Мнозинство атомни ядранестабилен. Рано или късно те спонтанно (или, както казват физиците, спонтанно) се разпадат на по-малки ядра и елементарни частици, които обикновено се наричат продукти на разпаданеили дъщерни елементи.Разпадащите се частици обикновено се наричат изходни материалиили родители.Всички, които познаваме добре химически вещества(желязо, кислород, калций и др.) има поне един стабилен изотоп. ( Изотописе наричат ​​разновидности на химичен елемент с еднакъв брой протони в ядрото - този брой протони съответства на сериен номерелемент - но различни числанеутрони.) Фактът, че тези вещества са ни добре познати, показва тяхната стабилност - което означава, че живеят достатъчно дълго, за да се натрупват в значителни количества в природни условия, без да се разпада на компоненти. Но всеки от природните елементи също има нестабилни изотопи - техните ядра могат да бъдат получени в процеса ядрени реакции, но те не живеят дълго, защото бързо се разпадат.

Разпадането на ядра на радиоактивни елементи или изотопи може да се случи по три основни начина и съответните реакции на ядрено разпадане се наричат ​​с първите три букви гръцка азбука. При алфа разпадОтделя се атом на хелий, състоящ се от два протона и два неутрона - обикновено се нарича алфа частица. Тъй като алфа разпадът води до намаляване на броя на положително заредените протони в атома с две, ядрото, което е излъчило алфа частицата, се превръща в ядрото на елемент, който е две позиции по-надолу от него в периодичната таблица. При бета разпадядрото излъчва електрон и елементът се премества на една позиция напредот периодичната таблица(в този случай по същество неутронът се превръща в протон с излъчването на същия този електрон). накрая гама разпад -Това разпадане на ядра с излъчване на високоенергийни фотони, които обикновено се наричат ​​гама лъчи. В този случай ядрото губи енергия, но химичният елемент не се променя.

Въпреки това, самият факт на нестабилност на един или друг изотоп на химичен елемент не означава, че като съберете заедно определен брой ядра на този изотоп, ще получите картина на тяхното мигновено разпадане. В действителност, разпадането на ядрото на радиоактивен елемент донякъде напомня процеса на пържене на царевица при приготвяне на пуканки: зърната (нуклони) падат от „кочана“ (ядрото) едно по едно, в напълно непредсказуем ред, докато всички паднат. Закон, описващ реакцията радиоактивно разпадане, всъщност само посочва този факт: за определен период от време радиоактивно ядро ​​излъчва определен брой нуклони, пропорционален на броя нуклони, оставащи в състава му. Тоест, колкото повече зърна-нуклони все още остават в „недопеченото“ ядро ​​на кочана, толкова повече от тях ще бъдат освободени по време на фиксиран интервал от време на „пържене“. При превода на тази метафора на езика математически формулиполучаваме уравнение, описващо радиоактивния разпад:

д н = λNд T

къде Н-брой нуклони, излъчени от ядро ​​с общ брой нуклони нвъв времето d T, А λ - експериментално установено константа на радиоактивностизпитвано вещество. Горната емпирична формула е линейна диференциално уравнение, чието решение е следната функция, която описва броя на нуклоните, оставащи в ядрото в даден момент T:

н = н 0 д - λt

Където н 0 е броят на нуклоните в ядрото в началния момент на наблюдение.

Следователно константата на радиоактивността определя колко бързо се разпада ядрото. Физиците експериментатори обаче обикновено измерват не него, а т.нар полуживотядро (т.е. периодът, през който изследваното ядро ​​излъчва половината от нуклоните, които съдържа). Различните изотопи имат различни радиоактивни веществаПериодите на полуразпад варират (в пълно съответствие с теоретичните прогнози) от милиардни части от секундата до милиарди години. Тоест, някои ядра живеят почти вечно, а някои се разпадат буквално мигновено (тук е важно да запомните, че след полуразпада остава половината от общата маса на първоначалното вещество, след два полуразпада - една четвърт от неговата маса , след три полуразпада - една осма и т.н. .d.).

Що се отнася до възникването на радиоактивните елементи, те се раждат по различни начини. По-специално, йоносферата (тънкият горен слой на атмосферата) на Земята е постоянно бомбардирана от космически лъчи, състоящи се от високоенергийни частици ( см.Елементарни частици). Под тяхно влияние дългоживеещите атоми се разделят на нестабилни изотопи: по-специално от стабилен азот-14 до земна атмосферанепрекъснато се образува нестабилният изотоп въглерод-14 с 6 протона и 8 неутрона в ядрото ( см.Радиометрично датиране).

Но горният случай е доста екзотичен. Много по-често се образуват радиоактивни елементи в реакционни веригиядрено делене . Това е името, дадено на поредица от събития, по време на които първоначалното („майчино“) ядро ​​се разпада на две „дъщерни“ (също радиоактивни), които от своя страна се разпадат на четири „внучни“ ядра и т.н. Процесът продължава до докато се получат стабилни изотопи. Като пример, нека вземем изотопа уран-238 (92 протона + 146 неутрона) с период на полуразпад около 4,5 милиарда години. Този период, между другото, е приблизително равен на възрастта на нашата планета, което означава, че приблизително половината от уран-238 от състава на първичната материя на формирането на Земята все още се намира в съвкупността от елементи на земната природа. Уран-238 се превръща в торий-234 (90 протона + 144 неутрона), който има период на полуразпад от 24 дни. Торий-234 се превръща в паладий-234 (91 протона + 143 неутрона) с период на полуразпад 6 часа - и т.н. След повече от десет етапа на разпадане най-накрая се получава стабилният изотоп на олово-206.

Има много неща, които могат да се кажат за радиоактивното разпадане, но няколко точки заслужават специално внимание. Първо, дори ако вземем чиста проба от всеки един радиоактивен изотоп като изходен материал, той ще се разпадне на различни компоненти и скоро неизбежно ще получим цял „букет“ от различни радиоактивни вещества с различни ядрени маси. Второ, естествените вериги от реакции на атомния разпад ни успокояват в смисъл, че радиоактивността е природен феномен, съществувала е много преди човека и няма нужда да си носим грях на душата и да обвиняваме само един човешката цивилизацияв това, което е налично на Земята фонова радиация. Уран-238 е съществувал на Земята от самото си начало, разпаднал се е, разпада се - и ще се разпадне, и атомни електроцентралиускорете този процес всъщност с част от процента; така че те нямат някакво особено вредно въздействие върху вас и мен в допълнение към предоставеното от природата.

И накрая, неизбежността на радиоактивния атомен разпад създава както потенциални проблеми, така и потенциални възможности за човечеството. По-специално, във веригата от реакции на разпадане на ядрата на уран-238 се образува радон-222 - благороден газ без цвят, мирис и вкус, който не влиза в никакви химични реакции, тъй като не е способен да образува химически облигации. Това инертен газ,и буквално изтича от дълбините на нашата планета. Обикновено няма ефект върху нас - просто се разтваря във въздуха и остава там в лека концентрация, докато се разпадне на още по-леки елементи. Ако обаче този безвреден радон остане дълго време в непроветрено помещение, то с течение на времето там ще започнат да се натрупват неговите разпадни продукти - а те са вредни за човешкото здраве (при вдишване). Така получаваме така наречения „радонов проблем”.

От друга страна, радиоактивни свойства химически елементиТе също носят значителни ползи за хората, ако подходите разумно към тях. Радиоактивният фосфор, по-специално, сега се инжектира, за да се получи рентгенографска картина на костни фрактури. Степента на неговата радиоактивност е минимална и не причинява вреда на здравето на пациента. влизане костна тъкантяло заедно с обикновения фосфор, той излъчва достатъчно лъчи, за да ги запишете на светлочувствителна апаратура и да получите снимки на счупена кост буквално отвътре. Съответно хирурзите имат възможност да оперират сложна фрактура не на сляпо и произволно, а чрез предварително изучаване на структурата на фрактурата с помощта на такива изображения. Като цяло, приложения радиографияима безброй много в науката, технологиите и медицината. И всички те работят на същия принцип: Химични свойстваатом (по същество свойствата на външната електронна обвивка) правят възможно приписването на дадено вещество на определен химическа група; след това, използвайки химичните свойства на това вещество, атомът се доставя „на правилното място“, след което, използвайки свойството на ядрата на този елемент да се разпадат в строго съответствие с установени със законифизици "графика", се записват разпадни продукти.

Структурата и свойствата на частиците и атомните ядра са изследвани от около сто години в разпадане и реакции.
Разпадът представлява спонтанната трансформация на всеки обект от физиката на микросвета (ядро или частица) в няколко продукта на разпадане:

Както разпадът, така и реакцията са предмет на редица закони за запазване, сред които трябва да се споменат следните закони, на първо място:

В бъдеще ще бъдат обсъдени други закони за запазване, действащи при разпадане и реакции. Изброените по-горе закони са най-важните и, което е особено важно, се извършват във всички видове взаимодействия.(Възможно е законът за запазване на барионния заряд да няма такава универсалност като законите за запазване 1-4, но неговото нарушение все още не е открито).
Процесите на взаимодействие между обектите на микросвета, които се отразяват в разпад и реакции, имат вероятностни характеристики.

Разпади

Спонтанното разпадане на всеки обект от физиката на микросвета (ядро или частица) е възможно, ако масата на покой на продуктите на разпада е по-малка от масата на първичната частица.

Характеризират се разпади вероятности за разпад , или обратната вероятност на средно време на живот τ = (1/λ). Често се използва и количеството, свързано с тези характеристики полуживот Т 1/2.
Примери за спонтанни разпадания

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

n → p + e − + e ; μ + → e + + μ + ν e ;

(2.5)

При разпаданията (2.4) има две частици в крайно състояние. В разпаданията (2.5) има три.
Получаваме уравнението за разпадане на частици (или ядра). Намаляването на броя на частиците (или ядрата) за интервал от време е пропорционално на този интервал, броят на частиците (ядрата) в този моментвреме и вероятност за разпад:

Интегрирането (2.6), като се вземат предвид началните условия, дава връзката между броя на частиците в момент t и броя на същите частици в началния момент t = 0:

Времето на полуразпад е времето, през което броят на частиците (или ядрата) намалява наполовина:

Спонтанното разпадане на всеки обект от физиката на микросвета (ядро или частица) е възможно, ако масата на продуктите на разпада е по-малка от масата на първичната частица. Разпадането на два продукта и на три или повече се характеризира с различни енергийни спектри на продуктите на разпадане. При разпадане на две частици спектрите на разпадните продукти са дискретни. Ако има повече от две частици в крайното състояние, спектрите на продуктите са непрекъснати.

Разликата в масите на първичната частица и продуктите на разпадане се разпределя между продуктите на разпадане под формата на тяхната кинетична енергия.
Законите за запазване на енергията и импулса за разпадане трябва да бъдат записани в координатната система, свързана с разпадащата се частица (или ядро). За опростяване на формулите е удобно да се използва системата от единици = c = 1, в която енергията, масата и импулсът имат една и съща размерност (MeV). Закони за запазване на този разпад:

Оттук получаваме кинетичните енергии на продуктите на разпадане

Така, в случай на две частици в крайно състояние определят се кинетичните енергии на продуктите определено.Този резултат не зависи от това дали продуктите на разпадане имат релативистични или нерелативистични скорости. За релативистичния случай формулите за кинетичните енергии изглеждат малко по-сложни от (2.10), но решението на уравненията за енергията и импулса на две частици отново е уникално. Означава, че при разпадане на две частици спектрите на разпадните продукти са дискретни.
Ако в крайното състояние възникнат три (или повече) продукта, решаването на уравненията за законите за запазване на енергията и импулса не води до еднозначен резултат. Кога, ако има повече от две частици в крайното състояние, спектрите на продуктите са непрекъснати.(По-нататък, използвайки примера на -разпади, тази ситуация ще бъде разгледана подробно.)
При изчисляването на кинетичните енергии на продуктите от ядрения разпад е удобно да се използва фактът, че броят на нуклоните А се запазва. (Това е проявление закон за запазване на барионния заряд , тъй като барионните заряди на всички нуклони са равни 1).
Нека приложим получените формули (2.11) към -разпадането на 226 Ra (първото разпадане в (2.4)).

Масова разлика между радия и неговите разпадни продукти
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. (Тук използвахме таблици на излишните маси на неутрални атоми и връзката M = A + за маси и т.н. излишни маси Δ)
Кинетичните енергии на ядрата на хелий и радон, получени в резултат на алфа-разпад, са равни на:

,
.

Общата кинетична енергия, освободена в резултат на алфа-разпадането, е по-малка от 5 MeV и е около 0,5% от масата на покой на нуклона. Съотношението на кинетичната енергия, освободена в резултат на разпадането, и енергиите на покой на частиците или ядрата - критерий за допустимост на използването на нерелативисткото приближение. В случай на алфа разпадане на ядра, малката кинетична енергия в сравнение с енергията на покой ни позволява да се ограничим до нерелативистичното приближение във формули (2.9-2.11).

Разпадането на π + мезона става на две частици: π + μ + + ν μ. Масата на π + мезона е 139,6 MeV, масата на μ мюона е 105,7 MeV. Точната стойност на масата на мюонното неутрино ν μ все още не е известна, но е установено, че тя не надвишава 0,15 MeV. При приблизително изчисление можем да го зададем равно на 0, тъй като е с няколко порядъка по-ниско от разликата между масите на пиона и мюона. Тъй като разликата между масите на π + мезона и неговите разпадни продукти е 33,8 MeV, за неутрино е необходимо да се използват релативистични формули за връзката между енергия и импулс. При по-нататъшни изчисления малката маса на неутриното може да бъде пренебрегната и неутриното може да се счита за ултрарелативистка частица. Закони за запазване на енергията и импулса при разпадането на π + мезона:

m π = m μ + T μ + E ν
|p ν | = | p μ |

E ν = p ν

Пример за двучастичен разпад е и излъчването на a -квант по време на прехода на възбудено ядро ​​към по-ниско енергийно ниво.
Във всички анализирани по-горе разпадания на две частици продуктите на разпадане имат „точна“ енергийна стойност, т.е. дискретен спектър. По-задълбоченото разглеждане на този проблем обаче показва, че спектърът дори на продуктите от двучастични разпади не е функция на енергията.

.

Спектърът на разпадните продукти има крайна ширина Γ, която е толкова по-голяма, колкото по-кратък е животът на разпадащото се ядро ​​или частица.

(Тази връзка е една от формулировките на връзката на несигурност за енергия и време).
Примери за разпадане на три тела са -разпади.
Неутронът претърпява -разпад, превръщайки се в протон и два лептона - електрон и антинеутрино: np + e - + e.
Самите лептони, например мюонът, също изпитват бета разпад (средната продължителност на живота на мюон
τ = 2,2 ·10 –6 сек):

.

Закони за запазване на мюонния разпад при максимален импулс на електрони:
За максималната кинетична енергия на мюонния разпаден електрон получаваме уравнението

Кинетичната енергия на електрона в този случай е с два порядъка по-висока от неговата маса на покой (0,511 MeV). Импулсът на релативисткия електрон практически съвпада с неговата кинетична енергия

p = (T 2 + 2mT) 1/2 = )