Ви вже знаєте, що в середині XX в. виникла проблема пошуку нових джерел енергії. У зв'язку з цим увагу вчених привернули термоядерні реакції.

  • Термоядерної називається реакція злиття легких ядер (таких як водень, гелій і ін.), Яка відбувається при температурах від десятків до сотень мільйонів градусів

Створення високої температури необхідно для додання ядер досить великий кінетичної енергії - тільки за цієї умови ядра зможуть подолати сили електричного відштовхування і зблизитися настільки, щоб потрапити в зону дії ядерних сил. На таких малих відстанях сили ядерного тяжіння значно перевершують сили електричного відштовхування, завдяки чому може бути синтез (т. Е. Злиття, об'єднання) ядер.

У § 58 на прикладі урану було показано, що при розподілі важких ядер може виділятися енергія. У випадку з легкими ядрами енергія може виділятися при зворотному процесі - при їх синтезі. Причому реакція синтезу легких ядер енергетично більш вигідна, ніж реакція ділення важких (якщо порівнювати виділилася енергію, що припадає на один нуклон).

Прикладом термоядерної реакції може служити злиття ізотопів водню (дейтерію і тритію), в результаті чого утворюється гелій і випромінюється нейтрон:

Це перша термоядерна реакція, яку вченим вдалося здійснити. Вона була реалізована в термоядерної бомби і носила некерований (вибуховий) характер.

Як вже було зазначено, термоядерні реакції можуть йти з виділенням великої кількості енергії. Але для того щоб цю енергію можна було використовувати в мирних цілях, необхідно навчитися проводити керовані термоядерні реакції. Одна з основних труднощів у здійсненні таких реакцій полягає в тому, щоб утримати всередині установки високотемпературну плазму (майже повністю іонізований газ), в якій і відбувається синтез ядер. Плазма не повинна стикатися зі стінками установки, в якій вона знаходиться, інакше стінки звернуться в пар. В даний час для утримування плазми в обмеженому просторі на відповідній відстані від стінок застосовуються дуже сильні магнітні поля.

Термоядерні реакції відіграють важливу роль в еволюції Всесвіту, зокрема в перетвореннях хімічних речовин в ній.

Завдяки термоядерним реакцій, що протікають в надрах Сонця, виділяється енергія, яка дає життя мешканцям Землі.

Наше Сонце випромінює в простір світло і тепло вже майже 4,6 млрд років. Природно, що в усі часи вчених цікавило питання про те, що є «паливом», за рахунок якого на Сонце виробляється величезна кількість енергії протягом такого тривалого часу.

На цей рахунок існували різні гіпотези. Одна з них полягала в тому, що енергія на Сонце виділяється в результаті хімічної реакції горіння. Але в цьому випадку, як показують розрахунки, Сонце могло б проіснувати всього декілька тисяч років, що суперечить дійсності.

Оригінальна гіпотеза була висунута в середині XIX в. Вона полягала в тому, що збільшення внутрішньої енергії і відповідне підвищення температури Сонця відбувається за рахунок зменшення його потенційної енергії при гравітаційному стисненні. Вона теж виявилася неспроможною, тому що в цьому випадку термін життя Сонця збільшується до мільйонів років, але не до мільярдів.

Припущення про те, що виділення енергії на Сонці відбувається в результаті протікання на ньому термоядерних реакцій, було висловлено в 1939 р американським фізиком Хансом Бете.

Їм же був запропонований так званий водневий цикл, Т. Е. Ланцюжок з трьох термоядерних реакцій, що приводить до утворення гелію з водню:

де - частка, яка називається «нейтрино», що в перекладі з італійської означає «маленький нейтрон».

Щоб вийшли два ядра, необхідні для третьої реакції, перші дві повинні відбутися двічі.

Ви вже знаєте, що відповідно до формули Е \u003d mс 2 зі зменшенням внутрішньої енергії тіла зменшується і його маса.

Щоб уявити, яку колосальну кількість енергії втрачає Сонце в результаті перетворення водню в гелій, досить знати, що маса Сонця щосекунди зменшується на кілька мільйонів тонн. Але, незважаючи на втрати, запасів водню на Сонці повинно вистачити ще на 5-6 мільярдів років.

Такі ж реакції протікають в надрах інших зірок, маса і вік яких можна порівняти з масою і віком Сонця.

питання

  1. Яка реакція називається термоядерної? Наведіть приклад реакції.
  2. Чому протікання термоядерних реакцій можливо тільки при дуже високих температурах?
  3. Яка реакція енергетично більш вигідна (в розрахунку на один нуклон): синтез легких ядер або ділення важких?
  4. У чому полягає одна з основних труднощів при здійсненні термоядерних реакцій?
  5. Яка роль термоядерних реакцій в існуванні життя на Землі?
  6. Що є джерелом енергії Сонця за сучасними уявленнями?
  7. На який період має вистачити запасу водню на Сонці за підрахунками вчених?

