1. AATUMITUUMA FÜÜSIKA 1.4. β lagunemine
1.4. Beeta lagunemine.
Beeta-lagunemise tüübid ja omadused. Beeta-lagunemise teooria elemendid. Radioaktiivsed perekonnad
Beeta lagunemine tuum on ebastabiilse tuuma iseeneslik muundumine isobar tuumaks elektroni (positroni) emissiooni või elektroni kinnipüüdmise tulemusena. Teada on umbes 900 beeta-radioaktiivset tuuma. Neist ainult 20 on looduslikud, ülejäänud on kunstlikult saadud.
Beeta-lagunemise tüübid ja omadused
Neid on kolme tüüpi β -lagunemine: elektrooniline β – -lagunemine, positrooniline β + -lagunemine ja elektronide püüdmine ( e- jäädvustada). Peamine tüüp on esimene.
Kell elektrooniline β – - lagunemineüks tuuma neutronitest muutub elektroni emissiooniga prootoniks ja elektroni antineutriinoks.
Näited: vaba neutroni lagunemine
, T 1/2 = 11,7 min;
triitiumi lagunemine
, T 1/2 = 12 aastat.
Kell positron β + - lagunemineüks tuuma prootonitest muutub positiivselt laetud elektroni (positroni) ja elektronneutriino emissiooniga neutroniks
. (1,41b)
Näide
·
Võrreldes suguvõsade esivanemate poolestusaegu Maa geoloogilise elueaga (4,5 miljardit aastat), on selge, et peaaegu kogu toorium-232 oli Maa aines säilinud, uraan-238 lagunes ligikaudu pool, uraan-235 - enamasti neptuunium-237 peaaegu kõik.
Beeta-lagunemine saab võimalikuks siis, kui neutroni asendumine prootoniga (või vastupidi, prootoni neutroniga) aatomituumas on energeetiliselt soodne ja tekkiv uus tuum on väiksema puhkemassiga, s.t suurema sidumisenergiaga. Liigne energia jaotatakse reaktsioonisaaduste vahel.
Beeta-lagunemist on kolme tüüpi:
1. Üks neutronitest (n) tuumas muutub prootoniks (p). Sel juhul emiteeritakse elektron (e-) ja antineutriino (ṽ e) (vt Neutrino, Antiaine). See on β - lagunemine.
A(Z,N) → A(Z+1,N-1) + e - + ṽ e
(n → р + e - + ṽ e),
kus A(Z,N) on tuuma tähis prootonite Z ja neutronite arvuga N. Tuuma laeng suureneb 1 võrra. Kõikide β-lagunemise tüüpide lihtsaim tüüp on vaba neutroni lagunemine. mis on prootonist raskem ja seetõttu ebastabiilne.
2. Tuumas sisalduv prooton laguneb neutroniks (N), positroniks (e+) ja neutriinoks (v e). See on β+ lagunemine.
A(Z,N) → A(Z-1,N+1) + e + + v e
(p → рn + e + + v e).
Tuumalaengut vähendatakse 1 võrra. Protsess saab toimuda ainult südamikus; vaba prooton ei lagune sel viisil.
3. Lõpuks suudab tuum kinni püüda lähima aatomielektroni (elektronide püüdmine) ja muutuda 1 väiksema laenguga teiseks tuumaks:
A(Z,N) + e - → A(Z-1,N+1) + v e
(p + e - → n + v e).
β-osakest sel juhul ei eraldu.
Kui füüsikud hakkasid beetalagunemist uurima, ei teatud tohutu läbitungimisjõuga neutriinode (v e või ṽ e) olemasolu.
Müsteerium, millega katsetajad silmitsi seisavad, on p-lagunemise ajal kiiratud elektronide pidev energiaspekter. Selles protsessis moodustab tütartuum ebaolulise osa vabanenud energiast. Kõik see läheb elektronile ja seetõttu peaks kõigil β-osakestel olema sama energia E 0 . Ja katseliselt täheldati järgmist pilti: emiteeriti mis tahes energiaga elektrone, kuni maksimaalse võimaliku - E 0 -ni.
