ALFA BOZUNMASI
Çürüme durumu. Alfa bozunması ağır çekirdeklerin karakteristiğidir; A nükleon başına bağlanma enerjisinde bir azalma gözlenir. Kütle sayılarının bu bölgesinde, çekirdekteki nükleon sayısının azalması, daha sıkı bağlı bir çekirdeğin oluşmasına yol açar. Ancak azaldıkça enerji kazancı Açekirdekteki bir nükleonun bağlanma enerjisinden çok daha azdır, bu nedenle bağlanma enerjisi sıfıra eşit olan bir proton veya nötronun çekirdeğin dışına yayılması imkansızdır. Bu çekirdekteki bir nükleonun spesifik bağlanma enerjisi yaklaşık 7,1 MeV olduğundan, 4 Ne çekirdeğinin emisyonunun enerji açısından olumlu olduğu ortaya çıkıyor. Ürün çekirdeğinin ve alfa parçacığının toplam bağlanma enerjisi, orijinal çekirdeğin bağlanma enerjisinden daha büyükse, alfa bozunması mümkündür. Veya kütle birimlerinde:
M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + M α (3.12)
Nükleonların bağlanma enerjisindeki bir artış, dinlenme enerjisinde tam olarak alfa bozunması sırasında salınan enerji miktarı kadar bir azalma anlamına gelir. E α. Dolayısıyla alfa parçacığını bir bütün olarak çarpım çekirdeği içinde hayal edersek, pozitif enerjili bir seviyeyi işgal etmesi gerekir. E α(Şekil 3.5).
Pirinç. 3.5. Ağır bir çekirdekteki alfa parçacığının enerji seviyesinin diyagramı
Bir alfa parçacığı çekirdeği terk ettiğinde, bu enerji, bozunma ürünlerinin kinetik enerjisi olarak serbest biçimde serbest bırakılır: alfa parçacığı ve yeni çekirdek. Kinetik enerji bu bozunma ürünleri arasında kütleleriyle ters orantılı olarak dağıtılır ve alfa parçacığının kütlesi yeni oluşan çekirdeğin kütlesinden çok daha az olduğundan bozunma enerjisinin neredeyse tamamı alfa parçacığı tarafından taşınır. Böylece büyük bir doğrulukla E α alfa parçacığının bozunma sonrası kinetik enerjisidir.
Ancak enerjinin salınımı Coulomb potansiyel bariyeri tarafından engellenmektedir. İngiltere(bkz. Şekil 3.5), bir alfa parçacığının geçiş olasılığı küçüktür ve azaldıkça çok hızlı bir şekilde düşer E α. Bu nedenle (3.12) bağıntısı alfa bozunumu için yeterli bir koşul değildir.
Çekirdeğe giren veya çekirdeği terk eden yüklü bir parçacık için Coulomb bariyerinin yüksekliği, yüküyle orantılı olarak artar. Bu nedenle Coulomb bariyeri, diğer sıkı bağlı hafif çekirdeklerin ağır çekirdeklerden kaçmasına karşı daha da büyük bir engel oluşturur. 12°C veya 16 Ç. Bu çekirdeklerdeki bir nükleonun ortalama bağlanma enerjisi, çekirdektekinden bile daha yüksektir. 4 Değil, yani bazı durumlarda çekirdeğin emisyonu 16 Ç Sırayla dört alfa parçacığı yaymak yerine enerji açısından daha uygun olurdu. Ancak çekirdekten daha ağır çekirdeklerin emisyonu 4 Değil, görünmüyor.
Çöküşün açıklaması. Alfa bozunmasının mekanizması kuantum mekaniği ile açıklanmaktadır, çünkü bu süreç klasik fizik çerçevesinde imkansızdır. Potansiyel kuyusunun dışında yalnızca dalga özelliklerine sahip bir parçacık görünebilir. E α . Dahası, yalnızca bire eşit olasılığa sahip sonsuz genişliğe sahip bir potansiyel bariyerin, potansiyel kuyusu içindeki bir parçacığın varlığını sınırladığı ortaya çıktı. Eğer bariyerin genişliği sonluysa, potansiyel bariyerin ötesine geçme olasılığı temelde her zaman sıfırdan farklıdır. Doğru, bu olasılık bariyerin genişliği ve yüksekliği arttıkça hızla azalır. Kuantum mekaniği aparatı bariyer şeffaflığı veya olasılığı için aşağıdaki ifadeye yol açar ω Bir parçacığın duvarına çarptığında potansiyel bariyerin dışında olması için:
(3.13)
Yarıçaplı küresel bir potansiyel kuyusunun içinde bir alfa parçacığını hayal edersek R, hızla hareket ediyor v α o zaman çukur duvarları üzerindeki darbelerin sıklığı v α/R ve daha sonra bir alfa parçacığının birim zamanda çekirdekten ayrılma olasılığı veya bozunum sabiti, birim zaman başına yapılan deneme sayısı çarpı duvarla bir çarpışmada bariyeri geçme olasılığının çarpımına eşit olacaktır:
, (3.14)
gerçeklerden uzak hükümler kabul edildiği için bazı belirsiz katsayılar var: alfa parçacığı çekirdekte serbestçe hareket etmiyor ve genel olarak çekirdeklerin bileşiminde alfa parçacığı yok. Alfa bozunması sırasında dört nükleondan oluşur. Değer, çekirdekte bir alfa parçacığının oluşma olasılığının anlamına gelir; bu, potansiyel kuyunun duvarlarıyla çarpışma sıklığı eşittir. v α/R.