Це цікаво ...

Елементарні частинки. античастинки

Частинки, з яких складаються атоми різних речовин - електрон, протон і нейтрон, - назвали елементарними. Слово «елементарний» мало на увазі, що ці частинки є первинними, найпростішими, далі неподільними і незмінними. Але незабаром виявилося, що ці частинки зовсім не є незмінними. Всі вони мають здатність перетворюватися один в одного при взаємодії.

Тому в сучасній фізиці термін «елементарні частинки» зазвичай вживається не в своєму точному значенні, а для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії, які не є атомами або ядрами атомів (виняток становить протон, що представляє собою ядро \u200b\u200bатома водню і в той же час відноситься до елементарних частинок).

В даний час відомо більше 350 різних елементарних частинок. Частинки ці дуже різноманітні за своїми властивостями. Вони можуть відрізнятися один від одного масою, знаком і величиною електричного заряду, Часом життя (т. Е. Часом з моменту утворення частки і до моменту її перетворення в будь-яку іншу частку), проникаючу здатність (т. Е. Здатністю проходити крізь речовину) і іншими характеристиками. Наприклад, більшість частинок є «коротко-живуть» - вони живуть не більше двох мільйонних часток секунди, в той час як середній час життя нейтрона, що знаходиться поза атомного ядра, 15 хв.

Найважливіше відкриття в області дослідження елементарних частинок було зроблено в 1932 р, коли американський фізик Карл Дейвід Андерсон виявив в камері Вільсона, вміщеній в магнітне поле, слід невідомої частинки. За характером цього сліду (по радіусу кривизни, напрямку вигину і ін.) Вчені визначили, що він залишений часткою, яка представляє собою як би електрон з позитивним за знаком електричним зарядом. Цю частку назвали позитроном.

Цікаво, що за рік до експериментального відкриття позитрона його існування було теоретично передбачене англійським фізиком Полем Діраком (існування саме такої частки випливало з виведеного їм рівняння). Більш того, Дірак передбачив так звані процеси анігіляції (зникнення) і народження електрон-позитронної пари. Анігіляція полягає в тому, що електрон і позитрон при зустрічі зникають, перетворюючись в γ-кванти (фотони). А при зіткненні γ-кванта з будь-яким потужним ядром відбувається народження електрон-позитронної пари.

Обидва ці процесу вперше вдалося поспостерігати на досвіді в 1933 р На малюнку 166 показані треки електрона і позитрона, що утворилися в результаті зіткнення γ-кванта з атомом свинцю при проходженні γ-променів крізь свинцеву пластинку. Дослід проводився в камері Вільсона, вміщеній в магнітне поле. Однакова кривизна треків свідчить про однакову масі частинок, а викривлення в різні боки - про протилежних знаках електричного заряду.

Мал. 166. Треки електрон-позитронної пари в магнітному полі

У 1955 р була виявлена \u200b\u200bще одна антічастіца- Антипротон (існування якої теж випливало з теорії Дірака), а дещо пізніше - антинейтрон. Антинейтрон, так само як і нейтрон, не має електричного заряду, але він, безперечно, відноситься до античастинок, оскільки бере участь в процесі анігіляції і народження пари нейтрон-антинейтрон.

Можливість отримання античастинок привела вчених до ідеї про створення антиречовини. Атоми антиречовини мають бути побудовані таким чином: в центрі атома - негативно заряджене ядро, що складається з антипротонів і антинейтронів, а навколо ядра обертаються позитрони. В цілому атом нейтральний. Ця ідея теж отримала блискуче експериментальне підтвердження. У 1969 р на прискорювачі протонів в м Серпухові радянські фізики отримали ядра атомів антигелія.

В даний час експериментально виявлені античастинки майже всіх відомих елементарних частинок.

Підсумки глави. Найголовніше

нижче дані фізичні поняття і явища. Послідовність викладу визначень і формулювань не відповідає послідовності понять і т. П.

Перенесіть в зошит назви понять і в квадратні дужки впишіть порядковий номер визначення (формулювання), яке відповідає даному поняттю.

