Többség atommagok instabil. Előbb-utóbb spontán módon (vagy ahogy a fizikusok mondják, spontán módon) kisebb magokra és elemi részecskékre bomlik, amelyeket általában úgy hívnak bomlástermékek vagy gyermek elemek. A bomló részecskéket általában ún kiindulási anyagok vagy szülők. Mindenkit, akit jól ismerünk vegyi anyagok(vas, oxigén, kalcium stb.) van legalább egy stabil izotóp. ( Izotópok Az atommagban azonos számú protonnal rendelkező kémiai elem fajtáit nevezzük - ez a protonszám megfelel sorozatszám elem, de különböző számok neutronok.) Az a tény, hogy ezeket az anyagokat jól ismerjük, jelzi stabilitásukat – ami azt jelenti, hogy elég sokáig élnek ahhoz, hogy jelentős mennyiségben felhalmozódjanak természeti viszonyok, anélkül, hogy részekre oszlana. De a természetes elemek mindegyikének vannak instabil izotópjai is - ezek magjai a folyamat során nyerhetők nukleáris reakciók, de nem élnek sokáig, mert gyorsan szétesnek.

A radioaktív elemek vagy izotópok magjai három fő módon bomlhatnak le, és a megfelelő nukleáris bomlási reakciókat a görög ábécé első három betűje alapján nevezik el. Nál nél alfa bomlás Egy két protonból és két neutronból álló hélium atom szabadul fel – általában alfa-részecskének nevezik. Mivel az alfa-bomlás az atomban lévő pozitív töltésű protonok számának kettővel való csökkenését vonja maga után, az alfa-részecskét kibocsátó mag a periódusos rendszerben tőle két pozícióval alacsonyabban lévő elem magjává alakul. Nál nél béta bomlás az atommag elektront bocsát ki, és az elem elmozdul egy pozíciót előre a periódusos rendszer szerint (ebben az esetben lényegében ennek az elektronnak a kisugárzásával válik protonná egy neutron). Végül, gamma-bomlás - Ez az atommagok bomlása nagy energiájú fotonok kibocsátásával, amelyeket általában gamma-sugárzásnak neveznek. Ebben az esetben az atommag energiát veszít, de a kémiai elem nem változik.

Azonban az a puszta tény, hogy egy kémiai elem egyik vagy másik izotópja instabil, nem jelenti azt, hogy ennek az izotópnak bizonyos számú magjának összegyűjtésével képet kapunk azok pillanatnyi bomlásáról. A valóságban egy radioaktív elem magjának bomlása némileg emlékeztet a kukorica sütésének folyamatára pattogatott kukorica készítésekor: a szemek (nukleonok) egyenként esnek le a „csutkáról” (mag), teljesen kiszámíthatatlan sorrendben, amíg mindegyik le nem esik. A radioaktív bomlás reakcióját leíró törvény valójában csak ezt a tényt mondja ki: egy radioaktív mag meghatározott időn keresztül az összetételében maradó nukleonok számával arányos számú nukleont bocsát ki. Azaz minél több szem-nukleon marad még az „alulsütött” kalászmagban, annál több fog kiszabadulni belőlük egy meghatározott „sütési” időintervallum alatt. Amikor ezt a metaforát nyelvre fordítjuk matematikai képletek kapunk egy egyenletet, amely leírja a radioaktív bomlást:

d N = λN d t

ahol D N- az atommag által kibocsátott nukleonok száma az összes nukleonszámmal együtt N időben d t, A λ - kísérletileg meghatározott radioaktivitási állandó vizsgált anyag. A fenti empirikus képlet egy lineáris differenciálegyenlet, melynek megoldása a következő függvény, amely leírja az egy időben az atommagban maradó nukleonok számát t:

N = N 0 e - λt

Ahol N 0 a nukleonok száma az atommagban a megfigyelés kezdeti pillanatában.

