معظم النوى الذرية غير مستقرة. عاجلاً أم آجلاً ، هم تلقائيًا (أو ، كما يقول الفيزيائيون ، بطريقة عفوية) تتحلل إلى نوى أصغر وجسيمات أولية ، والتي تسمى عادة منتجات الاضمحلالأو العناصر التابعة.تسمى الجسيمات المتحللة مواد البدايةأو الآباء.تحتوي جميع المواد الكيميائية المألوفة لدينا (الحديد والأكسجين والكالسيوم وما إلى ذلك) على نظير مستقر واحد على الأقل. ( النظائرتسمى أنواعًا مختلفة من عنصر كيميائي لها نفس عدد البروتونات في النواة - يتوافق هذا العدد من البروتونات مع الرقم التسلسلي للعنصر - لكن عددًا مختلفًا من النيوترونات.) حقيقة أن هذه المواد معروفة جيدًا لنا تشير إلى استقرارها - مما يعني أنها تعيش طويلاً بما يكفي لكي تتراكم بكميات كبيرة في الظروف الطبيعية ، دون أن تتفتت إلى مكونات. لكن كل عنصر من العناصر الطبيعية يحتوي أيضًا على نظائر غير مستقرة - يمكن الحصول على نواتها في عملية التفاعلات النووية ، لكنها لا تعيش طويلاً ، لأنها تتحلل بسرعة.

يمكن أن يحدث اضمحلال نوى العناصر المشعة أو النظائر بثلاث طرق رئيسية ، ويتم تسمية تفاعلات الاضمحلال النووي المقابلة بالأحرف الثلاثة الأولى من الأبجدية اليونانية. في تسوس ألفايتم إطلاق ذرة هيليوم تتكون من بروتونين ونيوترونين - يطلق عليها عادة جسيم ألفا. نظرًا لأن تحلل ألفا يستلزم انخفاضًا في عدد البروتونات الموجبة الشحنة في الذرة بمقدار اثنين ، فإن النواة التي تنبعث من جسيم ألفا تتحول إلى نواة العنصر في موضعين أسفله في النظام الدوري لمندلييف. في تسوس بيتاتصدر النواة إلكترونًا ويتقدم العنصر في موضع واحد إلى الأماموفقًا للجدول الدوري (في هذه الحالة ، يتحول النيوترون في جوهره إلى بروتون بإشعاع هذا الإلكترون ذاته). أخيراً، تحلل جاما -هذه اضمحلال النوى مع انبعاث فوتونات عالية الطاقة ، والتي تسمى عادة أشعة جاما. في هذه الحالة ، تفقد النواة طاقتها ، لكن العنصر الكيميائي لا يتغير.

ومع ذلك ، فإن حقيقة عدم استقرار نظير أو آخر لعنصر كيميائي في حد ذاته لا تعني على الإطلاق أنه بعد أن جمعت عددًا معينًا من نوى هذا النظير ، ستحصل على صورة لاضمحلالها المتزامن. في الواقع ، فإن اضمحلال نواة عنصر مشع يذكرنا إلى حد ما بعملية قلي الذرة في صناعة الفشار: تسقط الحبوب (النوى) من "الكوز" (النواة) واحدة تلو الأخرى ، بترتيب لا يمكن التنبؤ به تمامًا ، حتى يسقطوا جميعًا. في الواقع ، ينص القانون الذي يصف تفاعل الاضمحلال الإشعاعي فقط على هذه الحقيقة: لفترة زمنية محددة ، تصدر النواة المشعة عددًا من النكليونات يتناسب مع عدد النيوكليونات المتبقية في تكوينها. أي أنه كلما بقي عدد أكبر من نيوكليونات الحبوب في قطعة نواة "غير مطبوخة جيدًا" ، سيتم إطلاق المزيد منها خلال فترة زمنية ثابتة "للقلي". عند ترجمة هذه الاستعارة إلى لغة الصيغ الرياضية ، نحصل على معادلة تصف الانحلال الإشعاعي:

د ن = λNد ر

أين د ن-عدد النكليونات المنبعثة من النواة بإجمالي عدد النكليونات نفي الوقت المناسب د ر، أ λ - مصمم تجريبيا ثابت النشاط الإشعاعيالمادة قيد الدراسة. الصيغة التجريبية أعلاه هي معادلة تفاضلية خطية ، وحلها هو الوظيفة التالية ، والتي تصف عدد النكليونات المتبقية في النواة في ذلك الوقت ر:

ن = ن 0e- λt

أين ن 0 هو عدد النكليونات في النواة في لحظة الملاحظة الأولية.

