Hans Bethe.

Au propus și așa-zisul ciclul hidrogenului, adică un lanț de trei reacții termonucleare care conduc la formarea heliului din hidrogen:

unde este o particulă numită „neutrin”, care înseamnă „mic neutron” în italiană.

Pentru a produce cele două nuclee necesare pentru a treia reacție, primele două trebuie să apară de două ori.

Știți deja că, conform formulei E = mс 2, pe măsură ce energia internă a unui corp scade, și masa acestuia scade.

Pentru a ne imagina cantitatea colosală de energie pe care Soarele o pierde ca urmare a conversiei hidrogenului în heliu, este suficient să știm că masa Soarelui scade cu câteva milioane de tone în fiecare secundă. Dar, în ciuda pierderilor, rezervele de hidrogen de pe Soare ar trebui să dureze încă 5-6 miliarde de ani.

Aceleași reacții apar în interiorul altor stele, a căror masă și vârstă sunt comparabile cu masa și vârsta Soarelui.

Întrebări

  1. Ce reacție se numește termonucleară? Dați un exemplu de reacție.
  2. De ce sunt posibile reacțiile termonucleare doar la temperaturi foarte ridicate?
  3. Care reacție este energetic mai favorabilă (pe nucleon): fuziunea nucleelor ​​ușoare sau fisiunea celor grele?
  4. Care este una dintre principalele dificultăți în efectuarea reacțiilor termonucleare?
  5. Care este rolul reacțiilor termonucleare în existența vieții pe Pământ?
  6. Care este sursa energiei solare conform ideilor moderne?
  7. Cât timp ar trebui să dureze furnizarea de hidrogen pe Soare, conform calculelor oamenilor de știință?

Asta este interesant...

Particule elementare. Antiparticule

Particulele care alcătuiesc atomii diferitelor substanțe - electroni, protoni și neutroni - se numesc elementare. Cuvântul „elementar” implică faptul că aceste particule sunt primare, cele mai simple, mai departe indivizibile și neschimbabile. Dar s-a dovedit curând că aceste particule nu sunt deloc imuabile. Toți au capacitatea de a se transforma unul în celălalt atunci când interacționează.

Prin urmare, în fizica modernă, termenul „particule elementare” este de obicei folosit nu în sensul său exact, ci pentru a numi un grup mare. particule minuscule materie care nu este atomi sau nuclee atomice (excepția este protonul, care este nucleul unui atom de hidrogen și, în același timp, aparține particulelor elementare).

În prezent, sunt cunoscute peste 350 de particule elementare diferite. Aceste particule sunt foarte diverse în proprietățile lor. Ele pot diferi unele de altele ca masă, semn și dimensiune incarcare electrica, durata de viață (adică timpul din momentul în care se formează o particulă până în momentul în care se transformă într-o altă particulă), capacitatea de penetrare (adică capacitatea de a trece prin materie) și alte caracteristici. De exemplu, majoritatea particulelor sunt „de scurtă durată” - nu trăiesc mai mult de două milioane de secundă, în timp ce durata medie de viață a unui neutron în afara nucleului atomic este de 15 minute.

Cea mai importantă descoperire în domeniul cercetării particulelor elementare a fost făcută în 1932, când fizicianul american Carl David Anderson a descoperit o urmă a unei particule necunoscute într-o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic. Pe baza naturii acestei urme (raza de curbură, direcția de îndoire etc.), oamenii de știință au stabilit că a fost lăsată de o particulă, care este ca un electron cu o sarcină electrică pozitivă. Această particulă a fost numită pozitron.

Este interesant că cu un an înainte de descoperirea experimentală a pozitronului, existența acestuia a fost prezisă teoretic de fizicianul englez Paul Dirac (existența unei astfel de particule a rezultat din ecuația pe care a derivat-o). Mai mult, Dirac a prezis așa-numitele procese de anihilare (dispariție) și nașterea unei perechi electron-pozitron. Anihilarea este că un electron și un pozitron dispar la întâlnire, transformându-se în γ-quanta (fotoni). Și atunci când un γ-cuantic se ciocnește cu orice nucleu masiv, se naște o pereche electron-pozitron.

Ambele procese au fost observate pentru prima dată experimental în 1933. Figura 166 prezintă urmele unui electron și ale unui pozitron formate ca urmare a ciocnirii unui cuantum γ cu un atom de plumb în timpul trecerii razelor γ printr-o placă de plumb. Experimentul a fost efectuat într-o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic. Aceeași curbură a pistelor indică aceeași masă de particule, iar curbura în direcții diferite indică semne opuse ale sarcinii electrice.