Deneyimle karşılaştırma. Bağımlılığa (3.14) dayanarak, alfa bozunması sırasında gözlemlenen birçok olay açıklanabilir. Alfa aktif çekirdeklerin yarı ömrü ne kadar uzunsa, enerji o kadar düşük olur E α Alfa parçacıklarının bozunması sırasında yayılır. Bununla birlikte, eğer yarılanma ömürleri bir mikrosaniyenin kesirlerinden milyarlarca yıla kadar değişiyorsa, bu durumda değişimin aralığı E α kütle numaralı çekirdekler için çok küçük ve yaklaşık 4-9 MeV A>200. Yarı ömrün düzenli bağımlılığı E α uzun zaman önce doğal α-aktif radyonüklitlerle yapılan deneylerde keşfedilmiştir ve aşağıdaki ilişkiyle tanımlanmaktadır:
(3.15)
nerede ve farklı radyoaktif aileler için biraz farklılık gösteren sabitlerdir.
Bu ifadeye Geiger-Nattall yasası denir ve bozunum sabitinin güç yasasına bağımlılığını temsil eder. λ itibaren E αçok yüksek bir oranla. Böyle güçlü bir bağımlılık λ itibaren E α alfa parçacığının potansiyel bir bariyerden geçiş mekanizmasından doğrudan kaynaklanır. Bariyerin şeffaflığı ve dolayısıyla bozulma sabiti λ alan integraline bağlıdır R1-R büyümeyle birlikte katlanarak ve hızla artar E α. Ne zaman E α 9 MeV'ye yaklaştığında alfa bozunumuna göre ömür saniyenin küçük kesirleridir; 9 MeV'lik bir alfa parçacığı enerjisinde, alfa bozunması neredeyse anında meydana gelir. anlamını merak ediyorum E α hala Coulomb bariyerinin yüksekliğinden önemli ölçüde daha az İngiltereÇift yüklü bir nokta parçacık için ağır çekirdekler için bu değer yaklaşık 30 MeV'dir. Sonlu boyutlu bir alfa parçacığının bariyeri biraz daha düşüktür ve 20-25 MeV olarak tahmin edilebilir. Bu nedenle, Coulomb potansiyel bariyerinin bir alfa parçacığı tarafından geçişi, eğer enerjisi bariyer yüksekliğinin üçte birinden düşük değilse çok verimlidir.
Coulomb bariyerinin şeffaflığı aynı zamanda çekirdeğin yüküne de bağlıdır çünkü Coulomb bariyerinin yüksekliği bu yüke bağlıdır. Kütle numaralı çekirdekler arasında alfa bozunması gözleniyor A>200 ve bölgede A~150. Coulomb bariyerinin olduğu açıktır. A~150 aynı durum için alfa bozunması olasılığı gözle görülür biçimde daha düşüktür E α Daha büyük.
Bir alfa parçacığının herhangi bir enerjide bir bariyeri aşması teorik olarak mümkün olsa da, bu sürecin deneysel olarak belirlenebilmesinde sınırlamalar vardır. Yarılanma ömrü 10 17 – 10 18 yıldan fazla olan çekirdeklerin alfa bozunumunu belirlemek mümkün değildir. Karşılık gelen minimum değer E α daha ağır çekirdekler için daha yüksektir ve çekirdekler için 4 MeV'dir. A>200 ve çekirdekler için yaklaşık 2 MeV A~150. Sonuç olarak, (3.12) ilişkisinin gerçekleşmesi, çekirdeğin alfa bozunumuna göre kararsızlığını göstermez. (3.12) bağıntısının kütle numarası 140'tan büyük olan tüm çekirdekler için geçerli olduğu ortaya çıkmıştır, ancak bu bölgede A>140 Doğal olarak oluşan tüm kararlı nüklidlerin yaklaşık üçte birini içerir.