Füüsikud on oletanud, et allikas on süüdi: p osakesed kaotavad oma energiat, kui nad läbivad selle materjali. Selle hüpoteesi kontrollimiseks viisid mitmed eksperimenteerijate rühmad läbi kalorimeetrilisi katseid. Nad tegid seda: radioaktiivne allikas asetati nii paksude seintega kalorimeetrisse, et neis olevad β-osakesed imendusid täielikult. See võimaldas mõõta kogu teatud aja jooksul vabanevat energiat.
Seejärel arvutasime energia beetaosakese kohta. Eksperimentaatorid eeldasid, et see on E 0 lähedal, kuid iga kord said nad ligikaudu 2 korda väiksema väärtuse.
Šveitsi teoreetiline füüsik W. Pauli leidis olukorrast väljapääsu. Ta tegi ettepaneku, et beeta-lagunemise ajal eraldub osake, millel on võrreldamatult suurem läbitungimisvõime kui elektronidel. Kalorimeetri seinad ei suuda seda sisaldada ja see viib osa energiast minema. Nii sündis neutriinode idee.
β-lagunemise teooria lõi 1934. aastal Itaalia füüsik E. Fermi. Selles pakkus teadlane välja, et elektronid ja neutriinod sünnivad tuumas nukleoni lagunemise hetkel. Ta tõi teooriasse konstandi G, mis mängis β-lagunemisel sama rolli kui elektromagnetiliste protsesside laengul e, ja arvutas selle väärtuse eksperimentaalsete andmete põhjal. Fermi teooria võimaldas arvutada p-spektrite kuju ja seostada piiride lagunemisenergia E 0 radioaktiivse tuuma elueaga. Selles teoorias oli neutriino laeng võrdne nulli ja nullmassiga (igal juhul m v ~< m e).
Järgmistel aastatel püüdsid nad teooriat muuta, täiendada ja keerulisemaks muuta, kuna tundus, et see oli liiga lihtne ega kirjeldanud kõiki katseandmeid. Möödus mitu aastakümmet, enne kui füüsikud olid veendunud, et kõik need täiendused põhinesid ekslikel katsetel ja Fermi valitud tee oli õige. Nüüdseks väljakujunenud nõrkade ja elektromagnetiliste interaktsioonide ühendatud teooria sisaldab seda esimese lähendusena (vt Pariteedi, Neutriinid, Nõrgad interaktsioonid).
Esitame mõned andmed tuumade beeta-lagunemise kohta.
β-osakeste piirenergia (E 0) on mitmest KeV kuni -17 MeV.
Tuumade eluiga β-lagunemise suhtes on 1,3x10 -2 s kuni ~2x10 13 aastat.
β-osakeste ulatus kergetes ainetes on mitu sentimeetrit. Nad kaotavad oma energia aatomite ioniseerimiseks ja ergutamiseks.
Raskete ioonide salvestusseadmed avavad põhimõtteliselt uusi võimalusi eksootiliste tuumade omaduste uurimisel. Eelkõige võimaldavad need täielikult ioniseeritud aatomite - "paljaste" tuumade - akumuleerumist ja pikaajalist kasutamist. Selle tulemusena saab võimalikuks uurida aatomituumade omadusi, millel puudub elektrooniline keskkond ja milles puudub aatomituumaga välise elektronkihi Coulombi efekt.