Orez. 166. Urmele unei perechi electron-pozitron într-un câmp magnetic

În 1955, a fost descoperită o altă antiparticulă - antiprotonul (a cărui existență a rezultat și din teoria lui Dirac), iar puțin mai târziu - antineutronul. Un antineutron, ca un neutron, nu are sarcină electrică, dar aparține, fără îndoială, antiparticulelor, deoarece participă la procesul de anihilare și nașterea unei perechi neutron-antineutron.

Posibilitatea de a obține antiparticule a condus oamenii de știință la ideea de a crea antimaterie. Atomii de antimaterie ar trebui construiți în acest fel: în centrul atomului există un nucleu încărcat negativ, format din antiprotoni și antineutroni, iar pozitronii se învârt în jurul nucleului. În general, atomul este neutru. Această idee a primit și o confirmare experimentală strălucitoare. În 1969, la acceleratorul de protoni din Serpuhov, fizicienii sovietici au obținut nuclee de atomi de antiheliu.

În prezent, au fost descoperite experimental antiparticule ale aproape tuturor particulelor elementare cunoscute.

Rezumatul capitolului. Cel mai important

Mai jos sunt date concepte fiziceși fenomene. Succesiunea de prezentare a definițiilor și formulărilor nu corespunde succesiunii conceptelor etc.

Transferați numele conceptelor în caiet și introduceți între paranteze drepte numărul de serie al definiției (formularea) corespunzătoare acestui concept.

  • Radioactivitate;
  • model nuclear (planetar) al structurii atomului;
  • nucleul atomic;
  • transformări radioactive ale nucleelor ​​atomice;
  • metode experimentale de studiere a particulelor în atom şi fizica nucleara ;
  • forte nucleare ;
  • energie nucleară de legare;
  • defect de masă al nucleului atomic;
  • reacție în lanț ;
  • reactor nuclear ;
  • de mediu și probleme sociale probleme care decurg din utilizarea centralelor nucleare;
  • doza absorbită de radiații.
  1. Înregistrarea particulelor folosind un contor Geiger, studierea și fotografiarea urmelor de particule (inclusiv cele implicate în reacții nucleare) într-o cameră cu nori și o cameră cu bule.
  2. Forțele de atracție care acționează între nucleonii din nucleele atomilor și depășesc semnificativ forțele de repulsie electrostatică dintre protoni.
  3. Energia minimă necesară pentru a împărți un nucleu în nucleoni individuali.
  4. Emisia spontană de raze radioactive de către atomii anumitor elemente.
  5. Un dispozitiv conceput pentru a efectua o reacție nucleară controlată.
  6. Constă din nucleoni (adică protoni și neutroni).
  7. Deșeurile radioactive, posibilitatea de accidente, promovarea proliferării armelor nucleare.
  8. Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv situat în centrul său, în jurul căruia orbitează electronii la o distanță semnificativ mai mare decât dimensiunea nucleului.
  9. Transformarea unui element chimic în altul prin dezintegrare α sau β, în urma căreia nucleul atomului original suferă modificări.
  10. Diferența dintre suma maselor nucleonilor care formează un nucleu și masa acestui nucleu.
  11. O reacție de fisiune auto-susținută a nucleelor ​​grele, în care neutroni sunt produși continuu, împărțind din ce în ce mai multe nuclee noi.
  12. Energie radiatii ionizante, absorbită de substanța emisă (în special, țesuturile corpului) și calculată pe unitate de masă.

verifică-te

Dezintegrarea alfa este caracteristică elementelor radioactive naturale cu un număr atomic mare (adică, cu energii de legare scăzute). Practic, numărul lor de serie este mai mare de 82. Dezintegrarea alfa este însoțită de emisia din nucleu a unui element instabil al unei particule alfa, care este nucleul atomului de heliu He (conține 2 protoni și 2 neutroni). Sarcina nucleară scade cu 2, numărul de masă cu 4.

Dezintegrare beta. O serie de izotopi radioactivi naturali și artificiali suferă dezintegrare, emitând electroni sau pozitroni:

a) Dezintegrarea beta electronică. caracteristică atât radionuclizilor naturali cât și artificiali care au un exces de neutroni. În acest caz, unul dintre neutroni se transformă într-un proton, iar nucleul emite un electron și un antineutrin. Sarcina nucleului și, în consecință, numărul atomic al elementului crește cu unu, dar numărul de masă rămâne neschimbat.

b) Dezintegrarea beta a pozitronilor. Se observă la unii izotopi radioactivi artificiali care au un exces de protoni în nucleu. În timpul dezintegrarii beta a pozitronilor, unul dintre protoni se transformă într-un neutron, sarcina nucleului și, în consecință, numărul atomic scade cu unul, dar numărul de masă rămâne neschimbat. Nucleul emite pozitroni și neutrini.

