Većina atomske jezgre nestabilan. Prije ili kasnije oni spontano (ili, kako kažu fizičari, spontano) raspadaju se na manje jezgre i elementarne čestice, koje se obično nazivaju produkti razgradnje ili dječji elementi.Čestice koje se raspadaju obično se nazivaju početni materijali ili roditelji. Svi koje dobro poznajemo kemijske tvari(željezo, kisik, kalcij itd.) postoji barem jedan stabilni izotop. ( Izotopi nazivaju se varijante kemijskog elementa s istim brojem protona u jezgri - taj broj protona odgovara serijski broj element, ali različite brojeve neutrona.) Činjenica da su nam te tvari dobro poznate ukazuje na njihovu stabilnost - što znači da žive dovoljno dugo da se akumuliraju u značajnim količinama u prirodni uvjeti, bez razbijanja na komponente. Ali svaki od prirodnih elemenata također ima nestabilne izotope - njihove jezgre se mogu dobiti u procesu nuklearne reakcije, ali ne žive dugo jer se brzo raspadaju.

Jezgre radioaktivnih elemenata ili izotopa mogu se raspasti na tri glavna načina, a odgovarajuće reakcije nuklearnog raspada nazivaju se prva tri slova grčke abecede. Na alfa raspad Otpušta se atom helija koji se sastoji od dva protona i dva neutrona - obično se naziva alfa čestica. Budući da alfa raspad podrazumijeva smanjenje broja pozitivno nabijenih protona u atomu za dva, jezgra koja je emitirala alfa česticu pretvara se u jezgru elementa dva mjesta niže od nje u periodnom sustavu. Na beta raspad jezgra emitira elektron i element se pomakne za jednu poziciju naprijed prema periodnom sustavu (u ovom slučaju, u biti, neutron se pretvara u proton zračenjem upravo tog elektrona). Konačno, gama raspad - Ovaj raspad jezgri uz emisiju fotona visoke energije, koji se obično nazivaju gama zrake. U tom slučaju jezgra gubi energiju, ali se kemijski element ne mijenja.

Međutim, sama činjenica nestabilnosti jednog ili drugog izotopa kemijskog elementa ne znači da ćete skupljanjem određenog broja jezgri tog izotopa dobiti sliku njihovog trenutnog raspada. U stvarnosti, raspad jezgre radioaktivnog elementa pomalo podsjeća na proces prženja kukuruza kod pravljenja kokica: zrnca (nukleoni) otpadaju s "klipa" (jezgre) jedno po jedno, potpuno nepredvidivim redoslijedom, dok svi ne otpadnu. Zakon koji opisuje reakciju radioaktivnog raspada zapravo samo konstatira ovu činjenicu: tijekom određenog vremenskog razdoblja radioaktivna jezgra emitira broj nukleona proporcionalan broju nukleona preostalih u svom sastavu. Odnosno, što više zrnaca-nukleona ostane u "nedovoljno kuhanoj" jezgri klipa, to će ih više biti oslobođeno tijekom fiksnog vremenskog intervala "prženja". Prilikom prevođenja ove metafore na jezik matematičke formule dobivamo jednadžbu koja opisuje radioaktivni raspad:

d N = λN d t

gdje d N— broj nukleona koje emitira jezgra s ukupnim brojem nukleona N u vremenu d t, A λ - eksperimentalno utvrđeno konstanta radioaktivnosti ispitivana tvar. Gornja empirijska formula je linearna diferencijalna jednadžba, čije je rješenje sljedeća funkcija, koja opisuje broj nukleona preostalih u jezgri u jednom trenutku t:

N = N 0 e - λt

Gdje N 0 je broj nukleona u jezgri u početnom trenutku promatranja.

Konstanta radioaktivnosti stoga određuje koliko brzo se jezgra raspada. Međutim, eksperimentalni fizičari obično ne mjere nju, već tzv Pola zivota jezgra (tj. razdoblje tijekom kojeg proučavana jezgra emitira polovicu nukleona koje sadrži). Različiti izotopi imaju različite radioaktivne tvari Poluživoti variraju (u potpunom skladu s teorijskim predviđanjima) od milijarditih dijelova sekunde do milijardi godina. Odnosno, neke jezgre žive gotovo zauvijek, a neke se raspadaju doslovno trenutno (ovdje je važno zapamtiti da nakon poluraspada ostaje polovica ukupne mase izvorne tvari, nakon dva poluraspada - četvrtina njezine mase , nakon tri poluraspada - jedna osmina itd. .d.).