وبالتالي يحدد ثابت النشاط الإشعاعي مدى سرعة تحلل النواة. ومع ذلك ، فإن الفيزيائيين التجريبيين عادة لا يقيسونها ، بل يقيسونها نصف الحياةالنواة (أي الفترة التي تصدر فيها النواة المدروسة نصف النوى الموجودة فيها). بالنسبة للنظائر المختلفة للمواد المشعة المختلفة ، يختلف عمر النصف (بالتوافق التام مع التوقعات النظرية) من جزء من المليار من الثانية إلى مليارات السنين. أي أن بعض النوى تعيش إلى الأبد تقريبًا ، وبعضها يتحلل على الفور حرفيًا (من المهم هنا أن نتذكر أنه بعد نصف العمر ، يبقى نصف الكتلة الكلية للمادة الأصلية ، بعد نصف عمر - ربع كتلتها ، بعد ثلاثة أنصاف عمر - ثُمن ، إلخ د.).

أما بالنسبة لحدوث العناصر المشعة ، فهي تولد بطرق مختلفة. على وجه الخصوص ، يتم قصف طبقة الأيونوسفير (الطبقة العليا من الغلاف الجوي) للأرض باستمرار بواسطة الأشعة الكونية ، التي تتكون من جزيئات ذات طاقات عالية ( سم.الجسيمات الأولية). تحت تأثيرها ، تنقسم الذرات طويلة العمر إلى نظائر غير مستقرة: على وجه الخصوص ، يتشكل نظير الكربون 14 غير المستقر مع 6 بروتونات و 8 نيوترونات في النواة باستمرار من النيتروجين المستقر 14 في الغلاف الجوي للأرض ( سم.التأريخ الإشعاعي).

لكن الحالة المذكورة أعلاه غريبة نوعًا ما. في كثير من الأحيان ، تتشكل العناصر المشعة في سلاسل التفاعلالانشطار النووي . هذا هو الاسم الذي يطلق على سلسلة من الأحداث التي تتحلل خلالها النواة الأصلية ("الأم") إلى "ابنتين" (مشعة أيضًا) ، والتي بدورها ، إلى أربع نوى "حفيدة" ، وما إلى ذلك. تستمر العملية حتى ذلك الحين حتى يتم الحصول على النظائر المستقرة. كمثال ، لنأخذ نظير اليورانيوم 238 (92 بروتونًا + 146 نيوترونًا) بعمر نصف يبلغ حوالي 4.5 مليار سنة. هذه الفترة ، بالمناسبة ، تساوي تقريبًا عمر كوكبنا ، مما يعني أن حوالي نصف اليورانيوم 238 من تكوين المادة الأولية لتكوين الأرض لا يزال في مجمل عناصر الأرض. طبيعة سجية. يتحول اليورانيوم 238 إلى ثوريوم -234 (90 بروتونًا + 144 نيوترونًا) ، نصف العمر الذي يبلغ 24 يومًا. يتحول الثوريوم - 234 إلى بلاديوم - 234 (91 بروتونًا + 143 نيوترونًا) بعمر نصف يبلغ 6 ساعات - وهكذا ، وبعد أكثر من عشر مراحل من الاضمحلال ، يتم أخيرًا الحصول على نظير مستقر للرصاص 206.

يمكن قول الكثير عن الاضمحلال الإشعاعي ، ولكن يجب التأكيد على بعض النقاط. أولاً ، حتى لو أخذنا عينة نقية من نظير مشع واحد كمواد أولية ، فسوف تتحلل إلى مكونات مختلفة ، وسرعان ما سنحصل حتمًا على "مجموعة" كاملة من المواد المشعة المختلفة ذات الكتل النووية المختلفة. ثانيًا ، السلاسل الطبيعية لتفاعلات الانحلال الذري تطمئننا بمعنى أن النشاط الإشعاعي ظاهرة طبيعية ، كانت موجودة قبل الإنسان بفترة طويلة ، ولا داعي لتحمل الخطيئة على النفس وإلقاء اللوم على الحضارة البشرية فقط لوجود خلفية إشعاعية. على الارض. كان اليورانيوم 238 موجودًا على الأرض منذ نشأته ، وهو يتحلل ويتحلل - وسوف يتحلل ، وتعمل محطات الطاقة النووية على تسريع هذه العملية ، في الواقع ، بجزء بسيط من نسبة مئوية ؛ حتى لا يكون لها أي تأثير ضار بشكل خاص ، بالإضافة إلى ما توفره الطبيعة ، عليك وعلي.