Un pozitron, care a zburat din nucleu, smulge un electron „în plus” din învelișul atomului sau interacționează cu un electron liber, formând o pereche „pozitron-electron”, care se transformă instantaneu în două cuante gamma cu un echivalent de energie. la masa particulelor (e și e). Procesul de transformare a unei perechi pozitron-electron în două cuante gamma se numește anihilare (distrugere), iar radiația electromagnetică rezultată se numește anihilare. În acest caz, există o transformare a unei forme de materie (particule de materie) în alta - fotoni gamma;

Reacția de fuziune nucleară- procesul de fuziune a două nuclee atomice pentru a forma un nucleu nou, mai greu.

Pe lângă noul nucleu, în timpul reacției de fuziune, de regulă, se formează și diverse particule elementare și (sau) cuante de radiație electromagnetică.

Reacție de fisiune nucleară- procesul de scindare a unui nucleu atomic în două (mai rar trei) nuclee cu mase similare, numite fragmente de fisiune. Ca urmare a fisiunii, pot apărea și alți produși de reacție: nuclee ușoare (în principal particule alfa), neutroni și raze gamma. Fisiunea poate fi spontană (spontană) și forțată (ca rezultat al interacțiunii cu alte particule, în principal neutroni). Fisiunea nucleelor ​​grele este un proces exoenergetic, în urma căruia o mare cantitate de energie este eliberată sub formă de energie cinetică a produselor de reacție, precum și radiație.

Fisiunea nucleară servește ca sursă de energie în reactoare nucleareși arme nucleare.

E. Resenford, împreună cu radiochimistul englez F. Soddy, au demonstrat că radioactivitatea este însoțită de transformarea spontană a unui element chimic în altul.
Mai mult, ca urmare a radiațiilor radioactive, nucleele atomilor suferă modificări elemente chimice.

DENUMIREA NUCLEULUI ATOMIC

IZOTOPI

Dintre elementele radioactive s-au descoperit elemente care nu se distingeau din punct de vedere chimic, dar diferite ca masă. Aceste grupuri de elemente au fost numite „izotopi” („ocupând un loc în tabelul periodic”). Nucleele atomilor izotopilor aceluiași element chimic diferă prin numărul de neutroni.

S-a stabilit acum că toate elementele chimice au izotopi.
În natură, toate elementele chimice, fără excepție, constau dintr-un amestec de mai mulți izotopi, prin urmare, în tabelul periodic, masele atomice sunt exprimate în numere fracționale.
Izotopii chiar și ai elementelor neradioactive pot fi radioactivi.

ALFA - DECĂRIRE

Particulă alfa (nucleul unui atom de heliu)
- caracteristica elementelor radioactive cu un număr de serie mai mare de 83
.- legea conservării masei și a numărului de sarcină este în mod necesar îndeplinită.
- adesea însoțită de radiații gamma.

Reacția de descompunere alfa:

În timpul dezintegrarii alfa a unui element chimic, se formează un alt element chimic, care în tabelul periodic este situat cu 2 celule mai aproape de începutul său decât cel original.

Semnificația fizică a reacției:

Ca urmare a emisiei unei particule alfa, sarcina nucleului scade cu 2 sarcini elementare si se formeaza un nou element chimic.

Regula de compensare:

În timpul dezintegrarii beta a unui element chimic, se formează un alt element, care este situat în tabelul periodic în celula următoare după cea originală (o celulă mai aproape de capătul tabelului).

BETA - DECAY

Particulă beta (electron).
- adesea însoțită de radiații gamma.
- poate fi insotita de formarea de antineutrini (particule usoare neutre din punct de vedere electric cu putere mare de penetrare).
- trebuie îndeplinită legea conservării masei și a numărului de sarcină.

Reacția de degradare beta:

Semnificația fizică a reacției:

Un neutron din nucleul unui atom se poate transforma într-un proton, electron și antineutrin, ca urmare nucleul emite un electron.

Regula de compensare:

PENTRU CEI CARE NU SUNT OBOSITI INCA

Vă sugerez să scrieți reacțiile de degradare și să predați lucrarea.
(face un lanț de transformări)

1. Nucleul căruia element chimic este produsul unei dezintegrare alfa
și două dezintegrari beta ale nucleului unui element dat?

Radiațiile alfa și beta se numesc în general descompunere radioactive. Acesta este un proces care este emisie din nucleu, care are loc cu o viteză enormă. Ca urmare, un atom sau izotopul său se poate schimba de la un element chimic la altul. Dezintegrarile alfa și beta ale nucleelor ​​sunt caracteristice elementelor instabile. Acestea includ toți atomii cu un număr de sarcină mai mare de 83 și un număr de masă mai mare de 209.