Kararlılığın sınırları. Radyoaktif aileler. Ağır çekirdeklerin alfa bozunumuna göre kararlılığının sınırları nükleer kabuk modeli kullanılarak açıklanabilir. Yalnızca kapalı proton veya nötron kabuklarına sahip olan çekirdekler özellikle sıkı bir şekilde bağlanmıştır. Bu nedenle orta ve ağır çekirdekler için nükleon başına bağlanma enerjisi artan oranda azalsa da A, bu düşüş yaklaştıkça her zaman yavaşlar A sihirli sayıya ulaşır ve geçtikten sonra hızlanır A protonların veya nötronların sihirli sayısı aracılığıyla. Sonuç olarak enerji E α sihirli çekirdekler için alfa bozunmasının gözlemlendiği minimum değerden önemli ölçüde daha düşük olduğu veya çekirdeğin kütle numarasının sihirli çekirdeğin kütle numarasından daha az olduğu ortaya çıkıyor. Tam tersine enerji E α değerleri aşan kütle sayılarına sahip çekirdekler için aniden artar A sihirli çekirdekler ve alfa bozunması açısından minimum pratik kararlılığı aşıyor.
Kütle sayıları alanında A~150 alfa-aktif olanlar, çekirdekleri sihirli sayı 82'den daha fazla iki veya daha fazla nötron içeren nüklidlerdir. Bu nüklidlerden bazılarının yarı ömürleri, Dünya'nın jeolojik yaşından çok daha uzundur ve bu nedenle doğal formlarında sunulurlar - bunlar 144 Nd nüklidlerdir , 147 Sm, 149 Sm, 152 Gd. Diğerleri nükleer reaksiyonlarla üretildi. İkincisi, karşılık gelen kütle sayılarına sahip kararlı nüklidlerle karşılaştırıldığında nötron eksikliğine sahiptir ve bu nüklidler için β + bozunması genellikle alfa bozunması ile rekabet eder. En ağır kararlı nüklid 209 ÇiftÇekirdeği sihirli sayıda 126 nötron içerir. Bizmutu oluşturan element olan kurşunun sihirli sayısı 82'dir ve kurşunun sihirli sayısı 82'dir. 208 adetçift sihirli bir nükliddir. Tüm ağır çekirdekler radyoaktiftir.
Alfa bozunması sonucu ürün çekirdeği nötronlarca zenginleştiğinden, birkaç alfa bozunmasını beta bozunması takip eder. İkincisi çekirdekteki nükleonların sayısını değiştirmez, dolayısıyla kütle numarasına sahip herhangi bir çekirdek A>209 ancak belirli sayıda alfa bozunmasından sonra kararlı hale gelebilir. Alfa bozunması sırasında nükleon sayısı aynı anda 4 birim azaldığından, her biri kendi nihai ürününe sahip dört bağımsız bozunma zincirinin varlığı mümkündür. Bunlardan üçü doğada bulunur ve doğal radyoaktif aileler olarak adlandırılır. Doğal aileler, kurşunun izotoplarından birinin oluşmasıyla çürümelerine son verirler; dördüncü ailenin son ürünü nükliddir. 209 Çift(bkz. tablo 3.1).
Doğal radyoaktif ailelerin varlığı üç uzun ömürlü alfa-aktif nüklidden kaynaklanmaktadır: 232 Bin, 235 U, 238 U, yarı ömürleri Dünyanın jeolojik yaşıyla (5.10 9 yıl) karşılaştırılabilir. Soyu tükenen dördüncü ailenin en uzun yaşayan temsilcisi nükliddir. 237 Np- uranyum ötesi element neptunyumun izotopu.
Tablo 3.1. Radyoaktif aileler
Günümüzde ağır çekirdeklerin nötron ve hafif çekirdeklerle bombardıman edilmesiyle uranyum ötesi elementlerin (Z>92) izotopları olan birçok nüklid elde edilmiştir. Hepsi dengesiz ve dört aileden birine ait.
Doğal familyalardaki bozunmaların sırası Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.6. Alfa bozunması ve beta bozunması olasılıklarının karşılaştırılabilir olduğu durumlarda, alfa veya beta parçacıklarının emisyonu ile çekirdeklerin bozunmasına karşılık gelen çatallar oluşur. Bu durumda nihai bozunma ürünü değişmeden kalır.
Pirinç. 3.6. Doğal ailelerdeki çürüme kalıpları.
Verilen isimler, doğal bozunma zincirlerinin ilk çalışması sırasında radyonüklitlere verilmiştir.