أخيرًا ، تمثل حتمية الانحلال الذري المشع تحديات وفرصًا محتملة للبشرية. على وجه الخصوص ، في سلسلة تفاعلات اضمحلال نوى اليورانيوم 238 ، يتكون الرادون -222 - غاز نبيل بدون لون ورائحة وطعم ، والذي لا يدخل في أي تفاعلات كيميائية ، لأنه غير قادر على تكوين مادة كيميائية سندات. هذا هو غاز خامل،وهو ينضح حرفياً من أحشاء كوكبنا. عادة لا يكون له أي تأثير علينا - فهو ببساطة يذوب في الهواء ويبقى هناك بتركيز صغير حتى يتحلل إلى عناصر أخف. ومع ذلك ، إذا ظل هذا الرادون غير المؤذي في غرفة غير مهواة لفترة طويلة ، فعندئذ بمرور الوقت ، ستبدأ نواتج الاضمحلال في التراكم هناك - وهي ضارة بصحة الإنسان (عند استنشاقها). هذه هي الطريقة التي نحصل بها على ما يسمى "مشكلة الرادون".

من ناحية أخرى ، تجلب الخصائص المشعة للعناصر الكيميائية للناس فوائد كبيرة إذا تم تناولها بحكمة. يتم الآن حقن الفوسفور المشع للحصول على صورة شعاعية لكسور العظام. درجة نشاطها الإشعاعي ضئيلة ولا تضر بصحة المريض. عند دخوله إلى النسيج العظمي للجسم مع الفوسفور العادي ، فإنه يصدر أشعة كافية لتثبيتها على أجهزة حساسة للضوء والتقاط صور لعظم مكسور من الداخل حرفياً. وفقًا لذلك ، يحصل الجراحون على فرصة إجراء كسر معقد ليس بشكل أعمى وعشوائي ، ولكن بعد أن درسوا مسبقًا بنية الكسر من هذه الصور. بشكل عام ، التطبيقات التصوير الشعاعيفي العلوم والتكنولوجيا والطب لا تعد ولا تحصى. وتعمل جميعها وفقًا لنفس المبدأ: الخصائص الكيميائية للذرة (في الواقع ، خصائص غلاف الإلكترون الخارجي) تجعل من الممكن أن تنسب مادة إلى مجموعة كيميائية معينة ؛ ثم ، باستخدام الخصائص الكيميائية لهذه المادة ، يتم تسليم الذرة "إلى المكان المناسب" ، وبعد ذلك ، باستخدام خاصية نوى هذا العنصر لتتحلل وفقًا لـ "الجدول الزمني" الذي تحدده قوانين الفيزياء ، يتم تسجيل منتجات الاضمحلال.

تمت دراسة بنية وخصائص الجسيمات والنوى الذرية لحوالي مائة عام في حالات الاضمحلال والتفاعلات.
التحلل هو تحول تلقائي لأي كائن في فيزياء العالم الصغير (نواة أو جسيم) إلى العديد من منتجات الاضمحلال:

يخضع كل من التحلل وردود الفعل لسلسلة من قوانين الحفظ ، من بينها يجب ذكر ، أولاً ، القوانين التالية:

فيما يلي ، سيتم مناقشة قوانين الحفظ الأخرى التي تعمل في حالات الاضمحلال والتفاعلات. القوانين المذكورة اعلاه هي الاهم والاهم يتم إجراؤها في جميع أنواع التفاعلات.(من الممكن أن قانون الحفاظ على شحنة الباريون ليس عالميًا مثل قوانين الحفظ 1-4 ، ولكن حتى الآن لم يتم العثور على انتهاك له).
عمليات تفاعل كائنات العالم المجهري ، والتي تنعكس في الاضمحلال وردود الفعل ، لديها الخصائص الاحتمالية.