Condiții pentru ca reacția să apară

Dezintegrarea, ca și alte transformări radioactive, poate fi naturală sau artificială. Acesta din urmă apare din cauza pătrunderii unor particule străine în nucleu. Câtă dezintegrare alfa și beta poate suferi un atom depinde doar de cât de repede este atinsă o stare stabilă.

În circumstanțe naturale, apar descompunere alfa și beta minus.

În condiții artificiale, sunt prezente neutroni, pozitroni, protoni și alte tipuri mai rare de descompunere și transformări ale nucleelor.

Aceste nume au fost date de cineva care a studiat radiațiile radioactive.

Diferența dintre nucleul stabil și instabil

Capacitatea de a se descompune depinde direct de starea atomului. Așa-numitul nucleu „stabil” sau non-radioactiv este caracteristic atomilor care nu se descompun. În teorie, astfel de elemente pot fi observate la infinit pentru a le verifica în final stabilitatea. Acest lucru este necesar pentru a separa astfel de nuclee de cele instabile, care au un timp de înjumătățire extrem de lung.

Din greșeală, un astfel de atom „încetinit” poate fi considerat unul stabil. Cu toate acestea, un exemplu izbitor poate fi telurul și, mai precis, izotopul său cu numărul 128, care are o durată de viață de 2,2·10 24 de ani. Acest caz nu este izolat. Lantanul-138 are un timp de înjumătățire de 10-11 ani. Această perioadă este de treizeci de ori mai mare decât vârsta universului existent.

Esența dezintegrarii radioactive

Acest proces are loc aleatoriu. Fiecare radionuclid în descompunere capătă o viteză constantă pentru fiecare caz. Rata de decădere nu se poate modifica sub influența factorilor externi. Nu contează dacă reacția are loc sub influența enormului forta gravitationala, la zero absolut, într-un câmp electric și magnetic, în timpul oricărei reacții chimice etc. Procesul poate fi influențat doar de influența directă asupra interiorului nucleului atomic, ceea ce este practic imposibil. Reacția este spontană și depinde doar de atomul în care are loc și de starea sa internă.

Când vorbim despre degradarea radioactivă, termenul „radionuclid” este adesea folosit. Cei care nu sunt familiarizați cu el ar trebui să știe că acest cuvânt se referă la un grup de atomi care au proprietăți radioactive, numărul de masă intrinsec, numărul atomic și starea energetică.

Diferiți radionuclizi sunt utilizați în domenii tehnice, științifice și în alte domenii ale activității umane. De exemplu, în medicină, aceste elemente sunt utilizate în diagnosticarea bolilor, procesarea medicamentelor, instrumentelor și a altor articole. Există chiar și o serie de medicamente de radioterapie terapeutice și prognostice.

La fel de importantă este determinarea izotopului. Acest cuvânt se referă la un tip special de atom. Au același număr atomic ca un element obișnuit, dar un număr de masă diferit. Această diferență este cauzată de numărul de neutroni, care nu afectează sarcina, cum ar fi protonii și electronii, ci modifică masa. De exemplu, hidrogenul simplu are până la 3. Acesta este singurul element ale cărui izotopi au fost denumiți: deuteriu, tritiu (singurul radioactiv) și proțiu. În alte cazuri, denumirile sunt date în funcție de masele atomice și elementul principal.

Dezintegrarea alfa

Acesta este un tip de reacție radioactivă. Caracteristic elementelor naturale din perioadele a șasea și a șaptea din tabelul periodic al elementelor chimice. În special pentru elemente artificiale sau transuraniu.

Elemente supuse dezintegrarii alfa

Metalele care se caracterizează prin această degradare includ toriu, uraniu și alte elemente din perioadele a șasea și a șaptea din tabelul periodic al elementelor chimice, începând de la bismut. Izotopii elementelor grele sunt, de asemenea, supuși procesului.

Ce se întâmplă în timpul reacției?

În timpul dezintegrarii alfa, particulele formate din 2 protoni și o pereche de neutroni încep să fie emise din nucleu. Particula emisă în sine este nucleul unui atom de heliu, cu o masă de 4 unități și o sarcină de +2.

Ca urmare, apare un nou element, care este situat la două celule la stânga celui inițial tabelul periodic. Acest aranjament este determinat de faptul că atomul original a pierdut 2 protoni și, în același timp, încărcătura inițială. Ca urmare, masa izotopului rezultat scade cu 4 unități de masă față de starea inițială.