Što se tiče nastanka radioaktivnih elemenata, oni se rađaju na različite načine. Konkretno, ionosfera (tanki gornji sloj atmosfere) Zemlje neprestano je bombardirana kozmičkim zrakama koje se sastoje od visokoenergetskih čestica ( cm. Elementarne čestice). Pod njihovim utjecajem, dugoživući atomi se dijele na nestabilne izotope: posebice, od stabilnog dušika-14 do zemljina atmosfera konstantno nastaje nestabilni izotop ugljik-14 sa 6 protona i 8 neutrona u jezgri ( cm. Radiometrijsko datiranje).

Ali gornji slučaj je prilično egzotičan. Mnogo češće dolazi do stvaranja radioaktivnih elemenata reakcijski lanci nuklearna fizija . Ovo je naziv dat nizu događaja tijekom kojih se izvorna („majka“) jezgra raspada u dvije „kćeri“ (također radioaktivne), koje se pak raspadaju u četiri „unuke“ jezgre, itd. Proces se nastavlja sve dok dok se ne dobiju stabilni izotopi. Kao primjer, uzmimo izotop urana-238 (92 protona + 146 neutrona) s vremenom poluraspada od oko 4,5 milijardi godina. To je razdoblje, inače, približno jednako starosti našeg planeta, što znači da se otprilike polovica urana-238 iz sastava primarne materije nastanka Zemlje još nalazi u ukupnosti elemenata zemaljskoga priroda. Uran-238 pretvara se u torij-234 (90 protona + 144 neutrona), koji ima poluživot od 24 dana. Torij-234 prelazi u paladij-234 (91 proton + 143 neutrona) s vremenom poluraspada od 6 sati - itd. Nakon više od deset faza raspada konačno se dobiva stabilni izotop olova-206.

Mnogo toga se može reći o radioaktivnom raspadu, ali nekoliko točaka zaslužuje poseban spomen. Prvo, čak i ako uzmemo čisti uzorak bilo kojeg radioaktivnog izotopa kao početni materijal, on će se raspasti na različite komponente, a uskoro ćemo neizbježno dobiti cijeli "buket" različitih radioaktivnih tvari s različitim nuklearnim masama. Drugo, prirodni lanci reakcija atomskog raspada nas umiruju u smislu da je radioaktivnost prirodni fenomen, postojala je davno prije čovjeka i nema potrebe uzimati grijeh na dušu i kriviti samo jednog ljudska civilizacija u onome što je dostupno na Zemlji pozadinsko zračenje. Uran-238 postojao je na Zemlji od samog početka, raspao se, raspada se - i raspadat će se, i nuklearne elektrane ubrzati ovaj proces, zapravo, za djelić postotka; tako da nemaju neke posebno štetne učinke na vas i mene pored onoga što nam priroda daje.

Konačno, neizbježnost radioaktivnog atomskog raspada predstavlja potencijalne probleme i potencijalne prilike za čovječanstvo. Konkretno, u lancu reakcija raspada jezgri urana-238 nastaje radon-222 - plemeniti plin bez boje, mirisa i okusa, koji ne ulazi ni u kakve kemijske reakcije, jer nije sposoban tvoriti kemijske obveznice. Ovaj inertni plin, i doslovno curi iz dubina našeg planeta. Obično nema nikakvog učinka na nas - jednostavno se otopi u zraku i tamo ostane u maloj koncentraciji dok se ne raspadne na još lakše elemente. No, ako ovaj bezopasni radon dulje vrijeme stoji u neprozračenoj prostoriji, s vremenom će se ondje početi nakupljati produkti njegovog raspada - a oni su štetni za ljudsko zdravlje (ako se udiše). Tako dolazimo do takozvanog “radonskog problema”.