يتحلل

التحلل التلقائي لأي كائن في فيزياء العالم الصغير (نواة أو جسيم) ممكن إذا كانت الكتلة المتبقية من نواتج الاضمحلال أقل من كتلة الجسيم الأساسي.

تتميز الاضمحلال احتمالات الاضمحلال ، أو الاحتمال المتبادل لـ متوسط ​​وقت الحياة τ = (1 / λ). غالبًا ما يتم استخدام القيمة المرتبطة بهذه الخصائص. نصف الحياة تي 1/2.
أمثلة على التحلل العفوي

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

n → p + e - + e ؛ μ + → ه + + μ + ه ؛

(2.5)

في الاضمحلال (2.4) يوجد جسيمان في الحالة النهائية. في الاضمحلال (2.5) ، هناك ثلاثة.
نحصل على معادلة الاضمحلال للجسيمات (أو النوى). يتناسب الانخفاض في عدد الجسيمات (أو النوى) خلال فترة زمنية مع هذه الفترة ، وعدد الجسيمات (النوى) في وقت معين ، واحتمال الانحلال:

التكامل (2.6) ، مع مراعاة الظروف الأولية ، يعطي العلاقة بين عدد الجسيمات في الوقت t وعدد الجسيمات نفسها في الوقت الأولي t = 0:

نصف العمر هو الوقت الذي يستغرقه عدد الجسيمات (أو النوى) حتى النصف:

التحلل التلقائي لأي كائن في فيزياء العالم الصغير (نواة أو جسيم) ممكن إذا كانت كتلة نواتج الاضمحلال أقل من كتلة الجسيم الأساسي. تتميز التحلل إلى منتجين وإلى ثلاثة أو أكثر بأطياف طاقة مختلفة لنواتج الاضمحلال. في حالة التحلل إلى جسيمين ، تكون أطياف نواتج الاضمحلال منفصلة. إذا كان هناك أكثر من جسيمين في الحالة النهائية ، فإن أطياف المنتج تكون مستمرة.

يتم توزيع الفرق بين كتل الجسيمات الأولية ونواتج الاضمحلال بين منتجات الاضمحلال في شكل طاقاتها الحركية.
يجب كتابة قوانين الحفاظ على الطاقة وزخم التحلل في نظام الإحداثيات المرتبط بالجسيمات المتحللة (أو النواة). لتبسيط الصيغ ، من الملائم استخدام نظام الوحدات = c = 1 ، حيث يكون للطاقة والكتلة والزخم نفس البعد (MeV). قوانين الحفظ لهذا الاضمحلال:

ومن ثم نحصل على الطاقات الحركية لمنتجات الاضمحلال

وهكذا ، في حالة وجود جسيمين في الحالة النهائية يتم تحديد الطاقات الحركية للمنتجات بوضوح.لا تعتمد هذه النتيجة على ما إذا كانت السرعات النسبية أو غير النسبية لها نواتج اضمحلال. بالنسبة للحالة النسبية ، تبدو معادلات الطاقات الحركية أكثر تعقيدًا إلى حد ما من (2.10) ، لكن حل المعادلات للطاقة والزخم لجسيمين هو الحل الوحيد مرة أخرى. هذا يعني انه في حالة الاضمحلال إلى جسيمين ، تكون أطياف نواتج الاضمحلال منفصلة.
إذا ظهرت ثلاثة (أو أكثر) من المنتجات في الحالة النهائية ، فإن حل المعادلات لقوانين حفظ الطاقة والزخم لا يؤدي إلى نتيجة لا لبس فيها. متى، إذا كان هناك أكثر من جسيمين في الحالة النهائية ، فإن أطياف النواتج تكون مستمرة.(فيما يلي ، سيتم النظر في هذا الموقف بالتفصيل باستخدام مثال -decays.)
عند حساب الطاقات الحركية لمنتجات اضمحلال النوى ، من الملائم استخدام حقيقة حفظ عدد النوى أ. (هذا مظهر قانون حفظ شحنة الباريون ، لأن شحنات الباريونات لجميع النوكليونات تساوي 1).
دعونا نطبق الصيغ التي تم الحصول عليها (2.11) على -decay من 226 Ra (الاضمحلال الأول في (2.4)).