  • радіоактивність;
  • ядерна (планетарна) модель будови атома;
  • атомне ядро;
  • радіоактивні перетворення атомних ядер ;
  • експериментальні методи вивчення частинок в атомній і ядерній фізиці;
  • ядерні сили;
  • енергія зв'язку ядра;
  • дефект мас атомного ядра;
  • ланцюгова реакція ;
  • ядерний реактор ;
  • екологічні та соціальні проблеми, Що виникають при використанні АЕС;
  • поглинена доза випромінювання.
  1. Реєстрація частинок за допомогою лічильника Гейгера, вивчення і фотографування треків частинок (в тому числі які брали участь в ядерних реакціях) в камері Вільсона і бульбашкового камері.
  2. Сили тяжіння, що діють між нуклонами в ядрах атомів і значно переважаючі сили електростатичного відштовхування між протонами.
  3. Мінімальна енергія, необхідна для розщеплення ядра на окремі нуклони.
  4. Мимовільне випромінювання атомами деяких елементів радіоактивних променів.
  5. Пристрій, призначений для здійснення керованої ядерної реакції.
  6. Складається з нуклонів (т. Е. З протонів і нейтронів).
  7. Радіоактивні відходи, можливість аварій, сприяння поширенню ядерної зброї.
  8. Атом складається з розташованого в його центрі позитивно зарядженого ядра, навколо якого на відстані, значно перевищує розмір ядра, звертаються електрони.
  9. Перетворення одного хімічного елемента в інший при α- або β-розпаді, в результаті якого ядро \u200b\u200bвихідного атома зазнає змін.
  10. Різниця між сумою мас нуклонів, які становлять ядро, і масою цього ядра.
  11. Самопідтримується реакція ділення важких ядер, в якій безперервно відтворюються нейтрони, що ділять все нові і нові ядра.
  12. Енергія іонізуючого випромінювання, поглинена випромінюваним речовиною (зокрема, тканинами організму) і розрахована на одиницю маси.

Перевір себе

Альфа-розпад характерний для природних радіоактивних елементів з великим порядковим номером (тобто з малими енергіями зв'язку). Відомо в основному порядковий номер їх більш 82. Альфа-розпад супроводжується випусканням з ядра нестійкого елемента альфа-частинки, яка представляє собою ядро \u200b\u200bатома гелію Чи не (в його складі 2 протона і 2 нейтрона). Заряд ядра зменшується на 2, масове число - на 4.

Бета-розпад. Ряд природних і штучних радіоактивних ізотопів зазнають розпад з випусканням електронів або позитронів:

а) Електронний бета-розпад. характерний як для природних, так і для штучних радіонуклідів, які мають надлишок нейтронів. При цьому один з нейтронів перетворюється в протон, а ядро \u200b\u200bвипускає електрон і антинейтрино. Заряд ядра і відповідно атомний номер елемента при цьому збільшується на одиницю, а масове число залишається без зміни.

б) Позитронний бета-розпад. Спостерігається у деяких штучних радіоактивних ізотопів, у яких в ядрі є надлишок протонів. При позитронному бета-розпаді один з протонів перетворюється в нейтрон, заряд ядра і відповідно атомний номер зменшується на одиницю, а масове число залишається без змін. Ядро випускає позитрон і нейтрино.

Позитрон, вилетівши з ядра, зриває з оболонки атома «зайвий» електрон або взаємодіє з вільним електроном, утворюючи пару «позитрон-електрон», яка миттєво перетворюється в два гамма-кванта з енергією, еквівалентної масі частинок (е і е). Процес перетворення пари «позитрон-електрон» в два гамма-кванта отримав назву анігіляції (знищення), а виникає електромагнітне випромінювання - анігіляційного. В даному випадку відбувається перетворення однієї форми матерії (часток речовини) в іншу - гамма-фотони;

Ядерна реакція синтезу - процес злиття двох атомних ядер з утворенням нового, більш важкого ядра.

Крім нового ядра, в ході реакції синтезу, як правило, утворюються також різні елементарні частинки і (або) кванти електромагнітного випромінювання.

Ядерна реакція поділу - процес розщеплення атомного ядра на два (рідше три) ядра з близькими масами, званих осколками поділу. В результаті поділу можуть виникати і інші продукти реакції: легкі ядра (в основному, альфа-частинки), нейтрони і гамма-кванти. Розподіл буває спонтанним (мимовільним) і вимушеним (в результаті взаємодії з іншими частинками, перш за все, з нейтронами). Розподіл важких ядер - екзоенергетіческій процес, в результаті якого вивільняється велика кількість енергії у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції, а також випромінювання.

Розподіл ядер служить джерелом енергії в ядерних реакторах і ядерну зброю.

Е. Резенфорд разом з з англійським радіохімік Ф. Содді довів, що радіоактивність супроводжується мимовільним перетворенням одного хімічного елемента в інший.
Причому в результаті радіоактивного випромінювання змін зазнають ядра атомів хімічних елементів.

Ідентифікація ЯДРА атома

ізотопів

Серед радіоактивних елементів були виявлені елементи, невиразні хімічно, але різні за масою. Ці групи елементів були названі "ізотопами" ( "займають одне місце в табл. Менделєєва"). Ядра атомів ізотопів одного і того ж хімічного елемента розрізняються числом нейтронів.

В даний час встановлено, що всі хімічні елементи мають ізотопи.
У природі все без винятку хімічні елементи складаються з суміші декількох ізотопів, тому в таблиці Менделєєва атомні маси виражені дробовими числами.
Ізотопи навіть нерадіоактивних елементів можуть бути радіоактивні.