Kararsız çekirdeklerin bozunması için farklı seçeneklerle ve çekirdeğin anında çökmesini önlemenin farklı yolları ile alfa bozunumuyla tanışmaya başlayalım. Bir alfa parçacığı, iki proton ve iki nötrondan oluşan bir helyum atomunun çekirdeğidir. Bu kombinasyon özellikle nükleer kuvvetler tarafından sıkı bir şekilde bir arada tutulmaktadır. Bu nedenle, ağır bir çekirdek fazladan proton ve nötronları kaybetmeye hazırsa, kural olarak bir alfa parçacığı şeklinde uçarlar. Bu sürece alfa bozunması denir.
Aslında çekirdek alfa parçacığını öylece bırakmayacaktır; sonuçta aralarında nükleer çekim kuvvetleri etki eder. Şimdi, eğer parçacık zaten çekirdekten kopmuş ve gözle görülür bir mesafeye uzaklaşmış olsaydı, o zaman aralarındaki elektriksel itme kuvvetleri onları uzaklaştırırdı. Ancak bu alana nüfuz etmek kolay değil - özgürlüğe giden yolda alfa parçacığının yüksek ve geniş potansiyel enerji bariyerini bir şekilde aşması gerekiyor. Parçacığı serbest bırakmaz ve böylece çekirdeğin anlık alfa bozunmasını önler. Alfa parçacığı çekirdeğin içinde hızla hareket ediyor ve sürekli olarak potansiyel bir bariyere çarpıyor gibi görünüyor.
Neyse ki kuantum mekaniğinde parçacıklar lokalize değil, uzayda biraz dağılmış durumdadır. Bu nedenle, bazılarında çok küçük ama yine de sıfır olmayan olasılıkla, bir alfa parçacığı er ya da geç kendisini bariyerin diğer tarafında bulabilecektir. Parçacık tünelleri, bu bariyeri aşmak için yeterli enerjiye sahip olmamasına rağmen potansiyel bariyerden geçer. Ve şimdi, sonunda kendisini bariyerin diğer tarafında bulan parçacık, yalnızca elektriksel itmeyi hissediyor ve zevkle uçup gidiyor.
Alfa bozunmasına hazır bir çekirdeğin ömrü bu bariyerin özelliklerine göre belirlenir. Bariyer ne kadar yüksek ve geniş olursa dışarı sızma olasılığı da o kadar az olur, bu da alfa bozunmasının oluşmasının o kadar uzun süreceği anlamına gelir. Bazı durumlarda bariyerin aşılması çok zordur ve çekirdeğin ömrünün milyarlarca yıla kadar delicesine uzun olduğu ortaya çıkar. Diğer durumlarda bariyer zayıftır ve çürüme çok hızlı gerçekleşir. Örneğin, alfa bozunması yapabilen en basit çekirdek - berilyum-8, 8 Be - dört proton ve dört nötron içerir ve bu nedenle büyük bir zevkle iki alfa parçacığına bozunur. Ömrü yarım asır önce ölçülmüştü ve 10 −16 s = 100 ac. Bunun hızlı bir bozunma olmasına rağmen nükleer ölçekte yine de yaklaşık bir milyon tipik nükleer döngü gerektirdiğini unutmayın.
Bu arada, 8 Be çekirdeğinin bu kadar kararsız olması gerçeğinin, Evrendeki kimyasal elementlerin sentezi ve nihayetinde yaşam üzerinde çok büyük etkileri var! Yıldızların derinliklerinde hidrojen yavaş yavaş yanarak helyuma dönüşür. Alfa parçacıkları olan helyum çekirdekleri sürekli etrafta uçuşarak birbirleriyle çarpışıyor ve zaman zaman berilyum-8'i oluşturuyor. Eğer bu çekirdek kararlı olsaydı ya da en azından uzun ömürlü olsaydı, yeni alfa parçacıkları hızla ona yapışarak karbon, nitrojen vb. oluşturacaktı. Başka bir deyişle helyumun tamamı çok çabuk tükenir. Gerçekte, 8 Be o kadar hızlı bozunuyor ki, içine başka bir alfa parçacığını sokmak için nadiren zaman buluyor. Yıldızlardaki helyumun bu kadar kolay yanmamasının nedeni budur. Alfa parçacıklarının ara berilyum-8 yoluyla karbona üçlü dönüşüm süreci ancak çok geç aşamalarda, yıldızdaki basınç arttığında tam hızda başlatılır.
Çoğu atomun çekirdeği oldukça kararlı oluşumlardır.
