2 альфа распада

Торий-232

Торий-232
Название, символ Торий-232, 232Th
Альтернативные названия То́рий, Th
Нейтронов 142
Свойства нуклида
Атомная масса 232,0380553(21) а. е. м.
Дефект массы 35 448,3(20) кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон) 7615,026(9) кэВ
Изотопная распространённость 100 %
Период полураспада 1,405(6)⋅1010 лет
Продукты распада 228Ra
Родительские изотопы 232Ac (β−)
232Pa (β+)
236U (α)
Спин и чётность ядра 0+
Канал распада Энергия распада
α-распад 4,0816(14) МэВ
Спонтанное деление
Кластерный распад (с испусканием 24Ne, 26Ne)
ββ (предсказан теоретически, экспериментально не обнаружен) 0,8376(22) МэВ
Таблица нуклидов

То́рий-232 — природный радиоактивный нуклид химического элемента тория с атомным номером 90 и массовым числом 232. Изотопная распространённость тория-232 составляет практически 100 %. Является наиболее долгоживущим изотопом тория (232Th альфа-радиоактивен с периодом полураспада 1,405⋅1010 лет (14,05 млрд лет), что в три раза превышает возраст Земли и чуть больше нынешнего возраста Вселенной (13,8 млрд лет). Родоначальник радиоактивного семейства тория. Этот радиоактивный ряд заканчивается образованием стабильного нуклида свинец-208. Остальная часть ряда короткоживущая; наибольший период полураспада в 5,75 года у радия-228 и 1,91 года у тория-228, а у всех остальных периоды полураспада в общей сложности составляют менее 5 дней.

Активность одного грамма этого нуклида составляет 4070 Бк.

Образование и распад

Торий-232 образуется в результате следующих распадов:

  • β−-распад нуклида 232Ac (период полураспада составляет 119(5) c, энергия бета-перехода 3,7(1) МэВ):

89 232 A c → 90 232 T h + e − + ν ¯ e ; {\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 89}Ac} \rightarrow \mathrm {^{232}_{\ 90}Th} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}

  • электронный захват, осуществляемый нуклидом 232Pa (период полураспада составляет 1,31(2) суток, полная энергия бета-перехода 495(8) кэВ):

91 232 P a + e − → 90 232 T h + ν ¯ e ; {\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 91}Pa} +e^{-}\rightarrow \mathrm {^{232}_{\ 90}Th} +{\bar {\nu }}_{e};} (при этом распад 232
91Pa осуществляется только на первый возбуждённый уровень 232
90Th с энергией 49,369(9) кэВ, спином 2 и чётностью +1; этот уровень с периодом полураспада 345(15) пс распадается в основное состояние тория-232, испуская одиночный гамма-квант. Вероятность распада протактиния-232 в торий-232 составляет только 0,003(1) процента);

  • α-распад нуклида 236U (период полураспада составляет 2,342(3)⋅107 лет):

92 236 U → 90 232 T h + 2 4 H e {\displaystyle \mathrm {^{236}_{\ 92}U} \rightarrow \mathrm {^{232}_{\ 90}Th} +\mathrm {^{4}_{2}He} } (при этом переход с вероятностью 73,8% осуществляется на основной уровень (0+) тория-232, с вероятностью 25,9% на первый возбуждённый уровень (2+, 49,369(9) кэВ) и с вероятностью 0,26% на второй возбуждённый уровень (4+, 162,12(2) кэВ); эти возбуждённые уровни каскадно распадаются на основной уровень с излучением соответственно одного и двух гамма-квантов).

Распад тория-232 происходит по следующим направлениям:

  • α-распад в 228Ra (вероятность 100 %, энергия распада 4081,6(14) кэВ):

90 232 T h → 88 228 R a + 2 4 H e ; {\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 90}Th} \rightarrow \mathrm {^{228}_{\ 88}Ra} +\mathrm {^{4}_{2}He} ;}

энергия испускаемых α-частиц 4012,3 кэВ (в 78,2 % случаев) и 3947,2 кэВ (в 21,7 % случаев).