АЛЬФА - РАСПАД

Альфа-частинка (ядро атома гелію)
- характерний для радіоактивних елементів порядковим номером більше 83
.- обов'язково виконується закон збереження масового і зарядового числа.
- часто супроводжується гамма-випромінюванням.

Реакція альфа-розпаду:

При альфа-розпаді одного хімічного елемента утворюється інший хімічний елемент, який в таблиці Менделєєва розташований на 2 клітини ближче до її початку, ніж вихідний

Фізичний сенс реакції:

В результаті вильоту альфа-частинки заряд ядра зменшується на 2 елементарних заряду і утворюється новий хімічний елемент.

Правило зміщення:

При бета-розпаді одного хімічного елемента утворюється інший елемент, який розташований в таблиці Менделєєва в наступній клітці за вихідним (на одну клітку ближче до кінця таблиці).

БЕТА - РАСПАД

Бета-частинки (електрон).
- часто супроводжується гамма-випромінюванням.
- може супроводжуватися утворенням антинейтрино (легких електрично нейтральних частинок, що володіють великою проникаючою здатністю).
- обяеательно повинен виконуватися закон збереження масового і зарядового числа.

Реакція бета-розпаду:

Фізичний сенс реакції:

Нейтрон в ядрі атома може перетворюватися в протон, електрон і антинейтрино, в результаті ядро \u200b\u200bвипромінює електрон.

Правило зміщення:

ДЛЯ ТИХ, ХТО ЩЕ НЕ ВТОМИВСЯ

Пропоную написати реакції розпаду і здати роботу.
(Складіть ланцюжок перетворень)

1. Ядро якого хімічного елемента є продуктом одного альфа-розпаду
і двох бета-розпадів ядра даного елемента?

Альфа і бета-випромінювання в загальному випадку називаються радіоактивними розпадами. Це процес, який представляє собою випускання з ядра, що відбувається з величезною швидкістю. В результаті атом або його ізотоп може перетворитися з одного хімічного елемента в інший. Альфа і бета-розпади ядер характерні для нестабільних елементів. До них відносяться всі атоми з зарядовим числом більше 83 і масовим числом, що перевищує 209.

Умови виникнення реакції

Розпад, подібно до інших радіоактивним перетворенням, буває природним і штучним. Останній відбувається через потрапляння в ядро \u200b\u200bбудь-якої сторонньої частки. Скільки альфа і бета-розпаду здатний зазнати атом - залежить лише від того, як скоро буде досягнуто стабільного стану.

При природних обставин зустрічається альфа і бета-мінус розпади.

При штучних умовах присутній нейтронний, позитронний, протонний і інші, більш рідкісні різновиди розпадів і перетворень ядер.

Дані назви дав займався вивченням радіоактивного випромінювання.

Різниця між стабільним і нестабільним ядром

Здатність до розпаду безпосередньо залежить від стану атома. Так зване "стабільний" або нерадіоактивні ядро \u200b\u200bвластиво нераспадающіхся атомам. В теорії спостереження за такими елементами можна вести до нескінченності, щоб остаточно переконатися в їх стабільності. Потрібно це для того, щоб відокремити такі ядра від нестабільних, які мають вкрай довгий період напіврозпаду.

Помилково такий "уповільнений" атом можна прийняти за стабільний. Однак яскравим прикладом може стати телур, а конкретніше, його ізотоп з номером 128, який має в 2,2 × 10 24 років. Цей випадок не поодинокий. Лантан-138 схильний напіврозпаду, термін якого становить 10 11 років. Цей термін в тридцять разів перевищує вік існуючої всесвіту.

Суть радіоактивного розпаду

Даний процес відбувається довільно. Кожен розпадається радіонуклід набуває швидкість, яка є константою для кожного випадку. Швидкість розпаду не може змінитися під впливом зовнішніх факторів. Неважливо, буде відбуватися реакція під впливом величезної гравітаційної сили, При абсолютному нулі, в електричному і магнітному полі, під час будь-якої хімічної реакції та інше. Вплинути на процес можна тільки прямим впливом на внутрішність атомного ядра, що практично неможливо. Реакція спонтанна і залежить лише від атома, в якому протікає, і його внутрішнього стану.

При згадці радіоактивних розпадів часто зустрічається термін "радіонуклід". Тим, хто не знайомий з ним, слід знати, що дане слово позначає групу атомів, які мають радіоактивні властивості, Власне масове число, атомний номер і енергетичний статус.

Різні радіонукліди застосовуються в технічних, наукових та інших сферах життєдіяльності людини. Наприклад, в медицині дані елементи використовуються при діагностуванні захворювань, обробці ліків, інструментів та інших предметів. Є навіть ряд лікувальних та прогностичних радіопрепарати.

