Радиоактивность. 
Ядерные силы. 
Энергия связи ядер. 
Реакции деления ядер. 
Термоядерный синтез. 
Радиоактивность. К-захват. 
Электронный бета-распад. 
Позитронный бета+-распад

Способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц называют радиоактивностью.

Естественная радиоактивность открыта Беккерелем в 1896 г. Существует около 300 природных радиоактивных ядер. Искусственная радиоактивность впервые наблюдалась в 1934 г Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Искусственно радиоактивных ядер открыто около 2000. Искусственная радиоактивность позволила открыть ±распад, К-захват и существование запаздывающих нейтронов.

К радиоактивным превращения относятся: -распад, -распад (с испусканием электронараспад, с испусканием позитрона ±распад) и К-захват — захват ядром орбитального электрона), спонтанное деление атомных ядер, протонный и двухпротонный распады и др.

В случаераспада большое время жизни ядер обусловлено природой слабого взаимодействия, ответственного за этот распад. Остальные виды радиоактивных процессов вызваны сильным взаимодействием. Замедление таких процессов связывают с наличием потенциальных барьеров, затрудняющих вылет частиц из ядра.

Радиоактивность часто сопровождаетсяизлучением, возникающим в результате переходов между различными квантовыми состояниями одного и того же ядра.

Существует четыре природных радиоактивных ряда (семейств):, ,,. Радиоактивный ряд приведен на рис. 9.6.

Внешние условия (давление, температура, химические реакции и пр.) на ход радиоактивных превращений не оказывают никакого влияния, так как все процессы совершаются внутри ядер.

Закон радиоактивного распада. По своей природе радиоактивность не отличается от распада составных ядер и представляет собой частный случай ядерных реакций. Состав радиоактивных ядер постоянно расширяется. К радиоактивным относятся все ядра с временем жизни от 109 с до 1022 с. Как всякий квантовый процесс, радиоактивность — явление статистическое и характеризуется вероятностью протекания в единицу времени, т. е. постоянной распада .

Если взять большое число N радиоактивных ядер, то за единицу времени из них распадается в среднем N ядер. Это произведение характеризует интенсивность излучения радиоактивного вещества, содержащего N радиоактивных ядер, и называют активностью, т. е., где — начальная активность. В СИ единицей активности является распад в секунду (расп/с). Используется также внесистемные единицы: кюри (Ки) — 1 Ки 3,71 010 расп/с и резерфорд (Рд) — 1 Рд 106 расп/с.

Пусть в момент времени t число радиоактивных ядер N. По определению активности и с учетом убыли ядер при распаде, имеем.

. (3).

Решением этого дифференциального уравнения является функция вида.

(4).

где — число радиоактивных ядер в момент времени t0 (рис. 9.6). Формулу (4) называют законом радиоактивного распада.

Найдем период полураспада и среднее время жизни радиоактивного ядра. Величину определяют как время, за которое число радиоактивных ядер уменьшается вдвое, т. е.

.

Следовательно,.

. (5).

Согласно (4) и (5) количество ядер, распавшихся за промежуток времени от t до tdt, равно или .

Поэтому время жизни ядра.

.

После интегрирования.

. (6).

Используя (5) и (6), имеем.

. (7).

Статистический закон радиоактивного распада при наличии большого числа радиоактивных атомов практически абсолютно точный закон. На его принципе работают «атомные часы», служащие, например, в геологии и археологии, для измерения возраста горных пород и предметов деятельности древнего человека.

«Атомными часами», например, для определения возраста Земли могут служить долгоживущие ядра (период полураспада 4,56 109 лет) и (период полураспада 14 109 лет). В настоящее время такой метод дает для возраста Земли 4,5109 лет.

— распад. Испускание радиоактивным ядромчастицы (ядро изотопа гелия) называютраспадом. Массачастицы m6,6 441 027 кг. Содержит два протона и два нейтрона. Спин и магнитный моментчастицы равны нулю. Энергия связи Eсв28,11 МэВ. Опытным путем установлено, чточастицы испускаются только тяжелыми ядрами с Z 82.