Riis. 3.2 E-püüdmise skeem isotoobis (vasakul) ja täielikult ioniseeritud aatomites ja (paremal)
Aatomi lagunemine seotud olekusse avastati esmakordselt 1992. aastal. Täiesti ioniseeritud aatomi β-lagunemist seotud aatomi olekutesse täheldati. 163 Dy tuum on aatomituumade N-Z diagrammil mustaga märgitud. See tähendab, et see on stabiilne tuum. Tõepoolest, neutraalse aatomi osana on 163 Dy tuum stabiilne. Selle põhiolekut (5/2+) saab asustada 163 Ho tuuma põhiolekust (7/2+) e-püüdmise tulemusena. Elektronkihiga ümbritsetud 163 Ho tuum on β - radioaktiivne ja selle poolestusaeg on ~10 4 aastat. See kehtib aga ainult siis, kui arvestada elektronkihiga ümbritsetud tuuma. Täielikult ioniseeritud aatomite puhul on pilt põhimõtteliselt erinev. Nüüd on 163 Dy tuuma põhiseisund energialt kõrgem kui 163 Ho tuuma põhiseisund ja avaneb võimalus 163 Dy lagunemiseks (joonis 3.2).
| → + e - + e . | (3.8) |
Lagunemisest tekkiva elektroni saab kinni püüda iooni vabasse K või L kesta. Selle tulemusena on lagunemisel (3.8) selline vorm
→ + e - + e (seotud olekus).
β-lagunemise energiad K ja L kestadesse on vastavalt (50,3±1) keV ja (1,7±1) keV. K- ja L-kesta seotud olekutesse lagunemise jälgimiseks koguti GSI ESR-i salvestusrõngasse 108 täielikult ioniseeritud tuuma. Kogunemisaja jooksul tekkisid β + lagunemise tulemusena tuumad (joon. 3.3).
Riis. 3.3. Ioonide akumulatsiooni dünaamika: a - katse erinevatel etappidel ESR-i salvestusrõngasse kogunenud Dy 66+ ioonide vool, Dy 66+ ja Ho 67+ ioonide β- intensiivsused, mõõdetuna vastavalt välise ja sisemise asenditundliku detektoriga
Kuna Ho 66+ ioonidel on praktiliselt sama M/q suhe kui esmase Dy 66+ kiire ioonidel, akumuleeruvad nad samale orbiidile. Kogunemisaeg oli ~30 min. Dy 66+ tuuma poolestusaja mõõtmiseks tuli orbiidile kogunenud kiir puhastada Ho 66+ ioonide segust. Kiire puhastamiseks ioonidest süstiti kambrisse argooni gaasijuga tihedusega 6·10 12 aatomit/cm 2 ja läbimõõduga 3 mm, mis ületas akumuleerunud ioonkiire vertikaalsuunas. Tänu sellele, et Ho 66+ ioonid püüdsid elektrone kinni, lahkusid nad tasakaaluorbiidilt. Tala puhastati umbes 500 s. Pärast seda gaasivoog blokeeriti ja tsüklis jätkasid ringlust lagunemise tulemusena (pärast gaasivoo väljalülitamist) tekkinud Dy 66+ ioonid ja Ho 66+ ioonid. Selle etapi kestus oli 10 kuni 85 minutit. Ho 66+ tuvastamine ja tuvastamine põhines asjaolul, et Ho 66+ saab edasi ioniseerida. Selleks süstiti viimases etapis hoiurõngasse uuesti gaasijuga. Viimane elektron eemaldati 163 Ho 66+ ioonilt, mille tulemuseks oli ioon 163 Ho 67+. Gaasijoa kõrval asus asenditundlik detektor, mis fikseeris kiirest väljunud 163 Ho 67+ iooni. Joonisel fig. Joonisel 3.4 on näidatud β-lagunemise tulemusena tekkinud 163 Ho tuumade arvu sõltuvus akumulatsiooniajast. Sisend näitab asukohatundliku detektori ruumilist eraldusvõimet.
Seega oli 163 Ho tuuma kuhjumine 163 Dy kiires tõendiks lagunemise võimalusest
→ + e - + e (seotud olekus).
Riis. 3.4. Tütarioonide 163 Ho 66+ ja primaarsete 163 Dy 66+ suhe olenevalt akumulatsiooniajast. Sisend: tipp 163 Ho 67+, salvestatud sisemise detektoriga
Varieerides ajaintervalli kiire Ho 66+ lisandist puhastamise ja kiires äsja moodustunud Ho 66+ ioonide registreerimise vahel, on võimalik mõõta täielikult ioniseeritud Dy 66+ isotoobi poolestusaega. Selgus, et see võrdub ~0,1 aastaga.
