Die meisten Atomkerne sind instabil. Früher oder später werden sie spontan (oder, wie die Physiker sagen, spontan) zerfallen in kleinere Kerne und Elementarteilchen, die gemeinhin genannt werden Zerfallsprodukte oder untergeordnete Elemente. Zerfallende Teilchen werden genannt Ausgangsmaterialien oder Eltern. Alle uns bekannten Chemikalien (Eisen, Sauerstoff, Kalzium usw.) haben mindestens ein stabiles Isotop. ( Isotope nennt man Sorten eines chemischen Elements mit der gleichen Anzahl an Protonen im Kern - diese Anzahl an Protonen entspricht der Seriennummer des Elements - aber einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen.) Die Tatsache, dass diese Substanzen uns gut bekannt sind, weist auf ihre Stabilität hin - Das bedeutet, dass sie lange genug leben, um sich unter natürlichen Bedingungen in erheblichen Mengen anzureichern, ohne in Bestandteile zu zerfallen. Aber jedes der natürlichen Elemente hat auch instabile Isotope - ihre Kerne können bei Kernreaktionen gewonnen werden, aber sie leben nicht lange, weil sie schnell zerfallen.

Der Zerfall von Kernen radioaktiver Elemente oder Isotope kann auf drei Arten erfolgen, und die entsprechenden nuklearen Zerfallsreaktionen werden nach den ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets benannt. Beim Alpha-Zerfall ein Heliumatom bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen wird freigesetzt - es wird allgemein als Alpha-Teilchen bezeichnet. Da beim Alpha-Zerfall die Zahl der positiv geladenen Protonen in einem Atom um zwei abnimmt, verwandelt sich der Kern, der das Alpha-Teilchen emittiert hat, in den Kern des Elements, das zwei Positionen darunter im Periodensystem von Mendelejew liegt. Beim Beta-Zerfall Der Kern gibt ein Elektron ab und das Element rückt um eine Position vor nach vorne nach dem Periodensystem (in diesem Fall verwandelt sich das Neutron im Wesentlichen mit der Strahlung dieses Elektrons in ein Proton). Endlich, Gammazerfall - Das der Zerfall von Kernen unter Emission hochenergetischer Photonen, die allgemein als Gammastrahlen bezeichnet werden. In diesem Fall verliert der Kern Energie, aber das chemische Element ändert sich nicht.

Die bloße Tatsache der Instabilität des einen oder anderen Isotops eines chemischen Elements bedeutet jedoch keineswegs, dass Sie, nachdem Sie eine bestimmte Anzahl von Kernen dieses Isotops zusammengebracht haben, ein Bild von ihrem gleichzeitigen Zerfall erhalten. In Wirklichkeit erinnert der Zerfall des Kerns eines radioaktiven Elements ein wenig an den Prozess des Bratens von Mais bei der Herstellung von Popcorn: Körner (Nukleonen) fallen nacheinander in einer völlig unvorhersehbaren Reihenfolge vom "Kolben" (Kern) ab , bis sie alle abfallen. Das Gesetz, das die Reaktion des radioaktiven Zerfalls beschreibt, besagt eigentlich nur diese Tatsache: Ein radioaktiver Kern emittiert für eine bestimmte Zeit eine Anzahl von Nukleonen, die proportional zur Anzahl der in seiner Zusammensetzung verbleibenden Nukleonen ist. Das heißt, je mehr Körner-Nukleonen noch im „zu wenig gekochten“ Kolbenkern verbleiben, desto mehr davon werden während eines festgelegten „Frittier“-Zeitintervalls freigesetzt. Wenn wir diese Metapher in die Sprache der mathematischen Formeln übersetzen, erhalten wir eine Gleichung, die den radioaktiven Zerfall beschreibt:

d N = λN d t

wo d N- die Anzahl der vom Kern emittierten Nukleonen mit der Gesamtzahl der Nukleonen N rechtzeitig d t, a λ - experimentell bestimmt Radioaktivität konstant die zu untersuchende Substanz. Die obige Summenformel ist eine lineare Differentialgleichung, deren Lösung die folgende Funktion ist, die die Anzahl der zu diesem Zeitpunkt im Kern verbleibenden Nukleonen beschreibt t:

N = N 0e- λt

wo N 0 ist die Anzahl der Nukleonen im Kern zum ersten Beobachtungszeitpunkt.

Die Radioaktivitätskonstante bestimmt also, wie schnell der Kern zerfällt. Experimentalphysiker messen jedoch normalerweise nicht sie, sondern die sogenannte Halbwertzeit Kern (dh der Zeitraum, in dem der untersuchte Kern die Hälfte der darin enthaltenen Nukleonen emittiert). Für verschiedene Isotope verschiedener radioaktiver Substanzen variiert die Halbwertszeit (in voller Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen) von Milliardstel Sekunden bis zu Milliarden von Jahren. Das heißt, einige Kerne leben fast ewig und einige zerfallen buchstäblich sofort (hier ist zu beachten, dass nach der Halbwertszeit die Hälfte der Gesamtmasse der ursprünglichen Substanz nach zwei Halbwertszeiten übrig bleibt - ein Viertel ihrer Masse , nach drei Halbwertszeiten - ein Achtel usw. d.).

Was das Vorkommen radioaktiver Elemente betrifft, so werden sie auf unterschiedliche Weise geboren. Insbesondere die Ionosphäre (obere dünne Schicht der Atmosphäre) der Erde wird ständig von kosmischen Strahlen bombardiert, die aus Teilchen mit hohen Energien bestehen ( cm. Elementarteilchen). Unter ihrem Einfluss werden langlebige Atome in instabile Isotope gespalten: Insbesondere in der Erdatmosphäre entsteht aus stabilem Stickstoff-14 ständig ein instabiles Kohlenstoff-14-Isotop mit 6 Protonen und 8 Neutronen im Kern ( cm. radiometrische Datierung).

Aber der obige Fall ist ziemlich exotisch. Viel häufiger werden dabei radioaktive Elemente gebildet Reaktionsketten Kernspaltung . So bezeichnet man eine Reihe von Ereignissen, bei denen der ursprüngliche („Eltern“)-Kern in zwei „Tochter“-Kerne (ebenfalls radioaktiv) zerfällt, die wiederum in vier „Enkel“-Kerne zerfallen usw. Der Prozess dauert bis dahin an bis stabile Isotope erhalten werden. Nehmen wir als Beispiel das Uran-238-Isotop (92 Protonen + 146 Neutronen) mit einer Halbwertszeit von etwa 4,5 Milliarden Jahren. Dieser Zeitraum entspricht übrigens ungefähr dem Alter unseres Planeten, was bedeutet, dass etwa die Hälfte des Uran-238 aus der Zusammensetzung der Primärmaterie der Erdentstehung noch in der Gesamtheit der Elemente der Erde enthalten ist Natur. Uran-238 wird zu Thorium-234 (90 Protonen + 144 Neutronen), dessen Halbwertszeit 24 Tage beträgt. Thorium-234 wird zu Palladium-234 (91 Protonen + 143 Neutronen) mit einer Halbwertszeit von 6 Stunden - usw. Nach mehr als zehn Zerfallsstufen wird schließlich ein stabiles Blei-206-Isotop erhalten.

Über den radioaktiven Zerfall kann viel gesagt werden, aber einige Punkte müssen betont werden. Erstens, selbst wenn wir eine reine Probe eines einzelnen radioaktiven Isotops als Ausgangsmaterial nehmen, wird es in verschiedene Bestandteile zerfallen, und bald werden wir unweigerlich einen ganzen „Haufen“ verschiedener radioaktiver Substanzen mit unterschiedlichen Kernmassen erhalten. Zweitens beruhigen uns die natürlichen Reaktionsketten des Atomzerfalls in dem Sinne, dass Radioaktivität ein natürliches Phänomen ist, es lange vor dem Menschen existierte und es nicht nötig ist, eine Sünde auf die Seele zu nehmen und nur die menschliche Zivilisation für einen radioaktiven Hintergrund verantwortlich zu machen auf der Erde. Uran-238 existiert seit seiner Entstehung auf der Erde, zerfällt, zerfällt – und wird zerfallen, und Atomkraftwerke beschleunigen diesen Prozess tatsächlich um einen Bruchteil eines Prozents; damit sie neben dem, was die Natur bietet, keine besonders nachteilige Wirkung auf Sie und mich haben.

Schließlich stellt die Unausweichlichkeit des radioaktiven Atomzerfalls sowohl potenzielle Herausforderungen als auch Chancen für die Menschheit dar. Insbesondere in der Reaktionskette des Zerfalls von Uran-238-Kernen entsteht Radon-222 - ein Edelgas ohne Farbe, Geruch und Geschmack, das keine chemischen Reaktionen eingeht, da es nicht in der Lage ist, Chemikalien zu bilden Fesseln. Das Inertgas, und es sickert buchstäblich aus den Eingeweiden unseres Planeten. Normalerweise hat es keine Wirkung auf uns – es löst sich einfach in der Luft auf und verbleibt dort in geringer Konzentration, bis es in noch leichtere Elemente zerfällt. Bleibt dieses harmlose Radon jedoch längere Zeit in einem unbelüfteten Raum, reichern sich dort mit der Zeit seine Zerfallsprodukte an – und sie sind gesundheitsschädlich (beim Einatmen). So bekommen wir das sogenannte „Radon-Problem“.

Andererseits bringen die radioaktiven Eigenschaften chemischer Elemente den Menschen erhebliche Vorteile, wenn sie mit Bedacht angegangen werden. Heute wird vor allem radioaktiver Phosphor injiziert, um ein Röntgenbild von Knochenbrüchen zu erhalten. Der Grad seiner Radioaktivität ist minimal und schadet der Gesundheit des Patienten nicht. Es dringt zusammen mit gewöhnlichem Phosphor in das Knochengewebe des Körpers ein und sendet genügend Strahlen aus, um sie auf lichtempfindlichen Geräten zu fixieren und einen gebrochenen Knochen buchstäblich von innen zu fotografieren. Chirurgen erhalten dementsprechend die Möglichkeit, eine komplexe Fraktur nicht blind und willkürlich zu operieren, sondern zuvor die Struktur der Fraktur anhand solcher Bilder untersucht zu haben. Im Allgemeinen die Anwendungen Radiographie in Wissenschaft, Technik und Medizin ist unzählig. Und sie funktionieren alle nach dem gleichen Prinzip: Die chemischen Eigenschaften des Atoms (eigentlich die Eigenschaften der äußeren Elektronenhülle) ermöglichen es, einen Stoff einer bestimmten chemischen Gruppe zuzuordnen; dann wird das Atom unter Verwendung der chemischen Eigenschaften dieser Substanz „an den richtigen Ort“ geliefert, wonach unter Verwendung der Eigenschaft der Kerne dieses Elements, in strikter Übereinstimmung mit dem durch die Gesetze der Physik festgelegten „Zeitplan“ zu zerfallen, Zerfallsprodukte werden aufgezeichnet.

Die Struktur und Eigenschaften von Teilchen und Atomkernen werden seit etwa hundert Jahren in Zerfällen und Reaktionen untersucht.
Zerfälle sind eine spontane Umwandlung eines beliebigen Objekts der Mikroweltphysik (Kern oder Teilchen) in mehrere Zerfallsprodukte:

Sowohl Zerfälle als auch Reaktionen unterliegen einer Reihe von Erhaltungssätzen, unter denen zunächst die folgenden genannt werden müssen:

Im Folgenden werden weitere Erhaltungssätze bei Zerfällen und Reaktionen diskutiert. Die oben aufgeführten Gesetze sind die wichtigsten und vor allem in allen Arten von Interaktionen durchgeführt.(Es ist möglich, dass das Baryonenladungserhaltungsgesetz nicht so universell ist wie die Erhaltungssätze 1-4, aber bisher wurde keine Verletzung davon gefunden).
Die Prozesse der Wechselwirkungen von Objekten der Mikrowelt, die sich in Zerfällen und Reaktionen widerspiegeln, haben Wahrscheinlichkeitsmerkmale.

Zerfall

Der spontane Zerfall jedes Objekts der Mikroweltphysik (Kern oder Teilchen) ist möglich, wenn die Ruhemasse der Zerfallsprodukte kleiner ist als die Masse des Primärteilchens.

Zerfälle sind gekennzeichnet Zerfallswahrscheinlichkeiten , oder die reziproke Wahrscheinlichkeit von durchschnittliche Lebensdauer τ = (1/λ). Auch der mit diesen Merkmalen verbundene Wert wird häufig verwendet. Halbwertzeit T 1/2.
Beispiele spontaner Zerfälle

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

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

(2.5)

Bei Zerfällen (2.4) befinden sich zwei Teilchen im Endzustand. In Zerfällen (2.5) gibt es drei.
Wir erhalten die Zerfallsgleichung für Teilchen (oder Kerne). Die Abnahme der Anzahl der Teilchen (oder Kerne) über ein Zeitintervall ist proportional zu diesem Intervall, der Anzahl der Teilchen (Kerne) zu einem bestimmten Zeitpunkt und der Zerfallswahrscheinlichkeit:

Integration (2.6) ergibt unter Berücksichtigung der Anfangsbedingungen den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Teilchen zum Zeitpunkt t und der Anzahl gleicher Teilchen zum Anfangszeitpunkt t = 0:

Die Halbwertszeit ist die Zeit, die es dauert, bis sich die Anzahl der Teilchen (oder Kerne) halbiert hat:

Der spontane Zerfall jedes Objekts der Mikroweltphysik (Kern oder Teilchen) ist möglich, wenn die Masse der Zerfallsprodukte kleiner ist als die Masse des Primärteilchens. Zerfälle in zwei Produkte und in drei oder mehr sind durch unterschiedliche Energiespektren der Zerfallsprodukte gekennzeichnet. Beim Zerfall in zwei Teilchen sind die Spektren der Zerfallsprodukte diskret. Bei mehr als zwei Teilchen im Endzustand sind die Produktspektren kontinuierlich.

Die Differenz zwischen den Massen des Primärteilchens und der Zerfallsprodukte wird auf die Zerfallsprodukte in Form ihrer kinetischen Energien verteilt.
Die Gesetze zur Erhaltung von Energie und Impuls für den Zerfall sollten in das Koordinatensystem geschrieben werden, das dem zerfallenden Teilchen (oder Kern) zugeordnet ist. Um die Formeln zu vereinfachen, ist es zweckmäßig, das Einheitensystem = c = 1 zu verwenden, in dem Energie, Masse und Impuls die gleiche Dimension (MeV) haben. Erhaltungssätze für diesen Zerfall:

Damit erhalten wir für die kinetischen Energien der Zerfallsprodukte

Also im Fall von zwei Teilchen im Endzustand die kinetischen Energien der Produkte werden bestimmt deutlich. Dieses Ergebnis hängt nicht davon ab, ob relativistische oder nichtrelativistische Geschwindigkeiten Zerfallsprodukte haben. Für den relativistischen Fall sehen die Formeln für die kinetischen Energien etwas komplizierter aus als (2.10), aber die Lösung der Gleichungen für Energie und Impuls zweier Teilchen ist wieder die einzige. Das bedeutet es beim Zerfall in zwei Teilchen sind die Spektren der Zerfallsprodukte diskret.
Treten im Endzustand drei (oder mehr) Produkte auf, führt die Lösung der Gleichungen für die Erhaltungssätze von Energie und Impuls zu keinem eindeutigen Ergebnis. Im Fall von, bei mehr als zwei Teilchen im Endzustand sind die Spektren der Produkte kontinuierlich.(Im Folgenden wird dieser Sachverhalt am Beispiel von -Zerfällen näher betrachtet.)
Bei der Berechnung der kinetischen Energien der Zerfallsprodukte von Kernen ist es zweckmäßig, die Tatsache zu verwenden, dass die Zahl der Nukleonen A erhalten bleibt. (Dies ist eine Manifestation Baryonenladungserhaltungsgesetz , da die Baryonenladungen aller Nukleonen gleich 1) sind.
Wenden wir die erhaltenen Formeln (2.11) auf den -Zerfall von 226 Ra an (der erste Zerfall in (2.4)).

Die Differenz zwischen den Massen von Radium und seinen Zerfallsprodukten
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. (Hier haben wir Tabellen von überschüssigen Massen neutraler Atome und die Beziehung M = A + für Massen und sog. überschüssige Massen Δ)
Die kinetischen Energien von Helium- und Radonkernen, die aus dem Alpha-Zerfall resultieren, sind gleich:

,
.

Die durch den Alpha-Zerfall freigesetzte kinetische Gesamtenergie beträgt weniger als 5 MeV und beträgt etwa 0,5 % der Ruhemasse des Nukleons. Das Verhältnis der beim Zerfall freigesetzten kinetischen Energie zu den Ruheenergien von Teilchen oder Kernen - Kriterium für die Zulässigkeit der Anwendung der nichtrelativistischen Näherung. Bei Alpha-Zerfällen von Kernen erlaubt es die Kleinheit der kinetischen Energien im Vergleich zu den Ruheenergien, sich auf die nichtrelativistische Näherung in Formeln (2.9-2.11) zu beschränken.

Das π + -Meson zerfällt in zwei Teilchen: π + μ + + ν μ . Die Masse des π + -Mesons beträgt 139,6 MeV, die Masse des Myons μ 105,7 MeV. Der genaue Wert der Myon-Neutrino-Masse ν μ ist noch unbekannt, aber es wurde festgestellt, dass sie 0,15 MeV nicht überschreitet. In einer Näherungsrechnung kann sie gleich 0 gesetzt werden, da sie um mehrere Größenordnungen kleiner ist als die Differenz zwischen Pion- und Myonmasse. Da die Differenz zwischen den Massen des π + -Mesons und seinen Zerfallsprodukten 33,8 MeV beträgt, müssen relativistische Formeln für den Zusammenhang zwischen Energie und Impuls für Neutrinos verwendet werden. Bei weiteren Berechnungen kann die kleine Neutrinomasse vernachlässigt und das Neutrino als ultrarelativistisches Teilchen betrachtet werden. Energie- und Impulserhaltungssätze beim Zerfall von π + Meson:

mπ = mμ + Tμ ​​+ Eν
|p v | = | p μ |

Eν = pν

Ein Beispiel für einen Zwei-Teilchen-Zerfall ist auch die Emission eines -Quants beim Übergang eines angeregten Kerns auf das niedrigste Energieniveau.
Bei allen oben analysierten Zwei-Teilchen-Zerfällen haben die Zerfallsprodukte einen "exakten" Energiewert, d.h. diskretes Spektrum. Eine genauere Betrachtung dieses Problems zeigt dies jedoch selbst das Spektrum der Zerfallsprodukte von zwei Teilchen ist keine Funktion der Energie.

.

Das Spektrum der Zerfallsprodukte hat eine endliche Breite Г, die umso größer ist, je kürzer die Lebensdauer des zerfallenden Kerns oder Teilchens ist.

(Diese Beziehung ist eine der Formulierungen der Unschärferelation für Energie und Zeit).
Beispiele für Dreikörperzerfälle sind -Zerfälle.
Das Neutron unterliegt einem -Zerfall und verwandelt sich in ein Proton und zwei Leptonen - ein Elektron und ein Antineutrino: np + e - + e.
Beta-Zerfälle werden auch von Leptonen selbst erfahren, zum Beispiel dem Myon (die durchschnittliche Lebensdauer des Myons).
τ = 2,2 · 10 –6 Sek.):

.

Erhaltungssätze für Myonzerfall bei maximalem Elektronenimpuls:
Für die maximale kinetische Energie des Zerfallselektrons des Myons erhalten wir die Gleichung

Die kinetische Energie eines Elektrons ist in diesem Fall zwei Größenordnungen höher als seine Ruhemasse (0,511 MeV). Der Impuls eines relativistischen Elektrons fällt tatsächlich praktisch mit seiner kinetischen Energie zusammen

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