الفرق بين كتل الراديوم ونواتج الاضمحلال
ΔM = M (226 Ra) - M (222 Rn) - M (4 He) = Δ (226 Ra) - Δ (222 Rn) - Δ (4 He) = (23.662 - 16.367 - 2.424) MeV = 4.87 MeV. (استخدمنا هنا جداول الكتل الزائدة من الذرات المحايدة والنسبة M = A + للكتل وما يسمى. الجماهير الزائدة Δ)
الطاقات الحركية لنواة الهيليوم والرادون الناتجة عن تسوس ألفا تساوي:

,
.

إجمالي الطاقة الحركية المنبعثة نتيجة تسوس ألفا أقل من 5 إلكترون فولت وتشكل حوالي 0.5٪ من الكتلة المتبقية للنكليون. نسبة الطاقة الحركية المنبعثة نتيجة الاضمحلال وبقية طاقات الجسيمات أو النوى - معيار مقبولية تطبيق التقريب غير النسبي. في حالة تحلل النوى ألفا ، فإن صغر الطاقات الحركية مقارنة بالطاقات الباقية يجعل من الممكن حصر أنفسنا بالتقريب غير النسبي في الصيغ (2.9-2.11).

يتحلل الميزون π + إلى جسيمين: π + μ + + μ. كتلة الميزون π 139.6 ميغا إلكترون فولت ، وكتلة ميون ميكرون 105.7 ميغا إلكترون فولت. لا تزال القيمة الدقيقة لكتلة نيوترينو الميون ν μ غير معروفة ، ولكن ثبت أنها لا تتجاوز 0.15 MeV. في عملية حسابية تقريبية ، يمكن تعيينها على أنها تساوي 0 ، نظرًا لأنها أقل بعدة أوامر من حيث الحجم من الفرق بين كتلتَي البيون والميون. نظرًا لأن الفرق بين كتل الميزون π + ونواتج الاضمحلال الخاصة به هو 33.8 إلكترون فولت ، فمن الضروري استخدام الصيغ النسبية للعلاقة بين الطاقة والزخم للنيوترينوات. في حسابات أخرى ، يمكن إهمال كتلة النيوترينو الصغيرة ويمكن اعتبار النيوترينو جسيمًا فائق الصغر. قوانين حفظ الطاقة والزخم في اضمحلال الميزون π +:

م π = م μ + T μ + E
| ص ν | = | ص μ |

ه ν = ص ν

مثال على تحلل الجسيمين هو أيضًا انبعاث الكم أثناء انتقال النواة المثارة إلى أدنى مستوى للطاقة.
في جميع تحلل الجسيمين اللذين تم تحليلهما أعلاه ، يكون لنواتج الاضمحلال قيمة طاقة "دقيقة" ، أي طيف منفصل. ومع ذلك ، فإن الفحص الدقيق لهذه المشكلة يظهر ذلك الطيف حتى لنواتج اضمحلال جسيمين ليس دالة للطاقة.

.

يحتوي طيف نواتج الاضمحلال على عرض محدود Г ، وهو أكبر ، وكلما كان عمر النواة أو الجسيمات المتحللة أقصر.

(هذه العلاقة هي إحدى صيغ علاقة عدم اليقين بين الطاقة والوقت).
أمثلة على ثلاثة أجسام تسوس هي -decays.
يخضع النيوترون لـ -decay ، ويتحول إلى بروتون واثنين من اللبتونات - إلكترون ومضاد نيوترينو: np + e - + e.
يتم أيضًا اختبار تحلل بيتا بواسطة اللبتونات نفسها ، على سبيل المثال ، الميون (متوسط ​​عمر الميون
τ = 2.2 10 –6 ثوانٍ):

.

قوانين الحفظ لاضمحلال الميون عند الحد الأقصى لزخم الإلكترون:
للحصول على الطاقة الحركية القصوى لإلكترون اضمحلال الميون ، نحصل على المعادلة

الطاقة الحركية للإلكترون في هذه الحالة أعلى بمرتين من الكتلة الساكنة للإلكترون (0.511 ميغا إلكترون فولت). يتطابق زخم الإلكترون النسبي عمليًا مع طاقته الحركية ، في الواقع

ع = (T 2 + 2mT) 1/2 =)