Sarnane lagunemine avastati ka 187 Re 75+ puhul. Saadud tulemus on astrofüüsika jaoks äärmiselt oluline. Fakt on see, et neutraalsete 187 Re aatomite poolestusaeg on 4·10 10 aastat ja neid kasutatakse radioaktiivsete kelladena. 187 Re 75+ poolväärtusaeg on vaid 33±2 aastat. Seetõttu on vaja astrofüüsikalistes mõõtmistes teha vastavad parandused, sest Tähtedes leidub 187 Re kõige sagedamini ioniseeritud olekus.
Täielikult ioniseeritud aatomite omaduste uurimine avab uue suuna tuumade eksootiliste omaduste uurimisel, mis on ilma välise elektronkihi Coulombi mõjust.
Beeta lagunemine on neutraalse tuuma iseeneslik muundumine tuumaks - erineva laenguga isobaariks Z = ±1 juures. Beeta-lagunemise ajal eralduvate osakeste kiirus on lähedane valguse kiirusele.
Nagu -kiirgus, nii ka -kiirgus kaldub magnet- ja elektriväljas kõrvale, kuid vastupidises suunas ja suurema vahemaa tagant. See näitab, et beetakiirgus on väikese massiga negatiivselt laetud osakeste voog. e/m suhte põhjal tuvastas Rutherford beetaosakesed tavaliste elektronidena.
Faience-Soddy nihkereegli järgi põhjustab lagunemine elemendi isotoobi ilmumist, mis on nihkunud algelemendist ühe raku võrra paremale, ilma massinumbrit muutmata.
Tuumamuutuste käigus tekkivate elektronide eristamiseks hakati neid nimetama beetaosakesed. Vaatamata sellele, mida tavaliselt elektrone kiirgavate tuumade kohta öeldakse, ei sisalda aatomituumad puhtal kujul elektrone. Beetaosake moodustub tuuma muundumise käigus.
Tuntakse kolme tüüpi lagunemist: elektrooniline-lagunemine, positron + -lagunemine ja elektrooniline K-hõive elektron tuuma poolt ühe tuumale lähima kestaga.
Beetalagunemise käigus tuumade massiarvud ei muutu, vaid muutub ainult laeng, - lagunemise korral üks rohkem ja + lagunemise ja K-püüdmise korral üks vähem. Vastavalt Fajans-Soddy vahetusreegel, seda tüüpi lagunemise kohta võime kirjutada:
Kõik kolm lagunemise tüüpi taandatakse järgmistele tuumas olevate nukleonide vastastikuse transformatsiooni tüüpidele.
Lagunemine - n o r + + e - + ; Р S + e - + ; (-lagunemine);
Lagunemine - p n o + e + + ; C B + e + + (+ -lagunemine);
K-püüdmine - p + + e - n + ; Cs + e - Xe + (K-hõive)
Seega ei asu elektronid ja positronid tuumas, vaid ilmuvad ühe nukleoni ülemineku hetkel teisele. Nagu teisendusskeemidelt näha, on igat tüüpi teisenduste iseloomulik tunnus emissioon neutriino või antineutriino.
Esimest korda mõiste neutriino aastal tutvustas W. Pauli 1930. aasta seletada "kadunud" osa energiast radioaktiivse lagunemise ajal elektroni emissiooniga. Osakeste koguenergia ja gammakvandid osutusid mitmeks sisenevate osakeste madalam energia interaktsioonisse. Pauli pakkus, et puuduv osa energiast pääseb koos osakesega, mida ta kutsus "neutriino". Neutriino on laenguta elementaarosake, mille puhkemass on nullilähedane. Neutriinodel on erakordne läbitungimisvõime. Seda on äärmiselt raske tuvastada, kuna neutriinode läbimine läbi materiaalse keskkonna ei kaasne praktiliselt mingit mõju. Antineutriinodel on samad omadused.