Na drugoj strani, radioaktivna svojstva kemijski elementi Oni također donose značajne koristi ljudima ako im pristupite mudro. Konkretno, radioaktivni fosfor sada se ubrizgava radi dobivanja radiografske slike prijeloma kostiju. Stupanj njegove radioaktivnosti je minimalan i ne šteti zdravlju pacijenta. Ulazak koštano tkivo tijelo zajedno s običnim fosforom emitira dovoljno zraka da ih snimi na svjetlo osjetljivu opremu i dobije slike slomljene kosti doslovno iznutra. Kirurzi, sukladno tome, imaju priliku operirati složeni prijelom ne slijepo i nasumično, već proučavajući strukturu prijeloma unaprijed pomoću takvih slika. Općenito, aplikacije radiografija ima ih bezbroj u znanosti, tehnologiji i medicini. I svi rade na istom principu: Kemijska svojstva atom (u biti, svojstva vanjske elektronske ljuske) dopuštaju da se tvar pripiše određenoj kemijskoj skupini; zatim, koristeći kemijska svojstva ove tvari, atom se isporučuje "na pravo mjesto", nakon čega, koristeći svojstvo jezgri ovog elementa da se raspadaju u strogom skladu s utvrđena zakonima fizičari “grafički” bilježe produkte raspada.

Struktura i svojstva čestica i atomskih jezgri proučavaju se stotinjak godina u raspadima i reakcijama.
Raspadi predstavljaju spontanu transformaciju bilo kojeg objekta fizike mikrosvijeta (jezgre ili čestice) u nekoliko produkata raspada:

I raspadi i reakcije podliježu brojnim zakonima očuvanja, među kojima prije svega treba spomenuti sljedeće zakone:

U budućnosti će se raspravljati o drugim zakonima očuvanja koji djeluju u raspadima i reakcijama. Gore navedeni zakoni su najvažniji i, što je posebno značajno, izvode se u svim vrstama interakcija.(Moguće je da zakon očuvanja barionskog naboja nema takvu univerzalnost kao zakoni očuvanja 1-4, ali njegovo kršenje još nije otkriveno).
Procesi interakcija između objekata mikrosvijeta koji se odražavaju u raspadima i reakcijama imaju probabilističke karakteristike.

Raspadanja

Spontani raspad bilo kojeg objekta fizike mikrosvijeta (jezgre ili čestice) moguć je ako je masa mirovanja produkata raspada manja od mase primarne čestice.

Raspadi su karakterizirani vjerojatnosti raspada , ili inverzna vjerojatnost od prosječno životno vrijeme τ = (1/λ). Često se koristi i količina povezana s tim karakteristikama Pola zivota T 1/2.
Primjeri spontanih raspada

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

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

(2.5)

U raspadima (2.4) postoje dvije čestice u konačnom stanju. U raspadima (2.5) postoje tri.
Dobivamo jednadžbu raspada za čestice (ili jezgre). Smanjenje broja čestica (ili jezgri) tijekom vremenskog intervala proporcionalno je tom intervalu, broju čestica (jezgri) u ovaj trenutak vrijeme i vjerojatnost raspadanja:

Integracija (2.6) uzimajući u obzir početne uvjete daje odnos između broja čestica u trenutku t i broja istih čestica u početnom trenutku t = 0:

Vrijeme poluraspada je vrijeme tijekom kojeg se broj čestica (ili jezgri) smanji za polovicu:

Spontani raspad bilo kojeg objekta fizike mikrosvijeta (jezgre ili čestice) moguć je ako je masa produkata raspada manja od mase primarne čestice. Raspadi na dva produkta i na tri ili više karakterizirani su različitim energetskim spektrima produkata raspada. U slučaju raspada na dvije čestice, spektri produkata raspada su diskretni. Ako ima više od dvije čestice u konačnom stanju, spektri produkata su kontinuirani.