  • Спонтанное деление (вероятность 11(3)⋅10−10 %);
  • Кластерный распад с образованием нуклидов 24Ne и 26Ne (вероятность распада менее 2,78⋅10−10 %):

90 232 T h → 80 208 H g + 10 24 N e ; {\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 90}Th} \rightarrow \mathrm {^{208}_{\ 80}Hg} +\mathrm {^{24}_{10}Ne} ;} 90 232 T h → 80 206 H g + 10 26 N e ; {\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 90}Th} \rightarrow \mathrm {^{206}_{\ 80}Hg} +\mathrm {^{26}_{10}Ne} ;}

  • Двойной β−-распад (теоретически предсказан, однако экспериментально пока не наблюдался ввиду крайне малой вероятности; энергия распада 837,6(22) кэВ)

90 232 T h → 92 232 U + 2 e − + 2 ν ¯ e . {\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 90}Th} \rightarrow \mathrm {^{232}_{\ 92}U} +2e^{-}+2{\bar {\nu }}_{e}.}

Применение

  • 232Th является ядерным топливным сырьём, которое при поглощении нейтронов превращается в уран-233, который в свою очередь является основой уран-ториевого топливного цикла. Превращение происходит по следующей цепочке:

0 1 n + 90 232 T h → 90 233 T h → 22 , 3 m i n β − 1 , 243 M e V 91 233 P a → 26 , 967 d β − 0 , 5701 M e V 92 233 U . {\displaystyle \mathrm {^{1}_{0}n} +\mathrm {^{232}_{\ 90}Th} \rightarrow \mathrm {^{233}_{\ 90}Th} {\xrightarrow{\beta ^{-}\ 1,243\ \mathrm {MeV} }}\mathrm {^{233}_{\ 91}Pa} {\xrightarrow{\beta ^{-}\ 0,5701\ \mathrm {MeV} }}\mathrm {^{233}_{\ 92}U} .} Сечение излучательного захвата теплового нейтрона ядром тория-232 составляет 7,37(6) барн. В отличие от, например, урана-235, ядро тория не делится при захвате теплового нейтрона: сечение такого процесса составляет, согласно измерениям, менее 2,5 микробарна.

  • В виде препарата торотраста суспензия диоксида тория использовалась в качестве контрастного вещества в ранней рентгенодиагностике. В настоящее время препараты тория-232 классифицируются как канцерогенные.
  • Радиоактивный распад избыточной активности дочерних радионуклидов 230Тh и 231Pa над материнскими изотопами урана в колонке осадочной толщи используется для установления возраста донных осадков. В уран-ториевом методе ядерной геохронологии мерой возраста образца является значение отношения 230Th/234U. В дополнение к уран-свинцовому методу используют распад тория-232 (уран-торий-свинцовый метод):

232Th → 208Pb с периодом полураспада 14,0 млрд лет (ряд тория).

  • Торий используется как легирующая добавка (0,8—1,0%) при изготовлении вольфрамовых электродов для сварки, электродов ксеноновых дуговых ламп. Двуокись тория используется для изготовления калильных сеток ввиду тугоплавкости (3350 К), низкой летучести и химической пассивности по отношению к воздуху.

См. также

  • Ториевая ядерная программа
  • Ториевый топливный цикл
  1. В геохронологии принято значение 14,01 ± 0,07 млрд лет, а в ядерной физике — 14,05 ± 0,06 млрд лет.

Примечания

  1. 1 2 3 4 5 6 Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. — Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729….3A.
  3. Rutherford Appleton Laboratory. Th-232 Decay Chain. Архивировано 19 апреля 2012 года. (англ.) (Проверено 4 марта 2010)
  4. Lorenz A. Decay Data of the Transactinium Nuclides. IAEA Tech. Rept. Ser., No. 261 (1986).
  5. Свойства 232Th (недоступная ссылка) на сайте МАГАТЭ.
  6. World Nuclear Association. Thorium. Архивировано 19 апреля 2012 года. (англ.) (Проверено 4 марта 2010)
  7. Redistribution of thorotrast into a liver allograft several years following transplantation: a case report (англ.) // Nature : journal. — 2004. — Vol. 17. — P. 117—120. (англ.) (Проверено 4 марта 2010)
  8. Кузнецов В. Ю., Арсланов X. А., Козлов В. Б., Максимов Ф. Е., Савельева Л. А., Чернов С. Б., Баранова Н. Г. Перспективы применения уран-ториевого метода неравновесной геохронологии для датирования межледниковых континентальных отложений // Вестник Санкт-Петербургского университета, № 2 / 2003
  9. Согласно постоянным распада из Davis W. J., Villeneuve M. E. Evaluation of the 232Th Decay Constant by Empirical Cross-Calibration of 208Pb/232Th and 207Pb/235U Systematics in Monazites (англ.) // Eleventh Annual V. M. Goldschmidt Conference, May 20-24, 2001, Hot Springs, Virginia, abstract no.3838 : journal. — 2001. — Bibcode: 2001eag..conf.3838D.
  10. Steiger R. H., Jäger E. Subcommission on geochronology: Convention on the use of decay constants in geo- and cosmochronology (англ.) // Earth and Planetary Science Letters (англ.)русск. : journal. — 1977. — Vol. 36, no. 3. — P. 359—362. — DOI:10.1016/0012-821X(77)90060-7. — Bibcode: 1977E&PSL..36..359S.
  11. Автоматическая сварка, Том 15, 1962. С. 664.
  12. Торий в ядерной энергетике // С. Алексеев, В. Зайцев. 2017 г.
  13. Радиотехника и электроника, Том 4, Выпуски 1-6, 1959 г.