Nagu on näha elektroonilise beeta-lagunemise ajal tehtud transformatsiooniskeemidest, muutub üks neutronitest prootoniks ning ematuum kiirgab elektroni ja antineutriino. Skemaatiliselt on see protsess kujutatud järgmiselt:
Elektroonilise beeta-lagunemisega võib kaasneda ka gammakiirgus. See tekib siis, kui lagunemisprotsessi käigus moodustub tuum, mis ei ole põhiolekus, vaid ergastatud olekus. Sellise lagunemise näide on strontsiumi muundumine ütriumiks:
Prootoni vabas olekus neutroniks muutmise pöördprotsess on võimatu, kuna neutroni mass on suurem kui prootoni mass. Stabiilsusjoone all N- ja Z-koordinaatides asuvad tuumad võivad aga nukleonite ümberpaigutamise tulemusena liikuda vähem stabiilsest olekust stabiilsemasse olekusse, asendades ühe prootoni neutroniga. Sel juhul kaotab prooton oma laengu, muutudes neutroniks ja positroniks (e +), positiivset laengut kandvaks, kuid elektroni massiks osakeseks. Kuna positroni emiteerimisel haaratakse elektronkihist kinni elektron, tagades aatomi elektrilise neutraalsuse säilimise, võib tekkida positroni lagunemine, kui energia erinevus lõpp- ja algolekus ületab 1,02 MeV ehk rohkem kui kahe elektroni ülejäänud mass. Positroni lagunemise ajal lahkub positron kohe tuumast ja pärast aeglustumist annihileerub ka selle mass koos elektroni massiga. Positroni lagunemise olemasolu tõendab kahe gammakvanti registreerimine energiaga 0,51 MeV. See protsess toimub energia neeldumisel, kuna neutroni mass on suurem kui prootoni mass.
Kui positron ja elektron annihileeruvad, muundatakse nende mass täielikult kahe kvanti energiaks. See energia tekib ülejäänud tuuma ümberstruktureerimise tõttu:
e_+e+2+1,02 MeV
Positronemissioon on looduslikes radionukliidides väga haruldane ja esineb peamiselt osakeste kiirendite abil kunstlikult toodetud radionukliidides:
O N + e + ;Fe Mn + e + +
Kui transformatsioonienergia väärtus on väiksem kui 1,02 MeV, ei ole positronemissioon võimalik. Sel juhul läheb emanukliid elektroni kinni püüdes tütresse nn K-haara.
Neutronite puudumisega raskete elementide tuumade puhul (neutronipuudulik tuum) toimub prootonite muundumine neutroniteks ainult elektronide K-püüdmismehhanismi kaudu. Kuna aatomis on K-elektronid tuumale keskmiselt kõige lähemal, siis on mõningane tõenäosus, et tuum haarab K-kestalt elektroni.
Kuna neutroni mass on suurem kui prootoni ja elektroni kogumass, on selle reaktsiooni läbiviimiseks vaja lisaenergiat. See energia võetakse äsja moodustunud tuuma sidumisenergia suurendamisega. Raskete elementide aatomite puhul on K-püüdmine tõenäolisem kui positronemissioon.
Elektroni püüdmisega tuuma poolt kaasneb alati röntgenikiirgus, kuna eespool asuvate kestade orbitaalsed elektronid liiguvad kohe madalamal energiatasemel vabasse ruumi.
Lisaks on K-capture’iga kaasas Augeri elektronide emissioon aatomi ergastatud elektronkihtidest.
Kergete elementide tuumade puhul on kõik kolm võimalust ühised – lagunemine.
Beeta-lagunemine on energeetiliselt võimalik, kui süsteemi puhkemass algolekus on suurem kui selle puhkemass lõppseisundis.