Не менш важливим є і визначення ізотопу. Цим словом називають особливий різновид атомів. Вони мають однаковий атомний номер, як у звичайного елемента, однак відмінне масове число. Викликано це відмінність кількістю нейтронів, які не впливають на заряд, як протони і електрони, але змінюють масу. Наприклад, у простого водню їх є цілих 3. Це єдиний елемент, ізотопів якого були присвоєні назви: дейтерій, тритій (єдиний радіоактивний) і проти. В інших випадках імена даються відповідно до атомними масами і основним елементом.

Альфа-розпад

Це вид радіоактивної реакції. Характерний для природних елементів з шостого і сьомого періоду таблиці хімічних елементів Менделєєва. Особливо для штучних або трансуранових елементів.

Елементи, схильні до альфа-розпаду

У число металів, для яких характерний даний розпад, відносять торій, уран і інші елементи шостого і сьомого періоду з періодичної таблиці хімічних елементів, вважаючи від вісмуту. Також процесу піддаються ізотопи з числа важких елементів.

Що відбувається під час реакції?

При альфа-розпаді починається випускання з ядра частинок, що складаються з 2 протонів і пари нейтронів. Сама виділяється частка є ядром атома гелію, з масою 4 одиниці і зарядом +2.

В результаті з'являється новий елемент, який розташований на дві клітини лівіше вихідного в періодичній таблиці. Таке розташування визначається тим, що вихідний атом втратив 2 протона і разом з цим - початковий заряд. В результаті маса виник ізотопу на 4 масові одиниці зменшується в порівнянні з початковим станом.

приклади

Під час такого розпаду з урану утворюється торій. З торію з'являється радій, з нього - радон, який в підсумку дає полоній, і в кінці - свинець. При цьому в процесі виникають ізотопи цих елементів, а не вони самі. Так, виходить уран-238, торій-234, радій-230, радон-236 і далі, аж до виникнення стабільного елемента. Формула такої реакції виглядає наступним чином:

Th-234 -\u003e Ra-230 -\u003e Rn-226 -\u003e Po-222 -\u003e Pb-218

Швидкість виділеної альфа-частинки в момент випускання становить від 12 до 20 тис. Км / сек. Перебуваючи в вакуумі, така частка обігнула б земну кулю за 2 секунди, рухаючись по екватору.

Бета-розпад

Відмінність цієї частки від електрона - в місці появи. Розпад бета виникає в ядрі атома, а не електронною оболонці, що оточує її. Найчастіше зустрічається з усіх існуючих радіоактивних перетворень. Його можна спостерігати практично у всіх існуючих в даний час хімічних елементів. З цього випливає, що у кожного елемента є хоча б один схильний до розпаду ізотоп. У більшості випадків в результаті бета-распадапроісходіт бета-мінус розкладання.

перебіг реакції

При цьому процесі відбувається викидання з ядра електрона, що виник через самовільне перетворення нейтрона в електрон і протон. При цьому протони за рахунок більшої маси залишаються в ядрі, а електрон, званий бета-мінус часткою, залишає атом. І оскільки протонів стало більше на одиницю, ядро \u200b\u200bсамого елемента змінюється в більшу сторону і розташовується праворуч від вихідного в періодичній таблиці.

приклади

Розпад бета з калієм-40 перетворює його в ізотоп кальцію, який розташований праворуч. Радіоактивний кальцій-47 стає скандієм-47, який може перетворитися на стабільний титан-47. Як виглядає такою бета-розпад? Формула:

Ca-47 -\u003e Sc-47 -\u003e Ti-47

Швидкість вильоту бета-частинки становить 0,9 від швидкості світла, яка дорівнює 270 тис. Км / сек.

У природі бета-активних нуклідів не надто багато. Значущих з них досить мало. Прикладом може послужити калій-40, якого в природному суміші міститься лише 119/10000. Також природними бета-мінус-активними радіонуклідами з числа значущих є продукти альфа і бета-розпад урану і торію.

Розпад бета має типовий приклад: Торій-234, який при альфа-розпаді перетворюється в протактиний-234, а потім таким же чином стає ураном, але іншим його ізотопом під номером 234. Цей уран-234 знову через альфа-розпаду стає торием, але вже інший його різновидом. Потім цей торій-230 стає радієм-226, який перетворюється в радон. І в тій же послідовності, аж до талію, лише з різними бета-переходами назад. Закінчується цей радіоактивний бета-розпад виникненням стабільного свинцю-206. Це перетворення має наступну формулу:

Th-234 -\u003e Pa-234 -\u003e U-234 -\u003e Th-230 -\u003e Ra-226 -\u003e Rn-222 -\u003e At-218 -\u003e Po-214 -\u003e Bi-210 -\u003e Pb-206

Природними і значущими бета-активними радіонуклідами є К-40 і елементи від талію до урану.