A radioaktivitási állandó tehát meghatározza, hogy a mag milyen gyorsan bomlik le. A kísérleti fizikusok azonban általában nem azt mérik, hanem az ún fél élet mag (vagyis az az időszak, amely alatt a vizsgált mag kibocsátja a benne lévő nukleonok felét). A különböző izotópok eltérőek radioaktív anyagok A felezési idők (az elméleti előrejelzésekkel teljes összhangban) a másodperc milliárdod részétől több milliárd évig terjednek. Vagyis egyes magok szinte örökké élnek, mások pedig szó szerint azonnal lebomlanak (itt fontos megjegyezni, hogy a felezési idő után az eredeti anyag teljes tömegének fele marad, két felezési idő után - tömegének negyede , három felezési idő után - egy nyolcad stb. .d.).

Ami a radioaktív elemek megjelenését illeti, ezek különböző módon születnek. Különösen a Föld ionoszféráját (a légkör vékony felső rétegét) folyamatosan bombázzák nagy energiájú részecskékből álló kozmikus sugarak ( cm. Elemi részecskék). Hatásukra a hosszú élettartamú atomok instabil izotópokra bomlanak: különösen a stabil nitrogén-14-től a a föld légköreállandóan keletkezik az instabil szén-14 izotóp, melynek atommagja 6 protonból és 8 neutronból áll ( cm. Radiometrikus kormeghatározás).

De a fenti eset meglehetősen egzotikus. Sokkal gyakrabban képződnek radioaktív elemek reakcióláncok nukleáris maghasadás . Így nevezik azt az eseménysorozatot, amely során az eredeti ("anya") mag két "leány"-ra (radioaktív is) bomlik, amelyek viszont négy "unoka" magra bomlanak, stb. A folyamat addig tart, amíg amíg stabil izotópokat nem kapunk. Példaként vegyük az urán-238 izotópot (92 proton + 146 neutron), amelynek felezési ideje körülbelül 4,5 milliárd év. Ez az időszak egyébként megközelítőleg megegyezik bolygónk korával, ami azt jelenti, hogy a Föld keletkezésének elsődleges anyagának összetételéből származó urán-238 körülbelül fele még mindig megtalálható a földi elemek összességében. természet. Az urán-238 tórium-234-vé alakul (90 proton + 144 neutron), amelynek felezési ideje 24 nap. A tórium-234 palládium-234-té alakul (91 proton + 143 neutron), felezési ideje 6 óra - stb. Több mint tíz bomlási szakasz után végre megkapjuk az ólom-206 stabil izotópját.

Sok mindent el lehet mondani a radioaktív bomlásról, de néhány pont külön említést érdemel. Először is, ha bármilyen radioaktív izotópból tiszta mintát veszünk is kiindulási anyagként, az különböző komponensekre bomlik, és hamarosan elkerülhetetlenül egy egész „csokrot” kapunk különböző, különböző atomtömegű radioaktív anyagokból. Másodszor, az atomi bomlás természetes reakcióláncai megnyugtatnak bennünket abban az értelemben, hogy a radioaktivitás természetes jelenség, jóval az ember előtt létezett, és nem kell lelkünkre venni a bűnt, és csak egyet hibáztatni. emberi civilizáció abban, ami a Földön elérhető háttérsugárzás. Az urán-238 a kezdetektől fogva létezett a Földön, lebomlott, bomlik – és bomlik is, és atomerőművek fel kell gyorsítani ezt a folyamatot, valójában egy százalék töredékével; így a természet által biztosítottakon kívül semmi különösebb káros hatásuk nincs rád és rám.

Végül, a radioaktív atomi bomlás elkerülhetetlensége potenciális problémákat és potenciális lehetőségeket is jelent az emberiség számára. Különösen az urán-238 atommagok bomlásának reakciói láncolatában képződik radon-222 - szín, szag és íz nélküli nemesgáz, amely nem lép be kémiai reakciókba, mivel nem képes kémiai reakciókra. kötvények. Ez inert gáz,és szó szerint szivárog bolygónk mélyéről. Általában nincs ránk hatása - egyszerűen feloldódik a levegőben, és enyhe koncentrációban ott marad, amíg még könnyebb elemekre nem bomlik. Ha azonban ez az ártalmatlan radon sokáig szellőzetlen helyiségben marad, akkor idővel bomlástermékei elkezdenek felhalmozódni ott - és károsak az emberi egészségre (belélegzés esetén). Így kapjuk az úgynevezett „radon problémát”.