Ссылки

  • Радиоактивные вольфрам-ториевые электроды. Торий-232 (видео)

Словари и энциклопедии

Легче:
торий-231
Торий-232 является
изотопом тория
Тяжелее:
торий-233
Изотопы элементов · Таблица нуклидов

Виды распадов. Альфа распад

Сегодня в эпоху высоких технологий знание основ атомной и ядерной физики необходимо любому человеку, считающему себя образованным. Эти знания помогут в успешном обучении в любом техническом вузе, при выстраивании карьеры в области не только физики, но и в сфере информационных технологий, в области химии, экологии, биологии, медицины и т.д. Изучение этих разделов физики поможет лучше понять проблематику современной атомной энергетики, проблемы, связанные с влиянием атомной энергетики на окружающую среду и здоровье человека. Курс от лучших преподавателей НИЯУ МИФИ расскажет об основных понятиях ядерной физики, о ядерных реакциях, происходящих на Земле и в космосе, о практическом применении достижений в области ядерной физики. Вы узнаете, что радиация может приносить пользу, а профессиональная деятельность в сфере атомной энергетики очень перспективна. В результате успешного прохождения курса вы получите сертификат, который может быть полезен при выборе дальнейшего направления вашего обучения.

>
Альфа- бета- и гамма- распады 

Прослушать и посмотреть можно Радиоактивность

Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования.

Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился врадон. А в сосуде дополнительно появился гелий.

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро

атома гелия). Из вещества с количеством протонов Z и нейтронов N в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов Z-2 и количеством нейтронов N-2, атомной массой А-4. То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.

Альфа-распад – это внутриядерный процесс. В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон (β-частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример β-распада:

Бета-распад – это внутринуклонный процесс. Превращение претерпевает нейтрон. Существует также бета-плюс-распад или позитронный бета-распад. При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино, а элемент смещается при этом на одну клетку назад по периодической таблице. Позитронный бета-распад обычно сопровождается электронным захватом.

Гамма-распад

Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях либо при радиоактивных

распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма распад.

Таблица распадов

Тип радиоактивности

Изменение заряда ядра Z

Изменение массового числа А

Характер процесса

α-распад

Z – 2

A – 4

Вылет α-частицы – системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино

β-распад

Z ± 1

А

Взаимные превращения в ядре нейтрона ( ) и протона ( )

β–-распад

Z + 1

А

β+-распад

Z – 1

А

Электронный захват (е–-или К-захват)