Розпад бета-плюс

Також існує бета-плюс перетворення. Воно також називається позитронний бета-розпад. У ньому відбувається випускання з ядра частки під назвою позитрон. Результатом стає перетворення вихідного елемента в стоїть зліва, який має менший номер.

приклад

Коли відбувається електронний бета-розпад, магній-23 стає стабільним ізотопом натрію. Радіоактивний європій-150 стає самарием-150.

Виникла реакція бета-розпаду може створити бета + і бета- випромінювання. Швидкість вильоту частинок в обох випадках дорівнює 0,9 від швидкості світла.

Інші радіоактивні розпади

Крім таких реакцій, як альфа-розпад і бета-розпад, формула яких широко відома, існують і інші, більш рідкісні і характерні для штучних радіонуклідів процеси.

нейтронний розпад. Відбувається випускання нейтральної частинки 1 одиниці маси. Під час нього один ізотоп перетворюється в інший з меншим масовим числом. Прикладом може стати перетворення літію-9 в літій-8, гелію-5 в гелій-4.

При опроміненні гамма-квантами стабільного ізотопу йоду-127 він стає ізотопом з номером 126 і набуває радіоактивність.

протонний розпад. Зустрічається вкрай рідко. Під час нього відбувається випускання протона, що має заряд +1 і 1 одиницю маси. Атомний вагу стає менше на одне значення.

Будь-яке радіоактивне перетворення, зокрема, радіоактивні розпади, супроводжуються виділенням енергії у формі гамма-випромінювання. Його називають гамма-квантами. У деяких випадках спостерігається рентгенівське випромінювання, що має меншу енергію.

Являє собою потік гамма-квантів. Є електромагнітним випромінюванням, більш жорстким, ніж рентгенівське, яке застосовується в медицині. В результаті з'являються гамма-кванти, або потоки енергії з атомного ядра. Рентгенівське випромінювання також є електромагнітним, але виникає з електронних оболонок атома.

Пробіг альфа-частинок

Альфа-частинки з масою від 4 атомних одиниць і зарядом +2 рухаються прямолінійно. Через це можна говорити про пробіг альфа-частинок.

Значення пробігу залежить від початкової енергії і коливається від 3 до 7 (іноді 13) см в повітрі. У щільному середовищі становить соту частку від міліметра. Подібне випромінювання не може пробити аркуш паперу і людську шкіру.

Через власну маси і зарядового числа альфа-частинки має найбільшу іонізуючу здатність і руйнує все на шляху. У зв'язку з цим альфа-радіонукліди найбільш небезпечні для людей і тварин при впливі на організм.

Проникаюча здатність бета-частинок

У зв'язку з малим масовим числом, яке в 1836 разів менше протона, негативним зарядом і розміром, бета-випромінювання має слабку дію на речовину, через яке пролітає, але при тому політ довше. Також шлях частки не прямолінійний. У зв'язку з цим говорять про проникаючої здатності, яка залежить від отриманої енергії.

Проникаючі здібності у бета-частинок, що виникли під час радіоактивного розпаду, в повітрі досягають 2,3 м, в рідинах підрахунок ведеться в сантиметрах, а в твердих тілах - в частках від сантиметра. Тканини організму людини пропускають випромінювання на 1,2 см в глибину. Для захисту від бета-випромінювання може послужити простий шар води до 10 см. Потік частинок з досить великою енергією розпаду в 10 МеВ майже весь поглинається такими шарами: повітря - 4 м; алюміній - 2,2 см; залізо - 7,55 мм; свинець - 5,2 мм.

З огляду на малі розміри, частки бета-випромінювання мають малу іонізуючу здатність у порівнянні з альфа-частками. Однак при попаданні всередину вони набагато небезпечніше, ніж під час зовнішнього опромінення.

Найбільші проникаючі показники серед усіх видів випромінювань в даний час має нейтронне і гамма. Пробіг цих випромінювань в повітрі іноді досягає десятків і сотень метрів, але з меншими іонізуючими показниками.

Більшість ізотопів гамма-квантів по енергії не перевищують показників в 1,3 МеВ. Зрідка досягаються значення в 6,7 МеВ. У зв'язку з цим для захисту від такого випромінювання використовуються шари зі сталі, бетону і свинцю для кратності ослаблення.

Наприклад, щоб десятикратно послабити гамма-випромінювання кобальту, необхідний свинцевий захист товщиною близько 5 см, для 100-кратного ослаблення буде потрібно 9,5 см. Бетонна захист складе 33 і 55 см, а водна - 70 і 115 см.

Іонізуючі показники нейтронів залежать від їх енергетичних показників.

При будь-якій ситуації найкращим захисним методом від випромінювання стане максимальне віддалення від джерела і якомога менше часу в зоні високої радіації.