Exemple

În timpul acestei dezintegrare, toriu se formează din uraniu. Din toriu vine radiul, de la acesta vine radonul, care în cele din urmă dă poloniu și în cele din urmă plumb. În acest proces, se produc izotopi ai acestor elemente, nu ei înșiși. Deci, obținem uraniu-238, toriu-234, radiu-230, radon-236 și așa mai departe, până când apare un element stabil. Formula pentru o astfel de reacție este următoarea:

Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218

Viteza particulei alfa izolate în momentul emisiei variază de la 12 la 20 mii km/sec. Fiind în vid, o astfel de particulă ar înconjura globul în 2 secunde, mișcându-se de-a lungul ecuatorului.

Dezintegrarea beta

Diferența dintre această particulă și un electron este în locul apariției sale. Dezintegrarea beta are loc în nucleul unui atom, nu în învelișul de electroni care îl înconjoară. Cea mai comună dintre toate transformările radioactive existente. Poate fi observată în aproape toate elementele chimice existente în prezent. De aici rezultă că fiecare element are cel puțin un izotop susceptibil de degradare. În cele mai multe cazuri, dezintegrarea beta are ca rezultat descompunerea beta minus.

Progresul de reacție

În timpul acestui proces, un electron este ejectat din nucleu, rezultat din transformarea spontană a unui neutron într-un electron și un proton. În acest caz, protonii, datorită masei lor mai mari, rămân în nucleu, iar electronul, numit particulă beta minus, părăsește atomul. Și deoarece există mai mulți protoni câte unul, nucleul elementului în sine se schimbă în sus și este situat în dreapta celui original în tabelul periodic.

Exemple

Dezintegrarea beta cu potasiu-40 îl transformă în izotopul de calciu, care este situat în dreapta. Calciul radioactiv-47 devine scandiu-47, care poate deveni titan-47 stabil. Cum arată această dezintegrare beta? Formulă:

Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47

Viteza de emisie a unei particule beta este de 0,9 ori viteza luminii, care este de 270 mii km/sec.

Nu există prea mulți nuclizi beta-activi în natură. Există destul de multe semnificative. Un exemplu este potasiul-40, care conține în mod natural doar 119/10.000. De asemenea, radionuclizii activi beta-minus naturali semnificativi sunt produșii descompunerii alfa și beta a uraniului și toriu.

Dezintegrarea beta are exemplu tipic: toriu-234, care, prin dezintegrare alfa, se transformă în protactiniu-234, iar apoi în același mod devine uraniu, dar celălalt izotop al său numărul 234. Acest uraniu-234 din nou, datorită dezintegrarii alfa, devine toriu, dar un alt izotop. un singur soi. Acest toriu-230 devine apoi radiu-226, care se transformă în radon. Și în aceeași secvență, până la taliu, doar cu diferite tranziții beta înapoi. Această degradare beta radioactivă se încheie cu formarea plumbului-206 stabil. Această transformare are următoarea formulă:

Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206

Radionuclizii beta-activi naturali și semnificativi sunt K-40 și elementele taliu la uraniu.

Beta plus dezintegrare

Există și transformare beta plus. Se mai numește și degradarea beta a pozitronilor. În ea, o particulă numită pozitron este emisă din nucleu. Rezultatul este transformarea elementului original în cel din stânga, care are un număr mai mic.

Exemplu

Când are loc dezintegrarea electronului beta, magneziul-23 devine un izotop stabil al sodiului. Europiul-150 radioactiv devine samariu-150.

Reacția de descompunere beta rezultată poate crea emisii beta+ și beta-. Viteza de emisie a particulelor în ambele cazuri este de 0,9 ori viteza luminii.

Alte dezintegrari radioactive

În afară de reacții precum dezintegrarea alfa și dezintegrarea beta, a căror formulă este larg cunoscută, există alte procese, mai rare, care sunt caracteristice radionuclizilor artificiali.

Dezintegrarea neutronilor. Este emisă o particulă neutră de 1 unitate de masă. În timpul acestuia, un izotop se transformă în altul cu un număr de masă mai mic. Un exemplu ar fi conversia litiului-9 în litiu-8, heliului-5 în heliu-4.

Când izotopul stabil iod-127 este iradiat cu raze gamma, acesta devine izotopul numărul 126 și dobândește radioactivitate.

Dezintegrarea protonilor. Este extrem de rar. În timpul acesteia, este emis un proton, având o sarcină de +1 și 1 unitate de masă. Greutatea atomică scade cu o valoare.

Orice transformare radioactivă, în special descompunerile radioactive, este însoțită de eliberarea de energie sub formă de radiații gamma. Ele sunt numite cuante gamma. În unele cazuri, se observă raze X cu energie mai mică.

Este un flux de cuante gamma. Este o radiație electromagnetică, mai dure decât razele X, care este folosită în medicină. Ca urmare, apar cuante gamma sau fluxuri de energie din nucleul atomic. radiații cu raze X este, de asemenea, electromagnetic, dar provine din învelișuri de electroni atom.