Bununla birlikte, radyoaktif bozunma sürecinde radyoaktif maddelerin atomlarının çekirdekleri kendiliğinden diğer maddelerin atomlarının çekirdeklerine dönüşür. yani 1903 Rutherford'un keşfi bir kaba yerleştirilen radyum bir süre sonraradon. Ve kapta ilave helyum belirdi.Alfa bozunması
Alfa bozunması sırasında bir alfa parçacığı yayılır (çekirdek
helyum atomu). Atom çekirdeğinde proton sayısı Z ve nötron N olan bir maddeden, proton sayısı Z-2 ve nötron sayısı N-2, atom kütlesi A-4 olan bir maddeye dönüşür. Yani, ortaya çıkan element periyodik tabloda iki hücre geriye kaydırılır.
Alfa bozunması intranükleer süreç. Ağır çekirdeğin bir parçası olarak, nükleer ve elektrostatik kuvvetlerin karmaşık bir kombinasyonu nedeniyle, Coulomb kuvvetleri tarafından diğer nükleonlardan çok daha aktif bir şekilde dışarı itilen bağımsız bir a parçacığı oluşur. Belirli koşullar altında nükleer etkileşimin kuvvetlerinin üstesinden gelebilir ve çekirdeğin dışına uçabilir.
Beta bozunması
Beta bozunması sırasında bir elektron (β parçacığı) yayılır. Bir nötronun bir proton, elektron ve antinötrinoya bozunması sonucunda çekirdeğin bileşimi bir proton artar ve elektron ve antinötrino dışarıya doğru yayılır. Sırasıyla,
ortaya çıkan element periyodik tabloda bir hücre ileri kaydırılır.
β bozunumu örneği:
Gama bozunması
Gama bozunması, uyarılmamış duruma kıyasla daha fazla enerjiye sahip oldukları uyarılmış bir durumdaki çekirdekler tarafından gama kuantasının emisyonudur. Çekirdekler, nükleer reaksiyonlar veya radyoaktif reaksiyonlar sırasında uyarılmış bir duruma gelebilir.
Nötron, proton, küme radyoaktivitesi ve diğer bazı çok nadir bozunma türlerinin emisyonu ile bozunmalar vardır. Ancak baskın radyoaktivite türleri alfa, beta ve gama bozunmasıdır.
Çürüme tablosu
Radyoaktivite türü | Nükleer yükte değişiklik Z | Kütle numarası değişikliği A | Sürecin doğası |
Bir alfa parçacığının emisyonu - birbirine bağlı iki proton ve iki nötrondan oluşan bir sistem |
|||
Bir nötronun () ve bir protonun () çekirdeğindeki karşılıklı dönüşümler |
|||
β bozunması |
|
||
β+ bozunması |
|
||
Elektronik yakalama (e – - veya K yakalama) |
Ve – elektron nötrino ve antinötrino |
||
Kendiliğinden fisyon | Z – (1/2)A | A– (1/2)A | Bir çekirdeğin genellikle yaklaşık olarak eşit kütle ve yüke sahip iki parçaya bölünmesi |
E. Rutherford bu radyasyonun iki bileşenini keşfetti: daha az nüfuz eden, adı verilen α- radyasyon ve daha nüfuz edici, denir - radyasyon. Uranyum radyasyonunun üçüncü bileşeni, en nüfuz edici olanı, daha sonra 1900 yılında Paul Willard tarafından keşfedildi ve Rutherford serisine benzetilerek γ-radyasyonu olarak adlandırıldı. Rutherford ve çalışma arkadaşları radyoaktivitenin bozunmayla ilişkili olduğunu gösterdi
ohm atomları (çok daha sonra atom çekirdeklerinin parçalanmasından bahsettiğimiz anlaşıldı), onlardan belirli bir tür radyasyonun salınmasıyla birlikte. Bu sonuç, fizik ve kimyada hakim olan atomların bölünmezliği kavramına ezici bir darbe indirdi.
Rutherford'un daha sonraki çalışmalarında α-radyasyonunun bir akış olduğu gösterildi. α parçacıklarıçekirdekten başka bir şey olmayan helyum izotop 4 He, A
β radyasyonu oluşur elektronlar Ve γ radyasyonu yüksek frekanslı bir elektromanyetik akıştır kuantum uyarılmış durumdan daha düşük durumlara geçiş sırasında atom çekirdeği tarafından yayılır. Çekirdeklerin β bozunması. Bu fenomenin teorisi ancak 1933 yılında Wolfgang Pauli'nin sıfıra yakın dinlenme kütlesine sahip ve nötrino olarak adlandırılan nötr bir parçacığın beta bozunmasında doğumuyla ilgili hipotezini kullanan Enrico Fermi tarafından yaratıldı. Fermi, β-bozunmasının doğadaki yeni bir parçacık etkileşimi türü - "zayıf" etkileşimden kaynaklandığını ve bir nötronun ana çekirdeğindeki bir elektron e - ve antinötrino emisyonu ile bir protona dönüşüm süreçleriyle ilişkili olduğunu keşfetti. (β - bozunma), bir pozitron e + ve nötrino ν (β + -bozunma) emisyonu ile bir protonun bir nötrona dönüşmesi ve ayrıca bir atomik elektronun bir proton tarafından yakalanması ve nötrinoların ν (elektron) emisyonu ile esir almak).