Розподіл ядер атомів

Під атомів мається на увазі мимовільне, або під впливом нейтронів, на дві частини, приблизно рівні за розмірами.

Ці дві частини стають радіоактивними ізотопами елементів з основної частини таблиці хімічних елементів. Починаються від міді до лантаноїдів.

Під час виділення виривається пара зайвих нейтронів і виникає надлишок енергії у формі гамма-квантів, який набагато більше, ніж при радіоактивному розпаді. Так, при одному акті радіоактивного розпаду виникає один гамма-квант, а під час акту поділу з'являється 8,10 гамма-квантів. Також розлетілися осколки мають велику кінетичну енергію, що переходила в теплові показники.

Вивільнені нейтрони здатні спровокувати поділ пари аналогічних ядер, якщо вони розташовані поблизу і нейтрони в них потрапили.

У зв'язку з цим виникає ймовірність виникнення розгалужується, що прискорюється ланцюгової реакції поділу атомних ядер і створення великої кількості енергії.

Коли така ланцюгова реакція знаходиться під контролем, то її можна використовувати в певних цілях. Наприклад, для опалення або електроенергії. Такі процеси проводяться на атомних електростанціях і реакторах.

Якщо втратити контроль над реакцією, то трапиться атомний вибух. Подібне застосовується в ядерній зброї.

У природних умовах є тільки один елемент - уран, який має лише один ділиться ізотоп з номером 235. Він є збройовим.

У звичайному урановому атомному реакторі з урану-238 під впливом нейтронів утворюють новий ізотоп під номером 239, а з нього - плутоній, який є штучним і не зустрічається в природних умовах. При цьому виник плутоній-239 застосовується в збройових цілях. Цей процес ділення атомних ядер є суттю всього атомної зброї і енергетики.

Такі явища, як альфа-розпад і бета-розпад, формула яких вивчається в школі, широко розповсюджені в наш час. Завдяки даним реакцій, існують атомні електростанції і багато інших виробництва, засновані на ядерній фізиці. Однак не варто забувати про радіоактивність багатьох таких елементів. При роботі з ними потрібно спеціальний захист і дотримання всіх запобіжних заходів. В іншому випадку це може привести до непоправної катастрофи.

Структура і властивості частинок і атомних ядер досліджуються вже близько ста років в розпаді і реакціях.
Розпади є спонтанне перетворення будь-якого об'єкта фізики мікросвіту (ядра або частинки) в кілька продуктів розпаду:

Як розпади, так і реакції підкоряються ряду законів збереження, серед яких повинні бути згадані, по-перше, такі закони:

Надалі будуть обговорюватися і інші закони збереження, що діють в розпаді і реакціях. Перераховані вище закони є найважливішими і, що особливо істотно, виконуються у всіх типах взаємодій. (Можливо, що закон збереження баріонів заряду не володіє такою універсальністю, як закони збереження 1-4, проте поки не виявлено його порушення).
Процеси взаємодій об'єктів мікросвіту, відображенням яких є розпади і реакції, мають імовірнісні характерстікі.

розпади

Спонтанний розпад будь-якого об'єкта фізики мікросвіту (ядра або частинки) можливий в тому випадку, якщо маса спокою продуктів розпаду менше маси первинної частки.

розпади характеризуються можливостями розпаду , Або зворотного ймовірності величиною середнього часу життя τ \u003d (1 / λ). Часто використовується також пов'язана з цими характеристиками величина періоду напіврозпаду Т 1/2.
Приклади спонтанних розпадів

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

У розпаді (2.4) в кінцевому стані - дві частинки. У розпаді (2.5) - три.
Отримаємо рівняння розпаду для частинок (або ядер). Спад числа частинок (або ядер) за інтервал часу пропорційна цього інтервалу, числа частинок (ядер) в даний момент часу і ймовірності розпаду:

Інтегрування (2.6) з урахуванням початкових умов дає для зв'язку числа частинок в момент часу t з числом цих же частинок в початковий момент часу t \u003d 0:

Періодом напіврозпаду називається час, за яке число часток (або ядер) зменшиться вдвічі:

Спонтанний розпад будь-якого об'єкта фізики мікросвіту (ядра або частинки) можливий в тому випадку, якщо маса продуктів розпаду менше маси первинної частки. Розпади на два продукти і на три або більше характеризуються різними енергетичними спектрами продуктів розпаду. У разі розпаду на дві частки спектри продуктів розпаду - дискретні. У разі, якщо частинок в кінцевому стані більше двох, спектри продуктів мають безперервний характер.