Z – 1

А

и – электронное нейтрино и антинейтрино

Спонтанное деление

Z – (1/2)A

A– (1/2)A

Деление ядра обычно на два осколка, имеющих приблизительно равные массы и заряды

История изучения радиоактивного излучения.
Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную α-излучением, и более проникающую, названную -излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта позже, в 1900 году, Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом γ-излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распадом атомов (значительно позже стало ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом из них определенного типа излучений. Этот вывод нанес сокрушительный удар по господствовавшей в физике и химии концепции неделимости атомов.
В последующих исследованиях Резерфорда было показано, что α-излучение представляет собой поток α-частиц, которые являются не чем иным, как ядрами изотопа гелия 4Не, а β-излучение состоит из электронов и γ-излучение является потоком высокочастотных электромагнитных квантов, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния.
β-распада ядер. Теория этого явления была создана лишь в 1933 году Энрико Ферми, который использовал гипотезу Вольфганга Паули о рождении в β-распаде нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной нейтрино . Ферми обнаружил, что β-распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе — «слабым» взаимодействием и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона е- и антинейтрино (β—распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е+ и нейтрино ν (β+-распад), а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино ν (электронный захват).
Четвертый вид радиоактивности, открытый в России в 1940 году молодыми физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком, связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые достаточно тяжелые ядра распадаются на два осколка с примерно равными массами.
Но и деление не исчерпало всех видов радиоактивных превращений атомных ядер. Начиная с 50-х годов физики методично приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того чтобы ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была положительной. Но таких ядер в земных условиях не существует, и их необходимо было создать искусственно. К получению таких ядер были очень близки российские физики в Дубне, но протонную радиоактивность открыли в 1982 году немецкие физики в Дармштадте, использовавшие самый мощный в мире ускоритель многозарядных ионов.
Наконец, в 1984 году независимые группы ученых в Англии и России открыли кластерную радиоактивность некоторых тяжелых ядер, самопроизвольно испускающих кластеры — атомные ядра с атомным весом от 14 до 34.

Альфа-распад. Бета-распад. Ядерные реакции

Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования. Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился в радон. А в сосуде дополнительно появился гелий: \(88^{226}Ra\rightarrow86^{222}Rn+2^4\) He. Чтобы понимать смысл написанного выражения, он изучил тему о массовом и зарядовом числе ядра атома.

Удалось установить, что основные виды радиоактивного распада – альфа и бета-распад – происходят согласно следующему правилу смещения.

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро атома гелия). Из вещества с количеством протонов \(Z\) и нейтронов \(N\) в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов \(Z-2\) и количеством нейтронов \(N-2\) и, соответственно, атомной массой \(A-4\). То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.

Пример α-распада: \(92^{238}U\rightarrow90^{234}Th+2^4\)He.

Альфа-распад – это внутриядерный процесс. В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон (\(\beta\)-частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример \(\beta\)-распада: \(19^{40}K\rightarrow20^{40}Ca+_{-1}\ ^0e+_0\ ^0v\).

Бета-распад – это внутринуклонный процесс. Превращение претерпевает нейтрон. Существует также бета-плюс-распад или позитронный бета-распад. При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино, а элемент смещается при этом на одну клетку назад по периодической таблице. Позитронный бета-распад обычно сопровождается электронным захватом.

Гамма-распад

Кроме альфа и бета-распада существует также гамма-распад. Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях, либо при радиоактивных распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Также существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма-распад.

Можно описать и так, что альфа-распад – это вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия \(^4\)He – альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер – на \(2\). Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер (атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше \(200\)). Альфа-частица испытывает туннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растет с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше \(2\) МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима \(^{144}\)Nd) до \(23700\) км/с (у изотопа полония \(^{212m}\)Po). В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом:

\(_Z^AX\rightarrow_{Z-2}^{A-4}Y+\alpha(_2^4He)\).

Пример альфа-распада для изотопа \(^{238}U\):

\(_{92}^{238}U\rightarrow_{90}^{234}Th+\alpha(_2^4He)\).

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Одновременно в Париже французский физик Пол Виллард проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский и американский физик Георгий Гамов.

Ядерные процессы

Радиоактивный распад

  • Альфа-распад
  • Бета-распад
  • Кластерный распад
  • Двойной бета-распад
  • Электронный захват
  • Двойной электронный захват
  • Гамма-излучение
  • Внутренняя конверсия
  • Изомерный переход
  • Нейтронный распад
  • Позитронный распад
  • Протонный распад
  • Спонтанное деление

Нуклеосинтез

  • Термоядерная реакция
    • Протон-протонный цикл
    • CNO-цикл
    • Тройная гелиевая реакция
    • Гелиевая вспышка
    • Ядерное горение углерода
    • Углеродная детонация
    • Ядерное горение неона
    • Ядерное горение кремния
  • Нейтронный захват
    • r-процесс
    • s-процесс
  • Захват протонов:
    • p-процесс
    • rp-процесс
  • Нейтронизация
  • Реакции скалывания

Альфа-распад атомного ядра

А́льфа-распа́д — вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия 4He — альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер — на 2.