1940'ta Rusya'da keşfedilen dördüncü radyoaktivite türü
genç fizikçiler G.N. Flerov ve K.A. Pietrzak, bazı oldukça ağır çekirdeklerin yaklaşık olarak eşit kütleli iki parçaya bozunduğu kendiliğinden nükleer fisyonla ilişkilidir. Ancak fisyon, atom çekirdeğinin her türlü radyoaktif dönüşümünü tüketmedi. 50'li yıllardan bu yana fizikçiler, çekirdeklerdeki proton radyoaktivitesinin keşfine metodik olarak yaklaştılar. Temel haldeki bir çekirdeğin kendiliğinden proton yayabilmesi için protonun çekirdekten ayrılma enerjisinin pozitif olması gerekir. Ancak bu tür çekirdekler karasal koşullar altında mevcut değildir ve bunların yapay olarak yaratılması gerekiyordu. Dubna'daki Rus fizikçiler bu tür çekirdekleri elde etmeye çok yaklaşmışlardı, ancak proton radyoaktivitesi, 1982'de dünyanın en güçlü çoklu yüklü iyon hızlandırıcısını kullanan Darmstadt'taki Alman fizikçiler tarafından keşfedildi.
Sonunda, 1984 yılında, İngiltere ve Rusya'daki bağımsız bilim insanları grupları, kendiliğinden kümeler yayan bazı ağır çekirdeklerin (atom ağırlığı 14'ten 34'e kadar olan atom çekirdekleri) küme radyoaktivitesini keşfettiler.
Alfa bozunması
Alfa bozunması
Alfa bozunması(veya α-bozunması), alfa parçacıklarının (helyum atom çekirdekleri) atom çekirdekleri tarafından kendiliğinden emisyonudur. Bir α parçacığı, iki proton ve iki nötronun (yani bir helyum çekirdeğinin) bağlı durumu olduğundan, α bozunmasının bir sonucu olarak, son çekirdek, başlangıçtaki çekirdekten 2 proton ve 2 nötron daha az içerir. Örneğin, 94 proton dahil 239 nükleon içeren bir plütonyum çekirdeğinin α bozunması şu şekilde yazılır: 239 Pu→ 235 U + α. Çürümeden sonraki son çekirdek, 92'si proton olmak üzere 235 nükleon içeren uranyum çekirdeğidir. Alfa bozunması, en az 60 proton içeren çekirdekler için enerjik olarak mümkün hale gelir.
α bozunmasının meydana gelebilmesi için, başlangıçtaki M(A,Z) çekirdeğinin kütlesinin, son çekirdek M(A-4, Z-2) ile α parçacığının kütlelerinin toplamından büyük olması gerekir. m α:
M(A,Z) > M(A-4, Z-2) + m α .
α-bozunma enerjisi
Q a = c 2 .
α bozunması sırasında açığa çıkan enerji genellikle şu aralıkta bulunur:
2–9 MeV (1 MeV = 1.6.10 -13 J) ve ana kısım (≈%98) kinetik enerjisi formunda α parçacığı tarafından taşınır. Geriye kalan %2, son çekirdeğin kinetik enerjisidir. Alfa yayıcıların yarı ömürleri çok geniş bir aralıkta değişir: 5'ten. 10 -8 saniyeden 8'e. 10 18 yaşında. Yarı ömürlerin bu kadar geniş bir yayılımı ve birçok alfa radyoaktif çekirdek için bu periyotların muazzam değerleri, enerjik olmasına rağmen bir a parçacığının çekirdeği "anında" terk edememesiyle açıklanmaktadır. elverişli. Çekirdeği terk etmek için, bir α parçacığının potansiyel bir bariyeri (a parçacığı ile son çekirdek arasındaki elektrostatik itmenin potansiyel enerjisi ve nükleonlar arasındaki çekici kuvvetler nedeniyle oluşan çekirdeğin sınırındaki bir bölge) aşması gerekir. Klasik fizik açısından α -
Parçacık potansiyel engeli aşamaz çünkü bunun için gerekli kinetik enerjiye sahip değildir. Ancak kuantum mekaniği bu olasılığa izin verir; bir alfa parçacığının potansiyel bariyeri geçip çekirdeği terk etme olasılığı belirlidir. Bu kuantum mekaniği olgusuna "tünel etkisi" veya "tünel açma" adı verilir. Bariyer ne kadar yüksek olursa, tünel açma olasılığı o kadar düşük olur ve yarı ömür de o kadar uzun olur. α-yayıcıların yarı ömürlerinin büyük aralığı, α-parçacıklarının kinetik enerjilerinin ve potansiyel engellerin yüksekliklerinin farklı kombinasyonlarıyla açıklanmaktadır. Eğer bariyer mevcut değilse, o zaman alfa -
parçacık çekirdeği ≈10 -21 – 10 -23 saniyelik bir sürede terk edecektir.