Razlika u masama primarne čestice i produkata raspada raspoređuje se među produktima raspada u obliku njihove kinetičke energije.
Zakone očuvanja energije i količine gibanja za raspad treba zapisati u koordinatnom sustavu povezanom s raspadajućom česticom (ili jezgrom). Za pojednostavljenje formula zgodno je koristiti sustav jedinica = c = 1, u kojem energija, masa i količina gibanja imaju istu dimenziju (MeV). Zakoni očuvanja za ovaj raspad:

Odavde dobivamo kinetičke energije produkata raspada

Dakle, u slučaju dviju čestica u konačnom stanju određuju se kinetičke energije proizvoda definitivno. Ovaj rezultat ne ovisi o tome imaju li produkti raspada relativističke ili nerelativističke brzine. Za relativistički slučaj, formule za kinetičke energije izgledaju nešto kompliciranije od (2.10), ali je rješenje jednadžbi za energiju i količinu gibanja dviju čestica ponovno jedinstveno. To znači da u slučaju raspada na dvije čestice, spektri produkata raspada su diskretni.
Ako se u konačnom stanju pojave tri (ili više) proizvoda, rješavanje jednadžbi za zakone održanja energije i količine gibanja ne dovodi do jednoznačnog rezultata. Kada, ako ima više od dvije čestice u konačnom stanju, spektri produkata su kontinuirani.(U nastavku, na primjeru -raspada, ova će se situacija detaljno razmotriti.)
Pri izračunavanju kinetičkih energija produkata nuklearnog raspada zgodno je koristiti se činjenicom da je broj nukleona A očuvan. (Ovo je manifestacija zakon očuvanja barionskog naboja , jer su barionski naboji svih nukleona jednaki 1).
Primijenimo dobivene formule (2.11) na -raspad 226 Ra (prvi raspad u (2.4)).

Razlika u masi radija i produkata njegovog raspada
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. (Ovdje smo koristili tablice viška masa neutralnih atoma i relaciju M = A + za mase itd. višak mase Δ)
Kinetičke energije jezgri helija i radona nastale alfa raspadom jednake su:

,
.

Ukupna kinetička energija oslobođena kao rezultat alfa raspada manja je od 5 MeV i oko 0,5% mase mirovanja nukleona. Omjer kinetičke energije oslobođene kao rezultat raspada i energije mirovanja čestica ili jezgri - kriterij dopuštenosti korištenja nerelativističke aproksimacije. U slučaju alfa raspada jezgri, malenost kinetičkih energija u usporedbi s energijama mirovanja omogućuje nam da se ograničimo na nerelativističku aproksimaciju u formulama (2.9-2.11).

Raspad π + mezona se događa na dvije čestice: π + μ + + ν μ. Masa π + mezona je 139,6 MeV, masa μ miona je 105,7 MeV. Točna vrijednost mase mionskog neutrina ν μ još nije poznata, ali je utvrđeno da ne prelazi 0,15 MeV. U približnom izračunu možemo je postaviti jednakom 0, jer je nekoliko redova veličine niža od razlike između pionske i mionske mase. Budući da je razlika između masa π + mezona i produkata njegovog raspada 33,8 MeV, za neutrine je potrebno koristiti relativističke formule za odnos energije i količine gibanja. U daljnjim proračunima mala masa neutrina može se zanemariti i neutrino se može smatrati ultrarelativističkom česticom. Zakoni održanja energije i impulsa pri raspadu π + mezona:

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

E ν = p ν

Primjer dvočestičnog raspada je i emisija -kvanta tijekom prijelaza pobuđene jezgre na nižu energetsku razinu.
U svim gore analiziranim dvočestičnim raspadima, produkti raspada imaju "točnu" energetsku vrijednost, tj. diskretni spektar. Međutim, dublje razmatranje ovog problema pokazuje da spektar čak ni proizvoda dvočestičnog raspada nije funkcija energije.

.

Spektar produkata raspada ima konačnu širinu Γ, koja je to veća što je životni vijek jezgre ili čestice u raspadu kraći.

(Ova relacija je jedna od formulacija relacije nesigurnosti za energiju i vrijeme).
Primjeri raspada tri tijela su -raspadi.
Neutron prolazi kroz -raspad, pretvarajući se u proton i dva leptona - elektron i antineutrino: np + e - + e.
Beta raspade doživljavaju i sami leptoni, na primjer mion (prosječni životni vijek miona
τ = 2,2 ·10 –6 s):

.

Zakoni očuvanja za raspad miona pri maksimalnom impulsu elektrona:
Za maksimalnu kinetičku energiju elektrona mionskog raspada dobivamo jednadžbu

Kinetička energija elektrona u ovom je slučaju dva reda veličine veća od njegove mase mirovanja (0,511 MeV). Impuls relativističkog elektrona praktički se podudara s njegovom kinetičkom energijom, doista

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