Теория

Альфа-распад из основного состояния наблюдается только у достаточно тяжёлых ядер, например, у радия-226 или урана-238. Альфа-радиоактивные ядра в таблице нуклидов появляются начиная с атомного номера 52 (теллур) и массового числа около 106—110, а при атомном номере больше 82 и массовом числе больше 200 практически все нуклиды альфа-радиоактивны, хотя альфа-распад у них может быть и не доминирующей модой распада. Среди природных изотопов альфа-радиоактивность наблюдается у нескольких нуклидов редкоземельных элементов (неодим-144, самарий-147, самарий-148, европий-151, гадолиний-152), а также у нескольких нуклидов тяжёлых металлов (гафний-174, вольфрам-180, осмий-186, платина-190, висмут-209, торий-232, уран-235, уран-238) и у короткоживущих продуктов распада урана и тория.

Альфа-распад из высоковозбуждённых состояний ядра наблюдается и у ряда лёгких нуклидов, например у лития-7. Среди лёгких нуклидов альфа-распад из основного состояния испытывают гелий-5 (распадается в α + n), литий-5 (α + p), бериллий-6 (α + 2p), бериллий-8 (2α) и бор-9 (2α + p).

Альфа-частица испытывает туннельный переход через потенциальный барьер, обусловленный ядерными силами, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера — Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима 144Nd) до 23 700 км/с у изотопа полония 212mPo. В общем виде формула альфа-распада выглядит следующим образом:

Z A X → Z − 2 A − 4 Y + α ( 2 4 H e ) {\displaystyle \ _{Z}^{A}{\rm {X}}\rightarrow _{Z-2}^{A-4}{\rm {Y}}+\alpha \ (_{2}^{4}{\rm {He}})}

Пример альфа-распада для изотопа 238U:

92 238 U → 90 234 T h + α ( 2 4 H e ) {\displaystyle \ _{92}^{238}{\rm {U}}\rightarrow _{90}^{234}{\rm {Th}}+\alpha \ (_{2}^{4}{\rm {He}})}

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Одновременно в Париже французский физик Поль Виллар проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский и американский физик Георгий Гамов.

Опасность для живых организмов

Будучи довольно тяжёлыми и положительно заряженными, альфа-частицы от радиоактивного распада имеют очень короткий пробег в веществе и при движении в среде быстро теряют энергию на небольшом расстоянии от источника. Это приводит к тому, что вся энергия излучения высвобождается в малом объёме вещества, что увеличивает шансы повреждения клеток при попадании источника излучения внутрь организма. Однако внешнее излучение от радиоактивных источников безвредно, поскольку альфа-частицы могут эффективно задерживаться несколькими сантиметрами воздуха или десятками микрометров плотного вещества — например, листом бумаги и даже роговым омертвевшим слоем эпидермиса (поверхностью кожи), не достигая живых клеток. Даже прикосновение к источнику чистого альфа-излучения не опасно, хотя следует помнить, что многие источники альфа-излучения излучают также гораздо более проникающие типы излучения (бета-частицы, гамма-кванты, иногда нейтроны). Однако попадание альфа-источника внутрь организма приводит к значительному облучению. Коэффициент качества альфа-излучения равен 20 (больше всех остальных типов ионизирующего излучения, за исключением тяжёлых ядер и осколков деления). Это означает, что в живой ткани альфа-частица создаёт оценочно в 20 раз большие повреждения, чем гамма-квант или бета-частица равной энергии.

Всё вышеизложенное относится к радиоактивным источникам альфа-частиц, энергии которых не превосходят 15 МэВ. Альфа-частицы, полученные на ускорителе, могут иметь значительно более высокие энергии и создавать значимую дозу даже при внешнем облучении организма.

  1. Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика. В 2 кн. Кн. 1. Физика атомного ядра. Ч. I. Свойства нуклонов, ядер и радиоактивных излучений. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — С. 137. — ISBN 5-283-04080-1
  2. Nudat 2. Interactive Chart of Nuclides. National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory.
  3. Маляров, 1959, с. 231.
  4. Rutherford E. Uranium radiation and the electrical conduction produced by it (англ.) // Philosophical Magazine, Series 5. — 1899. — Vol. 47, iss. 284. — P. 109—163.

Литература

  • Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М.: Физматлит, 1959. — 472 с. — 18 000 экз.
  • Яворский Б. М., Детлаф А. А., Лебедев А. К. Справочник по физике. — М.: «ОНИКС», «Мир и Образование», 2006. — 1056 с. — 7000 экз. — ISBN 5-488-00330-4.