Kuna neutriino (antineutriino) puhkemass on 0, on teisenduste energiatingimused järgmine:
М(Z,A) М(Z + 1), A + m e- () - lagunemine
M(Z,A) M(Z-1), A + m e+ (+) lagunemine
M(Z,A) + m e M(Z - 1), A -K püüdmine
Nendest tingimustest on selge, et K-püüdmine on energeetiliselt soodsam kui positroni lagunemine.
Kuna lagunemise käigus tuumadest eemale kanduv ergastusenergia jaotub ümber elektroni ja antineutriino või positroni ja neutriino vahel ning järgib juhuslikkuse seadust, on lagunemisel pidev energiaspekter. Energiate – osakeste ja neutriinode (antineutriinode) summa on alati võrdne antud isotoobile iseloomuliku konstantse väärtusega ja nn. maksimaalne energia - spekter.
E. Fermi tuletas empiirilise võrrandi, mis seob kiirguse maksimaalse energia ja lagunemiskonstandi, l:
Beetaosakeste maksimaalne energia jääb vahemikku 0,015–15 MeV ja poolestusajad varieeruvad vahemikus 0,3 s kuni 6,10 14 aastat
E. Resenford tõestas koos inglise radiokeemiku F. Soddyga, et radioaktiivsusega kaasneb ühe keemilise elemendi spontaanne muundumine teiseks.
Veelgi enam, radioaktiivse kiirguse tagajärjel muutuvad keemiliste elementide aatomite tuumad.
Aatomituuma NIMETUS
ISOTOOPID
Radioaktiivsete elementide hulgast avastati elemente, mis olid keemiliselt eristamatud, kuid erineva massiga. Neid elementide rühmi nimetati "isotoopideks" ("periooditabelis ühe koha hõivamine"). Sama keemilise elemendi isotoopide aatomite tuumad erinevad neutronite arvu poolest.
Nüüdseks on kindlaks tehtud, et kõigil keemilistel elementidel on isotoobid.
Looduses koosnevad eranditult kõik keemilised elemendid mitme isotoobi segust, seetõttu väljendatakse perioodilisuse tabelis aatommassi murdarvudes.
Isegi mitteradioaktiivsete elementide isotoobid võivad olla radioaktiivsed.
ALFA – LADUNEMINE
Alfaosake (heeliumi aatomi tuum)
- iseloomulik radioaktiivsetele elementidele, mille seerianumber on suurem kui 83
.- massi ja laenguarvu jäävuse seadus on tingimata täidetud.
- sageli kaasneb gammakiirgus.
Alfa lagunemise reaktsioon:
Ühe keemilise elemendi alfalagunemisel tekib teine keemiline element, mis perioodilisustabelis paikneb algsest 2 rakku lähemal oma algusele.
Reaktsiooni füüsiline tähendus:
Alfaosakese emissiooni tulemusena väheneb tuuma laeng 2 elementaarlaengut ja tekib uus keemiline element.
Nihkereegel:
Ühe keemilise elemendi beetalagunemise käigus moodustub teine element, mis paikneb perioodilisuse tabelis algse järel järgmises lahtris (üks lahter tabeli lõpust lähemal).
BEETA – LAGUNEMINE
Beetaosake (elektron).
- sageli kaasneb gammakiirgus.
- võib kaasneda antineutriinode (kerged elektriliselt neutraalsed suure läbitungimisvõimega osakesed) teke.
- massi ja laenguarvu jäävuse seadus peab olema täidetud.
Beeta lagunemise reaktsioon:
Reaktsiooni füüsiline tähendus:
Aatomi tuumas olev neutron võib muutuda prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks, mille tulemusena kiirgab tuum elektroni.
Nihkereegel:
NEILE, KES VEEL VÄSINUD EI OLE
Soovitan kirjutada lagunemisreaktsioonid ja töö ära anda.
(teha teisenduste ahel)
1. Millise keemilise elemendi tuum on ühe alfalagunemise produkt
ja antud elemendi tuuma kaks beetalagunemist?