Gama de particule alfa

Particulele alfa cu o masă de 4 unități atomice și o sarcină de +2 se mișcă în linie dreaptă. Din acest motiv, putem vorbi despre gama de particule alfa.

Valoarea intervalului depinde de energia inițială și variază de la 3 la 7 (uneori 13) cm în aer. Într-un mediu dens este o sutime de milimetru. O astfel de radiație nu poate pătrunde într-o foaie de hârtie sau în pielea umană.

Datorită propriei sale mase și număr de încărcare, particula alfa are cea mai mare capacitate de ionizare și distruge tot ce se află în cale. În acest sens, radionuclizii alfa sunt cei mai periculoși pentru oameni și animale atunci când sunt expuși organismului.

Puterea de penetrare a particulelor beta

Datorită numărului său de masă mic, care este de 1836 de ori mai mic decât un proton, sarcina negativă și dimensiunea, radiația beta are un efect slab asupra substanței prin care zboară, dar zborul este mai lung. De asemenea, calea particulei nu este liniară. În acest sens, ei vorbesc despre capacitatea de penetrare, care depinde de energia primită.

Capacitatea de penetrare a particulelor beta produse în timpul dezintegrarii radioactive atinge 2,3 m în aer; în lichide, calculul se efectuează în centimetri, iar în solide - în fracțiuni de centimetru. Țesuturile corpului uman transmit radiații la o adâncime de 1,2 cm. Pentru a proteja împotriva radiațiilor beta, poate servi un simplu strat de apă de până la 10 cm Fluxul de particule cu o energie de descompunere destul de mare de 10 MeV este aproape în întregime absorbit de următoarele straturi: aer - 4 m; aluminiu - 2,2 cm; fier de călcat - 7,55 mm; plumb - 5,2 mm.

Având în vedere dimensiunea lor mică, particulele de radiații beta au o capacitate de ionizare scăzută în comparație cu particulele alfa. Cu toate acestea, atunci când sunt ingerate, sunt mult mai periculoase decât în ​​timpul expunerii externe.

Radiațiile neutronice și gama au în prezent cele mai mari rate de penetrare dintre toate tipurile de radiații. Gama acestor radiații în aer ajunge uneori la zeci și sute de metri, dar cu caracteristici ionizante mai mici.

Majoritatea izotopilor razelor gamma nu depășesc 1,3 MeV ca energie. Rareori sunt atinse valori de 6,7 MeV. În acest sens, pentru a proteja împotriva unor astfel de radiații, pentru factorul de atenuare sunt folosite straturi de oțel, beton și plumb.

De exemplu, pentru a atenua radiația gamma de cobalt de zece ori, este necesară o protecție cu plumb cu o grosime de aproximativ 5 cm; pentru o atenuare de 100 de ori, va fi necesară 9,5 cm. Protecția betonului va fi de 33 și 55 cm, iar protecție la apă - 70 și 115. cm.

Proprietățile ionizante ale neutronilor depind de parametrii lor energetici.

În orice situație, cea mai bună metodă de protecție împotriva radiațiilor va fi să stați cât mai departe de sursă și să petreceți cât mai puțin timp posibil într-o zonă cu radiații ridicate.

Fisiunea nucleelor ​​atomice

Prin atomi înțelegem spontan, sau sub influența neutronilor, în două părți, aproximativ egale ca mărime.

Aceste două părți devin izotopi radioactivi ai elementelor din partea principală a tabelului elementelor. Ele pornesc de la cupru la lantanide.

În timpul eliberării, câțiva neutroni în plus scapă și apare un exces de energie sub formă de raze gamma, care este mult mai mare decât în ​​timpul dezintegrarii radioactive. Astfel, în timpul unui act de dezintegrare radioactivă apare o cuante gamma, iar în timpul unui act de fisiune apar 8,10 cuante gamma. De asemenea, fragmentele împrăștiate au energie cinetică mare, care se transformă în indicatori termici.

Neutronii eliberați pot provoca separarea unei perechi de nuclee similare dacă sunt localizați în apropiere și neutronii îi lovesc.

În acest sens, există posibilitatea unei reacții în lanț de ramificare, accelerare a separării nucleelor ​​atomice și crearea unei cantități mari de energie.

Când o astfel de reacție în lanț este sub control, ea poate fi utilizată în anumite scopuri. De exemplu, pentru încălzire sau electricitate. Astfel de procese sunt efectuate în centrale nucleare și reactoare.

Dacă pierzi controlul reacției, va avea loc o explozie atomică. Acesta este ceea ce este folosit în armele nucleare.