Субтитры

Все, что мы до сих пор обсуждали, изучая химию, основывалось на стабильности электронов, и на том, где они, скорее всего, находятся в устойчивых оболочках. Но если продолжить изучение атома, выяснится, что в атоме находятся и действуют не только электроны. Взаимодействия происходят в самом ядре, ему свойственна нестабильность, которую оно стремится ослабить. Это и станет темой нашего видеоурока. На самом деле, изучение этих механизмов не входит в программу по химии для первокурсников, но лишними эти знания точно не будут. Когда мы будем изучать сильные ядерные взаимодействия, квантовую физику и тому подобное, мы еще подробно рассмотрим, почему протоны, нейтроны и кварки, из которых состоят ядра атомов, взаимодействуют именно таким образом. А сейчас представим, каким образом ядро вообще может распадаться.. Начнем с пучка протонов. Я нарисую несколько. Это протоны, а тут будут нейтроны. Нарисую их каким-нибудь подходящим цветом. Серый цвет – то, что надо. Итак, вот они, мои нейтроны. Сколько у меня протонов? У меня 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Значит, будет 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 нейтронов. Допустим, это ядро атома. Это, кстати, самый первый ролик об атомном ядре. Вообще, нарисовать атом, на самом деле, очень трудно, ведь у него нет четко определенных границ. Электрон в любой момент времени может находиться где угодно. Но если говорить о месте нахождения электрона 90% времени, то им будет радиус или диаметр атома. Мы уже давно знаем, что ядро — это бесконечно малая часть объема той сферы, где электрон находится 90% времени. А из этого следует что практически все, что мы видим вокруг, это пустое пространство. Все это — пустое пространство. Я говорю об этом, потому что это бесконечно малое пятнышко, даже несмотря на то, что оно является очень малой долей объема атома, его масса составляет почти всю массу атома — это очень важно. Это не атомы, это не электроны. Мы проникаем в ядро. Оказывается, иногда ядро бывает нестабильно и стремится достичь более устойчивой конфигурации. Мы не будем углубляться в детали причин неустойчивости ядра. Но, просто скажу, что иногда оно испускает так, называемые альфа-частицы. Это явление называется альфа-распадом. Запишем. Альфа-распад. Ядро испускает альфа-частицу, звучит фантастично. Это просто совокупность нейтронов и протонов. А альфа-частица – это два нейтрона и два протона. Возможно, они чувствуют, что они здесь не помещаются, вот эти, например. И происходит эмиссия. Они покидают ядро. Рассмотрим, что происходит с атомом, когда случается что-то подобное. Возьмем случайный элемент, назовем его Е. У него есть P — протоны. Нарисую буквы таким же цветом, что и протоны. Итак, вот — протоны. Естественно, у элемента Е есть массовое число атома, равное сумме протонов и нейтронов. Нейтроны серые. Происходит альфа-распад, что же будет с этим элементом? Что же будет с этим элементом? Количество протонов уменьшается на два. Поэтому количество протонов составит р минус 2. И число нейтронов тоже уменьшается на два. Итак, здесь у нас р минус 2, плюс наши нейтроны минус 2, то есть, всего минус 4. Масса уменьшается на четыре, и прежний элемент превращается в новый. Помните, что элементы определяются количеством протонов. При альфа-распаде вы теряете два нейтрона и два протона, но именно протоны превращают этот элемент в другой. Если мы назовем этот элемент 1, что я и собираюсь сделать, то теперь у нас будет новый элемент, элемент 2. Смотрите внимательно. Происходит эмиссия чего-то, что имеет два протона, и два нейтрона. Поэтому его масса будет равна массе двух протонов и двух нейтронов. Что же это? Отделяется что-то, имеющее массу четыре. Что содержит два протона и два нейтрона? Сейчас у меня нет периодической системы элементов. Я забыл ее вырезать и вставить перед съемкой этого видеоролика. Но вы быстро найдете в периодической таблице элемент, имеющий два протона, и этот элемент – гелий. Его атомная масса действительно четыре. Действительно, при альфа-распаде происходит эмиссия именно ядра гелия. Это ядро гелия. Так как это ядро гелия, у него нет электронов, чтобы нейтрализовать заряд протонов, это ион. У него нет электронов. У него только два протона, поэтому он имеет заряд плюс 2. Подпишем заряд. Альфа-частица – это просто ион гелия, ион гелия с зарядом плюс 2, самопроизвольно