Прираспаде массовое число, А радиоактивного ядра уменьшается на четыре единицы, а заряд Z — на две (правило Содди и Фаянса).

(8).

где — исходное (материнское) радиоактивное ядро; - новое (дочернее) радиоактивное ядро. Энергия, выделяющаяся прираспаде.

(9).

где и — массы материнского и дочернего ядер, — массачастицы.

Энергетическое условие возможностираспада заключается в том, чтобы энергия связи (-Q) -частицы относительно материнского ядра была отрицательна. Время жизнирадиоактивных ядер лежит в пределах от 3107 с (например,) до 1017 лет (например,). Кинетическая энергия вылетевших из ядрачастиц изменяется от 1,83 МэВ до 11,65 Мэв. Пробегчастиц с типичной кинетической энергией Ek6 МэВ составляет в воздухе 5 см, а в алюминии — 0,05 мм.

Спектр излучениячастиц — линейчатый, представляет собой моноэнергетические линии, соответствующие переходам на различные энергетические уровни дочернего ядра. Вероятностьраспада и ее зависимость от энергиичастицы и заряда ядра, определяется кулоновским барьером.

Теорияраспада предложена Гамовым (1927 г), в которой рассматривается движениечастицы в потенциальном ящике с барьером (рис. 9.7, пунктирная линия). Так как, энергиячастиц составляет 4,76−10 МэВ, а высота кулоновского барьера 25−30 МэВ, то вылетчастиц из ядра может происходить только за счет туннельного эффекта. Вероятность этого процесса определяется проницаемостью барьера. Если потенциальная энергия барьера больше полной энергии E вылетачастицы (Ep E), то говорят о подбарьерном прохождении. Если потенциальная энергия барьера меньше полной энергии вылетачастицы (Ep < E), то говорят о надбарьерном прохождении. Следовательно, -распад — подбарьерное прохождениичастицы. Внутри барьера деление полной энергии на кинетическую и потенциальную лишено смысла. Далеко за пределами ядра движениечастицы классическое, а вся ее энергия — кинетическая.

Есличастиц вылетает из ядра, имея орбитальный момент импульса (), то перейдя в систему отсчета, вращающуюся вместе с частицей, необходимо добавить к кулоновской потенциальной энергии Eкул, центробежную потенциальную энергию.

.

где (L — орбитальный момент импульса). Центробежный барьер создается центробежной силой, а она стремится удалитьчастицу от ядра, т. е. эта сила должна способствоватьраспаду, что было бы верно, если бы происходил надбарьерный процесс. Однакораспад является подбарьерным процессом. Поэтому центробежная сила повышает потенциальный барьер и увеличивает его ширину, она уменьшает постоянную распада и увеличивает период полураспада.

Современный подход к описаниюраспада опирается на методы, используемые в квантовой теории ядерных реакций. Анализ экспериментальных данных показывает, чточастицы не существуют в ядре все время, а с некоторой вероятностью образуются на его поверхности перед вылетом.

Корпускулярные свойствачастиц проявляются вне ядра. Внутри ядра они проявляют волновые свойства, совершая колебания с 41 020 с1 (1014 м, v106 м/с). Внутри ядра, наталкиваясь на стенки потенциального барьера волнычастиц испытывают «полное внутреннее отражение», но иногда проникают сквозь барьер. Чем больше энергиячастицы в ядре, тем больше вероятность, что она покинет ядро.

Период полураспада ядер определяется в основном энергиейчастиц. Чем больше эта энергия, тем меньше ширина потенциального барьера, который ей необходимо преодолеть, тем больше вероятность просочиться сквозь него и тем меньше период полураспада. Например, для, E4,2 МэВ, 4,5109 лет; для полония, E6 МэВ, 3 мин.

Время и место распада радиоактивных ядер являются случайными. Ядро — микрообъект, подчиняющийся законам квантовой механики, в которой действуют вероятностные законы. Момент распада предсказать невозможно.