α-bozunmasının en basit modeli 1928'de G. Gamow ve bağımsız olarak G. Gurney ve E. Condon tarafından önerildi. Bu modelde α parçacığının çekirdekte sürekli olarak var olduğu varsayılmıştır. Alfa parçacığı çekirdekteyken ona nükleer çekim kuvvetleri etki eder. Etki aralıkları R'dir. Nükleer potansiyel V 0'dır. Nükleer yüzeyin dışında r > R'de potansiyel Coulomb'dur
V(r) = 2Ze 2 /r.
Nükleer çekici potansiyel ile Coulomb itme potansiyelinin birleşik etkisinin basitleştirilmiş bir diyagramı şekilde gösterilmektedir. Çekirdeği terk etmek için, bir α parçacığının R'den Rc'ye kadar olan bölgede bulunan potansiyel bir bariyerden geçmesi gerekir. Alfa bozunmasının D olasılığı esas olarak α parçacıklarının Coulomb potansiyel bariyerinden geçme olasılığıyla belirlenir.
Bu model çerçevesinde, α bozunması olasılığının α parçacığının enerjisine olan güçlü bağımlılığını açıklamak mümkün olmuştur.
Bu nedenle, radyoaktif çekirdeklerden α parçacıklarının emisyonu tünel etkisinden kaynaklanmaktadır. Benzer olaylar, bir metalden elektronların yayılması veya elektronların iletim bandına nüfuz etmesidir. Bütün bu durumlarda parçacıkların dalga özellikleri ortaya çıkar.
Deneysel olarak oluşturulan Geiger-Nettall yasası yarılanma ömrü arasındaki ilişkiyi göstermektedir. T 1/2 α-radyoaktif çekirdekler ve yayılan α parçacığının E α enerjisi
Alfa bozunması- alfa parçacıklarının (4 He çekirdeği) emisyonu ile birlikte atom çekirdeklerinin bozunması.
Bazı izotoplar kendiliğinden alfa parçacıkları yayabilir (alfa bozunması deneyimi yaşar), yani. öyle alfa radyoaktif
. Nadir istisnalar dışında (örneğin 8 Be) alfa radyoaktivitesi hafif ve orta çekirdekler arasında bulunmaz. Alfa radyoaktif izotopların büyük çoğunluğu (200'den fazla) periyodik tabloda ağır çekirdekler bölgesinde (Z > 83) bulunur. Nadir toprak elementleri arasında yaklaşık 20 alfa radyoaktif izotop da bilinmektedir; ayrıca alfa radyoaktivitesi, proton kararlılık sınırına yakın bulunan çekirdeklerin karakteristiğidir. Bunun nedeni, alfa bozunmasının Coulomb itmesiyle ilişkili olmasıdır; nükleer boyutlar, kütle numarası A ile doğrusal olarak artan nükleer çekici kuvvetlerden daha hızlı arttıkça (Z2 olarak) artar.
Enerjinin korunumu yasasından kaynaklanan koşul yerine getirilirse çekirdek alfa radyoaktiftir
buna denir alfa bozunumu enerjisi . Çekirdekler ayrıca son çekirdeklerin uyarılmış durumlarına ve başlangıç çekirdeklerinin uyarılmış durumlarına doğru alfa bozunmasına uğrayabilir. Bu nedenle alfa bozunum enerjisi (2) için ilişki aşağıdaki şekilde genelleştirilebilir
| Q α = (M(A,Z) - M(A-4,Z-2) - M α) ile 2 + - , |
sırasıyla başlangıç ve son çekirdeklerin uyarılma enerjileri nerede ve nerededir. Uyarılmış durumların bozunması sonucu ortaya çıkan alfa parçacıklarına denir. uzun mesafe
. A > 190 olan çoğu çekirdek için ve 150 olan birçok çekirdek için< A < 190 условие (12) выполняется, однако далеко не все они
считаются альфа-радиоактивными. Дело в том, что современные экспериментальные
возможности не позволяют обнаружить альфа-радиоактивность для нуклидов с
периодом полураспада большим, чем 10 16 лет. Кроме того, часть
“потенциально” альфа-радиоактивных ядер испытывают также бета-распад, который
сильно конкурирует с альфа-распадом.