испускаемый ядром для достижения более устойчивого состояния. Это один вид распада. Теперь другие.. Рисуем еще одно ядро. Нарисую нейтроны. Нарисую протоны. Иногда получается так, что нейтрон чувствует себя неуютно. Он каждый день смотрит на то, что делают протоны, и говорит, знаете, что? Почему-то, когда я прислушиваюсь к себе, я чувствую, что на самом деле должен быть протоном. Если бы я был протоном, все ядро было бы немного устойчивее. И что он делает, чтобы стать протоном? Помните, нейтрон имеет нейтральный заряд? Вот что он делает, он испускает электрон. Это кажется сумасшествием. Электроны в нейтронах и все такое. И я согласен с вами. Это сумасшествие. И однажды мы изучим все, что находится внутри ядра. А пока просто скажем, что нейтрон может испустить электрон. Что он и делает. Итак, вот электрон. Мы принимаем его массу за равную нулю.. На самом деле это не так, но мы говорим сейчас о единицах атомной массы. Если масса протона – один, то масса электрона в 1836 раз меньше. Поэтому мы принимаем его массу за ноль. Хоть это и не так. А его заряд – минус 1. Итак, вернемся к процессу. Нейтрон испускает электрон. Конечно, нейтрон не остается нейтральным, а превращается в протон. Это называется бета-распадом. Запишем этот вид. Бэта-распад. А бета-частица – на самом деле просто испускаемый электрон. Вернемся к нашему элементу. У него есть определенное количество протонов и нейтронов. Вместе они составляют массовое число. Что происходит, когда он подвергается бета-распаду? Изменяется ли количество протонов? Конечно, у нас на один протон больше, чем было, потому что один нейтрон превратился в протон. Количество протонов увеличилось на 1. Изменилось ли массовое число? Посмотрим. Количество нейтронов уменьшилось на один, а количество протонов увеличилось на один. Поэтому массовое число не изменилось. Оно по-прежнему составляет Р плюс N, то есть, масса остается неизменной, в отличие от ситуации с альфа-распадом, но сам элемент изменяется. Количество протонов изменяется. В результате бета-распада мы снова получаем новый элемент. Теперь другая ситуация. Допустим, один из этих протонов смотрит на нейтроны и говорит, знаете, что? Я вижу, как они живут. Мне это очень нравится. Думаю, мне было бы удобнее, а наша группа частиц внутри ядра была бы счастливее, если бы я тоже был нейтроном. Все мы находились бы в более устойчивом состоянии. И что он делает? У этого испытывающего неудобства протона есть возможность испустить позитрон, а не протон. Он испускает позитрон. А что это такое? Это частица, которая имеет точно такую же массу, как и электрон. То есть, его масса в 1836 раз меньше массы протона. Но здесь мы пишем просто ноль, потому что в единицах атомной массы она приближается к нулю. Но позитрон имеет положительный заряд. Немного путает то, что здесь все еще написано е. Когда я вижу е, я думаю, что это электрон. Но нет, эту частицу обозначают буквой е, потому что это частица того же типа, но, вместо отрицательного заряда, она имеет положительный заряд. Это позитрон. Подпишем. Начинает происходить что-то необычное с этими типами частиц и веществом, которые мы рассматриваем. Но это — факт. И если протон испускает эту частицу, то с ней практически уходит его положительный заряд, и этот протон превращается в нейтрон. Это называется эмиссией позитрона. Эмиссию позитрона представить довольно легко, В названии все сказано. Снова элемент Е, с определенным количеством протонов, и нейтронов. Каким должен быть этот новый элемент? Он теряет протон. P минус 1. Он превращается в нейтрон. То есть, количество P уменьшается на один. Количество N увеличивается на один. Поэтому масса целого атома не изменяется. Она составит P плюс N. Но у нас все еще должен получиться другой элемент, правильно? Когда происходит бета-распад, увеличивается количество протонов. Мы переместились вправо в периодической таблице, или увеличили, вы знаете, что я имею в виду. Когда происходит эмиссия позитрона, уменьшается количество протонов. Нужно это записать в обеих этих реакциях. Итак, это эмиссия позитрона, и остается один позитрон. А в нашем бета-распаде остается один электрон. Реакции записаны абсолютно одинаково. Вы знаете, что это электрон, потому что он имеет заряд минус 1. Вы знаете, что это позитрон, потому что он имеет заряд плюс 1. Остается один, последний тип распада, о котором