În condiții naturale, există un singur element - uraniul, care are un singur izotop fisionabil cu numărul 235. Este de calitate pentru arme.

Într-un reactor nuclear obișnuit cu uraniu, un nou izotop numărul 239 se formează din uraniu-238 sub influența neutronilor și din acesta plutoniu, care este artificial și nu apare în mod natural. În acest caz, plutoniul-239 rezultat este folosit în scopuri de arme. Acest proces de fisiune a nucleelor ​​atomice este esența tuturor armelor și energiei atomice.

Fenomene precum dezintegrarea alfa și dezintegrarea beta, a căror formulă este studiată în școală, sunt larg răspândite în timpul nostru. Datorită acestor reacții, există centrale nucleare și multe alte industrii bazate pe fizica nucleară. Cu toate acestea, nu ar trebui să uităm de radioactivitatea multora dintre aceste elemente. Când lucrați cu acestea, este necesară o protecție specială și respectarea tuturor măsurilor de precauție. În caz contrar, ar putea duce la un dezastru ireparabil.

Structura și proprietățile particulelor și nucleelor ​​atomice au fost studiate de aproximativ o sută de ani în dezintegrare și reacții.
Dezintegrarile reprezintă transformarea spontană a oricărui obiect al fizicii microlumilor (nucleu sau particule) în mai mulți produși de dezintegrare:

Atât descompunerea, cât și reacțiile sunt supuse unui număr de legi de conservare, printre care trebuie menționate, în primul rând, următoarele legi:

În viitor, vor fi discutate și alte legi de conservare care funcționează în dezintegrare și reacții. Legile enumerate mai sus sunt cele mai importante și, ceea ce este deosebit de semnificativ, sunt efectuate în toate tipurile de interacțiuni.(Este posibil ca legea conservării încărcăturii barionice să nu aibă o asemenea universalitate precum legile de conservare 1-4, dar încălcarea ei nu a fost încă descoperită).
Procesele de interacțiuni dintre obiectele microlumii, care se reflectă în dezintegrari și reacții, au caracteristici probabilistice.

Decade

Dezintegrarea spontană a oricărui obiect al fizicii microlumilor (nucleu sau particule) este posibilă dacă masa de repaus a produselor de descompunere este mai mică decât masa particulei primare.

Degradările sunt caracterizate probabilități de dezintegrare , sau probabilitatea inversă a durata medie de viață τ = (1/λ). Cantitatea asociată cu aceste caracteristici este, de asemenea, adesea folosită jumătate de viață T 1/2.
Exemple de carii spontane

;
π 0 → γ + γ;
π + → μ + + ν μ ; 		(2.4) n → p + e − + e ;
μ + → e + + μ + ν e ;
(2.5)

În descompunerea (2.4) există două particule în starea finală. În dezintegrari (2,5) sunt trei.
Obținem ecuația de dezintegrare pentru particule (sau nuclee). Scăderea numărului de particule (sau nuclee) într-un interval de timp este proporțională cu acest interval, cu numărul de particule (sau nuclee) la un moment dat și cu probabilitatea dezintegrarii:

Integrarea (2.6) luând în considerare condițiile inițiale dă relația dintre numărul de particule la momentul t și numărul acelorași particule la momentul inițial t = 0:

Timpul de înjumătățire este timpul în care numărul de particule (sau nuclee) scade la jumătate:

Dezintegrarea spontană a oricărui obiect al fizicii microlumilor (nucleu sau particule) este posibilă dacă masa produselor de descompunere este mai mică decât masa particulei primare. Degradările în două produse și în trei sau mai mulți sunt caracterizate de spectre de energie diferite ale produselor de dezintegrare. În cazul dezintegrarii în două particule, spectrele produselor de dezintegrare sunt discrete. Dacă există mai mult de două particule în starea finală, spectrele produselor sunt continue.

Diferența dintre masele particulei primare și ale produselor de descompunere este distribuită între produșii de descompunere sub forma energiilor lor cinetice.
Legile conservării energiei și impulsului pentru dezintegrare ar trebui scrise în sistemul de coordonate asociat cu particula (sau nucleul) în descompunere. Pentru a simplifica formulele, este convenabil să folosiți sistemul de unități = c = 1, în care energia, masa și impulsul au aceeași dimensiune (MeV). Legile de conservare pentru această degradare:

De aici obținem energiile cinetice ale produselor de dezintegrare

Astfel, în cazul a două particule în stare finală se determină energiile cinetice ale produselor categoric. Acest rezultat nu depinde de dacă produsele de dezintegrare au viteze relativiste sau non-relativiste. Pentru cazul relativist, formulele pentru energiile cinetice par ceva mai complicate decât (2.10), dar soluția ecuațiilor pentru energia și impulsul a două particule este din nou unică. Înseamnă că în cazul dezintegrarii în două particule, spectrele produselor de dezintegrare sunt discrete.
Dacă în starea finală apar trei (sau mai multe) produse, rezolvarea ecuațiilor pentru legile de conservare a energiei și a impulsului nu duce la un rezultat clar. Când, dacă există mai mult de două particule în starea finală, spectrele produselor sunt continue.(În cele ce urmează, folosind exemplul -degradărilor, această situație va fi luată în considerare în detaliu.)
În calcularea energiilor cinetice ale produselor de dezintegrare nucleară, este convenabil să se folosească faptul că numărul de nucleoni A este conservat. (Aceasta este o manifestare legea conservării încărcăturii barionice , deoarece sarcinile barione ale tuturor nucleonilor sunt egale 1).
Să aplicăm formulele obținute (2.11) la -desintegrarea lui 226 Ra (prima dezintegrare din (2.4)).

Diferența de masă dintre radiu și produșii săi de descompunere
ΔM = M(226 Ra) - M(222 Rn) - M(4 He) = Δ(226 Ra) - Δ(222 Rn) - Δ(4 He) = (23,662 - 16,367 - 2,424) MeV = 4,87 MeV. (Aici am folosit tabele cu masele în exces de atomi neutri și relația M = A + pentru mase etc. mase excedentare Δ)
Energiile cinetice ale nucleelor ​​de heliu și radon rezultate din dezintegrarea alfa sunt egale cu:

,
.

Energia cinetică totală eliberată ca urmare a dezintegrarii alfa este mai mică de 5 MeV și este de aproximativ 0,5% din masa de repaus a nucleonului. Raportul dintre energia cinetică eliberată ca urmare a dezintegrarii și energiile de repaus ale particulelor sau nucleelor ​​- criteriu de admisibilitate a utilizării aproximării nerelativiste. În cazul dezintegrarilor alfa ale nucleelor, micimea energiilor cinetice în comparație cu energiile de repaus ne permite să ne limităm la aproximarea nerelativistă în formule (2.9-2.11).

Problema 2.3. Calculați energiile particulelor produse în dezintegrarea mezonului

Dezintegrarea mezonului π + are loc în două particule: π + μ + + ν μ. Masa mezonului π + este de 139,6 MeV, masa muonului μ este de 105,7 MeV. Valoarea exactă a masei neutrinului muon ν μ nu este încă cunoscută, dar s-a stabilit că aceasta nu depășește 0,15 MeV. Într-un calcul aproximativ, îl putem seta egal cu 0, deoarece este cu câteva ordine de mărime mai mic decât diferența dintre masele de pion și muoni. Deoarece diferența dintre masele mezonului π + și produsele sale de descompunere este de 33,8 MeV, pentru neutrini este necesar să se utilizeze formule relativiste pentru relația dintre energie și impuls. În calcule ulterioare, masa scăzută a neutrinului poate fi neglijată, iar neutrinoul poate fi considerat o particulă ultrarelativistă. Legile conservării energiei și a impulsului în dezintegrarea mezonului π +:

m π = m μ + T μ + E ν
|p ν | = | p μ |

E ν = p ν

Un exemplu de dezintegrare a două particule este, de asemenea, emisia unui cuantum în timpul tranziției unui nucleu excitat la un nivel de energie mai scăzut.
În toate descompunerea a două particule analizate mai sus, produsele de descompunere au o valoare energetică „exactă”, adică. spectru discret. Cu toate acestea, o analiză mai profundă a acestei probleme arată că spectrul chiar și al produselor de descompunere a două particule nu este o funcție de energie.

.

Spectrul produșilor de descompunere are o lățime finită Γ, care este mai mare cu cât durata de viață a nucleului sau particulei în descompunere este mai scurtă.

(Această relație este una dintre formulările relației de incertitudine pentru energie și timp).
Exemple de descompunere cu trei corpuri sunt -descompunerea.
Neutronul suferă dezintegrare, transformându-se într-un proton și doi leptoni - un electron și un antineutrin: np + e - + e.
Dezintegrarile beta sunt, de asemenea, experimentate de leptoni înșiși, de exemplu, muonul (durata medie de viață a unui muon
τ = 2,2 ·10 –6 sec):

.

Legile de conservare pentru dezintegrarea muonilor la impulsul maxim al electronilor:
Pentru energia cinetică maximă a electronului de dezintegrare a muonului, obținem ecuația

Energia cinetică a electronului în acest caz este cu două ordine de mărime mai mare decât masa sa în repaus (0,511 MeV). Momentul unui electron relativist coincide practic cu energia lui cinetică, într-adevăr

p = (T 2 + 2mT) 1/2 = )