Різниця мас первинної частки і продуктів розпаду розподіляється серед продуктів розпаду в вигляді їх кінетичних енергій.
Закони збереження енергії і імпульсу для розпаду слід записувати в системі координат, пов'язаної з розпадається часткою (або ядром). Для спрощення формул зручно використовувати систему одиниць \u003d c \u003d 1, в якій енергія, маса і імпульс мають одну і ту ж розмірність (МеВ). Закони збереження для даного розпаду:

Звідси отримуємо для кінетичних енергій продуктів розпаду

Таким чином, в разі двох частинок в кінцевому стані кінетичні енергії продуктів визначені однозначно. Цей результат не залежить від того, релятивістські або нерелятивістському швидкості мають продукти розпаду. Для релятивістського випадку формули для кінетичних енергій виглядають дещо складніше, ніж (2.10), але рішення рівнянь для енергії і імпульсу двох частинок знову-таки є єдиним. Це означає, що в разі розпаду на дві частки спектри продуктів розпаду - дискретні.
Якщо в кінцевому стані виникає три (або більше) продуктів, рішення рівнянь для законів збереження енергії та імпульсу не призводить до однозначного результату. В разі, якщо частинок в кінцевому стані більше двох, спектри продуктів мають безперервний характер. (Надалі на прикладі розпадів ця ситуація буде розглянута детально.)
У розрахунках кінетичних енергій продуктів розпаду ядер зручно скористатися тим фактом, що число нуклонів А зберігається. (Це прояв закону збереження баріонів заряду , Оскільки баріонів заряди всіх нуклонів рівні 1).
Застосуємо отримані формули (2.11) до -распаду 226 Ra (перший розпад в (2.4)).

Різниця мас радію і продуктів його розпаду
ΔM \u003d M (226 Ra) - M (222 Rn) - M (4 He) \u003d Δ (226 Ra) - Δ (222 Rn) - Δ (4 He) \u003d (23.662 - 16.367 - 2.424) МеВ \u003d 4.87 МеВ. (Тут були використані таблиці надлишків мас нейтральних атомів і співвідношення M \u003d A + для мас і т.зв. надлишків мас Δ)
Кінетичні енергії ядер гелію і радону, що виникли в результаті альфа-розпаду, рівні:

,
.

Сумарна кінетична енергія, що виділилася в результаті альфа-розпаду, менше 5 МеВ і становить близько 0.5% від маси спокою нуклона. Співвідношення виділилася в результаті розпаду кінетичної енергії і енергій спокою частинок або ядер - критерій допустимості застосування нерелятівістского наближення. У разі альфа-розпадів ядер трохи кінетичних енергій в порівнянні з енергіями спокою дозволяє обмежитися нерелятивістським наближенням в формулах (2.9-2.11).

Завдання 2.3. Розрахувати енергії частинок, які народжуються в розпаді мезона

Розпад π + мезона відбувається на дві частки: π + μ + + ν μ. Маса π + мезона дорівнює 139,6 МеВ, маса мюона μ дорівнює 105,7 МеВ. Точне значення маси мюонного нейтрино ν μ поки невідомо, але встановлено, що вона не перевищує 0.15 МеВ. У наближеному розрахунку можна покласти її рівною 0, оскільки вона на кілька порядків нижче різниці мас півонії і мюона. Так як різниця мас π + мезона і продуктів його розпаду дорівнює 33.8 МеВ, для нейтрино необхідно використовувати релятивістські формули зв'язку енергії і імпульсу. В подальшому розрахунку малою масою нейтрино можна знехтувати і вважати нейтрино ультрарелятивістською часткою. Закони збереження енергії і імпульсу в розпаді π + мезона:

m π \u003d m μ + T μ + E ν
| P ν | \u003d | p μ |

E ν \u003d p ν

Прикладом двочасткові розпаду є також випромінювання -кванта при переході порушеної ядра на нижчий енергетичний рівень.
У всіх двочасткові розпаді, проаналізованих вище, продукти розпаду мають «точне» значення енергії, тобто дискретний спектр. Однак більш глибоке розгляд цієї проблеми показує, що спектр навіть продуктів двочасткові розпадів не є -функцією енергії.

.

Спектр продуктів розпаду має кінцеву ширину Г, яка тим більше, чим менше час життя розпадається ядра або частинки.

(Це співвідношення є однією з формулювань співвідношення невизначеностей для енергії і часу).
Прикладами трехчастічних розпадів є розпад.
Нейтрон відчуває розпад, перетворюючись в протон і два лептона - електрон і антинейтрино: np + e - + e.
Бета-розпади зазнають і самі лептони, наприклад, мюон (середній час життя мюона
τ \u003d 2.2 · 10 -6 сек):

.

Закони збереження для розпаду мюона при максимальному імпульсі електрона:
Для максимальної кінетичної енергії електрона розпаду мюона отримаємо рівняння

Кінетична енергія електрона в цьому випадку на два порядки вище, ніж його маси спокою (0.511 МеВ). Імпульс релятивистского електрона практично збігається з його кінетичної енергією, дійсно

p \u003d (T 2 + 2mT) 1/2 \u003d)