вы должны знать. Но он не изменяет количество протонов или нейтронов в ядре. Он просто высвобождает огромное количество энергии, или, иногда, высокоэнергетический протон. Это явление называется гамма-распадом. Гамма-распад означает, что эти частицы меняют свою конфигурацию. Они немного сближаются. И сближаясь, выделяют энергию в виде электромагнитного излучения с очень маленькой длиной волны. По существу, можно называть это гамма- частицей или гамма-лучом. Это сверхвысокая энергия. Гамма-лучи очень опасны. Они могут вас убить. Все это была теория. Теперь решим пару задач и выясним, с каким типом распада мы имеем дело. Здесь у меня бериллий-7, где семь — это атомная масса. И я превращаю его в литий-7. Итак, что здесь происходит? Масса ядра бериллия остается неизменной, но количество протонов уменьшается с четырех до трех. Уменьшилось количество протонов бериллия. Общая масса не изменилась. Несомненно, это не альфа-распад. Альфа-распад, как вы знаете, это выделение гелия из ядра. Так что же выделяется? Выделяется положительный заряд, или позитрон. Здесь это показано с помощью уравнения. Это позитрон. Поэтому этот тип распада бериллия-7 до лития-7- это эмиссия позитрона. Все ясно. А теперь взглянем на следующий пример. Уран-238, распадающийся до тория-234. И мы видим, что атомная масса уменьшается на 4, и видим, что атомное число уменьшается, количество протонов уменьшается на 2. Вероятно, выделилось что-то, что имеет атомную массу четыре, и атомное число два, то есть, гелий. Значит это альфа-распад. Вот здесь – это альфа-частица. Это пример альфа-распада. Но тут не все так просто. Потому что, если из 92 протонов осталось 90 протонов, здесь осталось еще 92 электрона. Будет ли теперь заряд минус 2? И более того, гелий, который высвобождается, он же не имеет электронов. Это просто ядро гелия. Так будет ли заряд плюс 2? Задавая такой вопрос, вы будете абсолютно правы. Но на самом деле именно в момент распада у тория больше нет причин удерживать эти два электрона, поэтому эти два электрона исчезают, и торий опять становится нейтральным. А гелий очень быстро реагирует таким же образом. Ему очень нужны два электрона для устойчивости, поэтому он очень быстро захватывает два электрона и становится стабильным. Можно записать это любым способом. Рассмотрим еще один пример. Здесь у меня йод. Хорошо. Посмотрим, что происходит. Масса не изменяется. Протоны должны превратиться в нейтроны или нейтроны – превратиться в протоны. Мы видим, тут у меня 53 протона, а здесь — 54. Видимо, один нейтрон превратился в протон. Нейтрон, видимо, превратился в протон. А нейтрон превращается в протон, испуская электрон. И мы наблюдаем это во время этой реакции. Электрон высвободился. Значит, это бета-распад. Это бета-частица. Подписали. Действует та же логика. Подождите, вместо 53 стало 54 протона. Теперь, когда прибавился еще один протон, будет ли у меня положительный заряд? Да, будет. Но очень скоро – возможно, не именно эти электроны, вокруг вращается так много электронов – я захвачу электроны из какого-нибудь места, чтобы стать устойчивым, и снова обрету устойчивость. Но вы будете абсолютно правы, если зададите вопрос, не станет ли частица ионом на малую долю времени? Рассмотрим еще один пример. Радон-222 с атомным числом 86, который превращается в полоний -218, с атомным числом 84. Небольшое интересное отступление. Полоний назван так в честь Польши, потому что Мария Кюри, открывшая его, оттуда, в то время, примерно в конце 1800-х годов – Польша еще не существовала как отдельная страна. Ее территория была разделена между Пруссией, Россией и Австрией. И поляки очень хотели, чтобы люди знали – они – единый народ. Они сделали открытие, что, когда радон подвергается распаду, образуется этот элемент. И назвали его в честь своей родины, Польши. Это привилегия открытия новых элементов. Но вернемся к задаче. Итак, что произошло? Атомная масса уменьшилась на четыре. Атомное число уменьшилось на два. Еще раз повторю, видимо, высвободилась частица гелия. Ядро гелия имеет атомную массу четыре и атомное число два. Все ясно. Значит, это альфа-распад. Можно написать, что это ядро гелия. Оно не имеет электронов. Мы можем даже сразу сказать, что оно будет иметь отрицательный заряд, но затем оно его теряет. Subtitles by the Amara.org community

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *