Majorité noyaux atomiques instable. Tôt ou tard, ils spontanément (ou, comme disent les physiciens, spontanément) se désintègrent en noyaux plus petits et en particules élémentaires, communément appelées produits de décomposition ou éléments enfants. Les particules en décomposition sont généralement appelées matières premières ou parents. Tous ceux que nous connaissons bien substances chimiques(fer, oxygène, calcium, etc.) il existe au moins un isotope stable. ( Isotopes on appelle les variétés d'un élément chimique avec le même nombre de protons dans le noyau - ce nombre de protons correspond à numéro de sérieélément, mais différents numéros neutrons.) Le fait que ces substances nous soient bien connues indique leur stabilité - ce qui signifie qu'elles vivent assez longtemps pour s'accumuler en quantités significatives dans conditions naturelles, sans décomposition en composants. Mais chacun des éléments naturels possède également des isotopes instables - leurs noyaux peuvent être obtenus au cours du processus réactions nucléaires, mais ils ne vivent pas longtemps car ils se désintègrent rapidement.

Les noyaux d'éléments radioactifs ou d'isotopes peuvent se désintégrer de trois manières principales, et les réactions de désintégration nucléaire correspondantes sont nommées par les trois premières lettres de l'alphabet grec. À désintégration alpha Un atome d'hélium composé de deux protons et de deux neutrons est libéré - on l'appelle généralement particule alpha. Étant donné que la désintégration alpha entraîne une diminution de deux du nombre de protons chargés positivement dans un atome, le noyau qui a émis la particule alpha se transforme en noyau d'un élément deux positions plus bas dans le tableau périodique. À désintégration bêta le noyau émet un électron et l'élément se déplace d'une position avant selon le tableau périodique (dans ce cas, essentiellement, un neutron se transforme en proton avec le rayonnement de cet électron même). Enfin, désintégration gamma - Ce désintégration des noyaux avec émission de photons de haute énergie, communément appelés rayons gamma. Dans ce cas, le noyau perd de l’énergie, mais l’élément chimique ne change pas.

Cependant, le simple fait de l'instabilité de l'un ou l'autre isotope d'un élément chimique ne signifie pas qu'en rassemblant un certain nombre de noyaux de cet isotope, vous obtiendrez une image de leur désintégration instantanée. En réalité, la désintégration du noyau d'un élément radioactif rappelle un peu le processus de friture du maïs lors de la fabrication du pop-corn : les grains (nucléons) tombent de « l'épi » (noyau) un à la fois, dans un ordre complètement imprévisible, jusqu'à ce qu'ils tombent tous. La loi décrivant la réaction de désintégration radioactive, en fait, ne fait qu'énoncer ce fait : sur une période de temps déterminée, un noyau radioactif émet un nombre de nucléons proportionnel au nombre de nucléons restant dans sa composition. Autrement dit, plus il reste de grains-nucléons dans le noyau d'épi « pas assez cuit », plus ils seront libérés pendant un intervalle de temps de « friture » ​​fixe. En traduisant cette métaphore dans le langage formules mathématiques nous obtenons une équation décrivant la désintégration radioactive :

d N = λN d t

où d N— nombre de nucléons émis par un noyau avec nombre total de nucléons N dans le temps d t, UN λ - déterminé expérimentalement constante de radioactivité substance d’essai. La formule empirique ci-dessus est une équation différentielle linéaire dont la solution est la fonction suivante, qui décrit le nombre de nucléons restant dans le noyau à la fois. t:

N = N 0 e - λt

Où N 0 est le nombre de nucléons dans le noyau au moment initial de l'observation.

La constante de radioactivité détermine ainsi la rapidité avec laquelle le noyau se désintègre. Cependant, les physiciens expérimentateurs ne le mesurent généralement pas, mais ce qu'on appelle demi-vie noyau (c'est-à-dire la période pendant laquelle le noyau étudié émet la moitié des nucléons qu'il contient). Différents isotopes ont différents substances radioactives Les demi-vies varient (en plein accord avec les prévisions théoriques) de quelques milliardièmes de seconde à des milliards d'années. Autrement dit, certains noyaux vivent presque éternellement et d'autres se désintègrent littéralement instantanément (il est important de se rappeler ici qu'après la demi-vie, la moitié de la masse totale de la substance d'origine reste, après deux demi-vies - un quart de sa masse , après trois demi-vies - un huitième, etc. .d.).

Quant à l’émergence d’éléments radioactifs, ils naissent de différentes manières. En particulier, l'ionosphère (la fine couche supérieure de l'atmosphère) de la Terre est constamment bombardée par des rayons cosmiques constitués de particules de haute énergie ( cm. Particules élémentaires). Sous leur influence, les atomes à vie longue se divisent en isotopes instables : notamment de l'azote 14 stable à l'atmosphère terrestre l'isotope instable du carbone 14 avec 6 protons et 8 neutrons dans le noyau se forme constamment ( cm. Datation radiométrique).

Mais le cas ci-dessus est plutôt exotique. Bien plus souvent, des éléments radioactifs se forment dans chaînes de réaction fission nucléaire . C'est le nom donné à une série d'événements au cours desquels le noyau d'origine (« mère ») se désintègre en deux « filles » (également radioactives), qui, à leur tour, se désintègrent en quatre noyaux « petites-filles », etc. Le processus se poursuit jusqu'à ce que jusqu'à ce que des isotopes stables soient obtenus. A titre d'exemple, prenons l'isotope uranium-238 (92 protons + 146 neutrons) avec une demi-vie d'environ 4,5 milliards d'années. Cette période est d'ailleurs approximativement égale à l'âge de notre planète, ce qui signifie qu'environ la moitié de l'uranium 238 entrant dans la composition de la matière primaire de la formation de la Terre se trouve encore dans la totalité des éléments de la Terre. nature. L'uranium 238 se transforme en thorium 234 (90 protons + 144 neutrons), qui a une demi-vie de 24 jours. Le thorium-234 se transforme en palladium-234 (91 protons + 143 neutrons) avec une demi-vie de 6 heures - etc. Après plus de dix étapes de désintégration, l'isotope stable du plomb-206 est enfin obtenu.

Il y a beaucoup à dire sur la désintégration radioactive, mais quelques points méritent une mention particulière. Premièrement, même si nous prenons comme matière première un échantillon pur d'un isotope radioactif, il se désintégrera en différents composants, et bientôt nous obtiendrons inévitablement tout un « bouquet » de différentes substances radioactives avec des masses nucléaires différentes. Deuxièmement, les chaînes naturelles de réactions de la désintégration atomique nous rassurent dans le sens que la radioactivité est un phénomène naturel, qu'elle existait bien avant l'homme et qu'il n'est pas nécessaire de rejeter le péché sur nos âmes et de blâmer un seul. civilisation humaine dans ce qui est disponible sur Terre rayonnement de fond. L'uranium 238 existait sur Terre depuis sa création, s'est désintégré, se désintègre - et se désintégrera, et centrales nucléaires accélérer ce processus, en fait, d'une fraction de pour cent ; ils n'ont donc pas d'effets particulièrement néfastes sur vous et moi en plus de ce qui est prévu par la nature.

Enfin, l’inévitabilité de la désintégration atomique radioactive pose à la fois des problèmes potentiels et des opportunités potentielles pour l’humanité. En particulier, dans la chaîne de réactions de désintégration des noyaux d'uranium-238, il se forme du radon-222 - un gaz noble sans couleur, sans odeur ni goût, qui n'entre dans aucune réaction chimique, car il n'est pas capable de former des produits chimiques. obligations. Ce gaz inerte, et il suinte littéralement des profondeurs de notre planète. Habituellement, il n'a aucun effet sur nous : il se dissout simplement dans l'air et y reste en légère concentration jusqu'à ce qu'il se décompose en éléments encore plus légers. Cependant, si ce radon inoffensif reste longtemps dans une pièce non ventilée, ses produits de désintégration commenceront avec le temps à s'y accumuler - et ils sont nocifs pour la santé humaine (en cas d'inhalation). C’est ainsi que nous obtenons ce qu’on appelle le « problème du radon ».

D'un autre côté, propriétés radioactives éléments chimiques Ils apportent également des avantages significatifs aux gens si vous les abordez judicieusement. Du phosphore radioactif, notamment, est désormais injecté pour produire une image radiographique des fractures osseuses. Le degré de radioactivité est minime et ne nuit pas à la santé du patient. Entrer le tissu osseux corps avec le phosphore ordinaire, il émet suffisamment de rayons pour les enregistrer sur un équipement sensible à la lumière et obtenir des images d'un os cassé littéralement de l'intérieur. Les chirurgiens ont ainsi la possibilité d'opérer une fracture complexe non pas aveuglément et au hasard, mais en étudiant au préalable la structure de la fracture à l'aide de telles images. En général, les candidatures radiographie il en existe d’innombrables dans les domaines de la science, de la technologie et de la médecine. Et ils fonctionnent tous sur le même principe : Propriétés chimiques l'atome (essentiellement les propriétés de la couche électronique externe) permettent d'attribuer une substance à un groupe chimique spécifique ; puis, en utilisant les propriétés chimiques de cette substance, l'atome est livré « au bon endroit », après quoi, en utilisant la propriété des noyaux de cet élément de se désintégrer en stricte conformité avec établi par les lois Les physiciens enregistrent « graphiquement » les produits de désintégration.

La structure et les propriétés des particules et des noyaux atomiques sont étudiées depuis une centaine d’années dans le cadre de désintégrations et de réactions.
Les désintégrations représentent la transformation spontanée de tout objet de la physique du micromonde (noyau ou particule) en plusieurs produits de désintégration :

Les désintégrations et les réactions sont soumises à un certain nombre de lois de conservation, parmi lesquelles il convient de mentionner en premier lieu les lois suivantes :

Dans le futur, d’autres lois de conservation opérant dans les désintégrations et les réactions seront discutées. Les lois énumérées ci-dessus sont les plus importantes et, ce qui est particulièrement significatif, sont effectués dans tous les types d’interactions.(Il est possible que la loi de conservation de la charge baryonique n'ait pas une telle universalité que les lois de conservation 1 à 4, mais sa violation n'a pas encore été découverte).
Les processus d'interactions entre les objets du micromonde, qui se traduisent par des désintégrations et des réactions, ont caractéristiques probabilistes.

Caries

La désintégration spontanée de tout objet de la physique du micromonde (noyau ou particule) est possible si la masse au repos des produits de désintégration est inférieure à la masse de la particule primaire.

Les caries sont caractérisées probabilités de désintégration , ou la probabilité inverse de durée de vie moyenne τ = (1/λ). La quantité associée à ces caractéristiques est également souvent utilisée demi-vie T1/2.
Exemples de caries spontanées

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

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

(2.5)

Dans les désintégrations (2.4), il y a deux particules dans l’état final. Dans les désintégrations (2.5), il y en a trois.
Nous obtenons l'équation de désintégration des particules (ou noyaux). La diminution du nombre de particules (ou noyaux) sur un intervalle de temps est proportionnelle à cet intervalle, le nombre de particules (noyaux) dans ce moment temps et probabilité de désintégration :

L'intégration (2.6) prenant en compte les conditions initiales donne la relation entre le nombre de particules au temps t et le nombre de ces mêmes particules au temps initial t = 0 :

La demi-vie est le temps pendant lequel le nombre de particules (ou noyaux) diminue de moitié :

La désintégration spontanée de tout objet de la physique du micromonde (noyau ou particule) est possible si la masse des produits de désintégration est inférieure à la masse de la particule primaire. Les désintégrations en deux produits et en trois ou plus sont caractérisées par différents spectres énergétiques des produits de désintégration. Dans le cas d'une désintégration en deux particules, les spectres des produits de désintégration sont discrets. S’il y a plus de deux particules à l’état final, les spectres des produits sont continus.

La différence entre les masses de la particule primaire et celle des produits de désintégration est répartie entre les produits de désintégration sous la forme de leurs énergies cinétiques.
Les lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement pour la désintégration doivent être écrites dans le système de coordonnées associé à la particule (ou au noyau) en décomposition. Pour simplifier les formules, il convient d'utiliser le système d'unités = c = 1, dans lequel l'énergie, la masse et la quantité de mouvement ont la même dimension (MeV). Lois de conservation pour cette désintégration :

De là, nous obtenons pour les énergies cinétiques des produits de désintégration

Ainsi, dans le cas de deux particules à l’état final les énergies cinétiques des produits sont déterminées certainement. Ce résultat ne dépend pas du fait que les produits de désintégration ont des vitesses relativistes ou non relativistes. Pour le cas relativiste, les formules pour les énergies cinétiques semblent un peu plus compliquées que (2.10), mais la solution des équations pour l'énergie et la quantité de mouvement de deux particules est encore une fois unique. Cela signifie que dans le cas d'une désintégration en deux particules, les spectres des produits de désintégration sont discrets.
Si trois produits (ou plus) apparaissent dans l'état final, la résolution des équations des lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement ne conduit pas à un résultat sans ambiguïté. Quand, s'il y a plus de deux particules à l'état final, les spectres des produits sont continus.(Dans ce qui suit, en utilisant l'exemple des désintégrations, cette situation sera examinée en détail.)
Pour calculer les énergies cinétiques des produits de désintégration nucléaire, il convient d'utiliser le fait que le nombre de nucléons A est conservé. (C'est une manifestation loi de conservation de la charge baryonique , puisque les charges baryoniques de tous les nucléons sont égales 1).
Appliquons les formules obtenues (2.11) à la -désintégration de 226 Ra (la première désintégration dans (2.4)).

Différence de masse entre le radium et ses produits de désintégration
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. (Ici nous avons utilisé des tableaux de masses excédentaires d'atomes neutres et la relation M = A + pour les masses, etc. masses excédentaires Δ)
Les énergies cinétiques des noyaux d'hélium et de radon résultant de la désintégration alpha sont égales à :

,
.

L'énergie cinétique totale libérée à la suite de la désintégration alpha est inférieure à 5 MeV et représente environ 0,5 % de la masse au repos du nucléon. Le rapport entre l'énergie cinétique libérée à la suite de la désintégration et les énergies restantes des particules ou des noyaux - critère d'admissibilité à l'utilisation de l'approximation non relativiste. Dans le cas des désintégrations alpha des noyaux, la petitesse des énergies cinétiques par rapport aux énergies de repos permet de se limiter à l'approximation non relativiste dans les formules (2.9-2.11).

La désintégration du méson π + se produit en deux particules : π + μ + + ν μ. La masse du méson π + est de 139,6 MeV, la masse du muon μ est de 105,7 MeV. La valeur exacte de la masse ν μ des neutrinos du muon n'est pas encore connue, mais il a été établi qu'elle ne dépasse pas 0,15 MeV. Dans un calcul approximatif, nous pouvons le fixer égal à 0, car il est inférieur de plusieurs ordres de grandeur à la différence entre les masses des pions et des muons. Étant donné que la différence entre les masses du méson π + et ses produits de désintégration est de 33,8 MeV, pour les neutrinos, il est nécessaire d'utiliser des formules relativistes pour la relation entre l'énergie et la quantité de mouvement. Dans des calculs ultérieurs, la faible masse du neutrino peut être négligée et le neutrino peut être considéré comme une particule ultrarelativiste. Lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement dans la désintégration du méson π + :

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

E ν = p ν

Un exemple de désintégration de deux particules est également l'émission d'un -quantum lors de la transition d'un noyau excité vers un niveau d'énergie inférieur.
Dans toutes les désintégrations à deux particules analysées ci-dessus, les produits de désintégration ont une valeur énergétique « exacte », c'est-à-dire : spectre discret. Cependant, un examen plus approfondi de ce problème montre que le spectre même des produits de désintégration de deux particules n'est pas fonction de l'énergie.

.

Le spectre des produits de désintégration a une largeur finie Γ, qui est d'autant plus grande que la durée de vie du noyau ou de la particule en décomposition est courte.

(Cette relation est l'une des formulations de la relation d'incertitude pour l'énergie et le temps).
Des exemples de désintégrations à trois corps sont les désintégrations.
Le neutron subit une désintégration, se transformant en un proton et deux leptons - un électron et un antineutrino : np + e - + e.
Les désintégrations bêta sont également vécues par les leptons eux-mêmes, par exemple le muon (la durée de vie moyenne d'un muon
τ = 2,2 ·10 –6 s) :

.

Lois de conservation pour la désintégration du muon à l'impulsion électronique maximale :
Pour l’énergie cinétique maximale de l’électron de désintégration du muon, nous obtenons l’équation

L'énergie cinétique de l'électron dans ce cas est supérieure de deux ordres de grandeur à sa masse au repos (0,511 MeV). L'impulsion d'un électron relativiste coïncide pratiquement avec son énergie cinétique.

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