Alfa bozunumu enerjisinin büyük bir kısmı (yaklaşık %98) alfa parçacıkları tarafından taşınır. Alfa parçacığı T α'nın kinetik enerjisi için enerjinin ve momentumun korunumu yasalarını kullanarak aşağıdaki ilişkiyi elde edebiliriz:
|
Bilinen alfa radyoaktif nüklidlerin yarı ömürleri 212 Po için 0,298 μs ile 144 Nd, 174 Hf için >10 15 yıl arasında değişir. Ağır çekirdekler tarafından temel durumlardan yayılan alfa parçacıklarının enerjisi 4 - 9 MeV'dir, nadir olarak dünya çekirdekleri 2 - 4,5 MeV.
Alfa bozunmasının önemli bir özelliği, alfa parçacıklarının enerjisindeki küçük bir değişiklikle yarı ömürlerin birçok büyüklük düzeyinde değişmesidir. Yani 232 Th Q α = 4,08 MeV için, T 1/2 = 1,41·10 10 yıl ve 218 Th Q α = 9,85 MeV için T 1/2 = 10 μs. Enerjideki 2 katlık bir değişiklik, yarı ömürde 24 büyüklük düzeyinde bir değişikliğe karşılık gelir.
Bir elementin çift-çift izotopları için yarı ömrün alfa bozunma enerjisine bağımlılığı ampirik Geiger-Nettol yasasıyla iyi bir şekilde tanımlanır.
burada T 1/2 sn, Q α MeV cinsinden. İncirde. Şekil 1, 119 alfa-radyoaktif çift-çift çekirdeklerin (Z 74'ten 106'ya kadar) yarı ömürlerinin deneysel değerlerini ve bunların (6) ilişkisini kullanarak açıklamalarını göstermektedir.
|
Tek-çift, çift-tek ve tek-tek çekirdekler için genel eğilim devam etmektedir, ancak bunların yarı ömürleri, Z ve Q α verilen çift-çift çekirdeklere göre 2 ila 1000 kat daha uzundur.
Alfa bozunmasının ana özellikleri, özellikle de alfa bozunması olasılığının enerjiye güçlü bağımlılığı, 1928'de G. Gamow ve ondan bağımsız olarak R. Gurney ve E. Condon tarafından açıklandı. Alfa bozunması olasılığının esas olarak bir alfa parçacığının potansiyel bir bariyerden geçme olasılığıyla belirlendiğini gösterdiler.
Basit bir alfa bozunumu modelini ele alalım. Alfa parçacığının R yarıçaplı küresel bir bölgede hareket ettiği varsayılmaktadır; burada R, çekirdeğin yarıçapıdır. Onlar. Bu modelde alfa parçacığının çekirdekte sürekli olarak mevcut olduğu varsayılmaktadır.
Alfa bozunması olasılığı, f çekirdeğinin sınırında bir alfa parçacığı bulma olasılığı ile bunun potansiyel bariyer D'den geçme olasılığının (bariyerin şeffaflığı) çarpımına eşittir.
f'yi, bir alfa parçacığının bariyerin iç sınırları üzerinde birim zaman başına deneyimlediği çarpışma sayısıyla tanımlayabiliriz, o zaman
 |
burada v, Ta, a - çekirdeğin içindeki hız, kinetik enerji ve alfa parçacığının azaltılmış kütlesi, V 0 - nükleer potansiyel. İfade (8)'de V 0 = 35 MeV, Ta = 5 MeV'yi değiştirerek, A 200, f 10 21 s -1'li çekirdekler için elde ederiz.
Şekil 2, alfa parçacığı ile artık çekirdek arasındaki potansiyel enerjinin merkezleri arasındaki mesafeye bağımlılığını göstermektedir. Coulomb potansiyeli, artık çekirdeğin yarıçapına yaklaşık olarak eşit olan R mesafesinde kesilir. Coulomb bariyerinin Bk yüksekliği şu ilişki ile belirlenir:
 MeV |
Burada Z ve z, sırasıyla artık çekirdeğin ve alfa parçacığının yükleridir (elektron yükü birimleri cinsinden). Örneğin 238 U B k 30 MeV için.
Üç alan ayırt edilebilir.
|
|
(Coulomb bariyerinin etkisi, bir alfa parçacığının çekirdeğe doğru uçtuğu nükleer reaksiyon durumunda da benzerdir. Enerjisi Coulomb bariyerinin yüksekliğinden azsa, büyük olasılıkla Coulomb alanı tarafından saçılacaktır. çekirdeğin içine nüfuz etmeden ve nükleer reaksiyona neden olmadan. Bu tür alt bariyer reaksiyonlarının olasılığı çok küçüktür.)
Yükleniyor...