A másik oldalon, radioaktív tulajdonságok kémiai elemek Jelentős előnyökkel járnak az emberek számára is, ha bölcsen közelíted meg őket. Most különösen radioaktív foszfort fecskendeznek be, hogy röntgenképet készítsenek a csonttörésekről. A radioaktivitás mértéke minimális, és nem károsítja a beteg egészségét. Belépés csontszövet A testet a közönséges foszforral együtt elegendő sugarat bocsát ki ahhoz, hogy fényérzékeny berendezéseken rögzítse azokat, és szó szerint belülről képet kapjon egy törött csontról. Ennek megfelelően a sebészeknek lehetőségük van egy összetett törést nem vakon és véletlenszerűen operálni, hanem a törés szerkezetének előzetes tanulmányozásával ilyen képek segítségével. Általában alkalmazások radiográfia számtalan szám van a tudományban, a technikában és az orvostudományban. És mindegyik ugyanazon az elven működik: Kémiai tulajdonságok atom (lényegében a külső elektronhéj tulajdonságai) lehetővé teszik, hogy egy anyagot egy adott kémiai csoporthoz rendeljenek; majd ennek az anyagnak a kémiai tulajdonságait felhasználva az atom „a megfelelő helyre” kerül, majd ennek az elemnek a magjainak azon tulajdonságát felhasználva, hogy szigorúan összhangban bomlik. törvények által megállapított a fizikusok „grafikusan”, a bomlástermékeket rögzítik.

A részecskék és az atommagok szerkezetét és tulajdonságait mintegy száz éve tanulmányozták bomlásokban és reakciókban.
A bomlás a mikrovilágfizika bármely tárgyának (mag vagy részecske) spontán átalakulását jelenti több bomlástermékké:

Mind a bomlás, mind a reakciók számos természetvédelmi törvény hatálya alá tartoznak, amelyek közül először is meg kell említeni a következő törvényeket:

A jövőben más, a bomlásokban és reakciókban működő természetvédelmi törvényekről is szó lesz. A fent felsorolt ​​törvények a legfontosabbak, és ami különösen jelentős, minden típusú interakcióban végrehajtják.(Lehetséges, hogy a bariontöltés megmaradásának törvénye nem rendelkezik olyan egyetemességgel, mint az 1-4. megmaradási törvény, de ennek megsértését még nem fedezték fel).
A mikrovilág objektumai közötti kölcsönhatások folyamatai, amelyek bomlásokban és reakciókban tükröződnek valószínűségi jellemzők.

Bomlás

A mikrovilágfizika bármely tárgyának (mag vagy részecske) spontán bomlása lehetséges, ha a bomlástermékek nyugalmi tömege kisebb, mint az elsődleges részecske tömege.

A bomlás jellemzi bomlási valószínűségek , vagy annak fordított valószínűsége átlagos élettartama τ = (1/λ). Az ezekhez a tulajdonságokhoz kapcsolódó mennyiséget is gyakran használják fél élet T 1/2.
Példák a spontán bomlásokra

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

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

(2.5)

A bomlásokban (2.4) két részecske van végső állapotban. A bomlásokban (2.5) három van.
Megkapjuk a részecskék (vagy atommagok) bomlási egyenletét. A részecskék (vagy atommagok) számának egy időintervallumon belüli csökkenése arányos ezzel az intervallumtal, a részecskék (magok) számával Ebben a pillanatban a bomlás ideje és valószínűsége:

A kezdeti feltételeket figyelembe vevő integráció (2.6) megadja a kapcsolatot a t időpontban lévő részecskék száma és a kezdeti t = 0 időpontban lévő azonos részecskék száma között:

A felezési idő az az idő, amely alatt a részecskék (vagy magok) száma felére csökken:

A mikrovilágfizika bármely tárgyának (mag vagy részecske) spontán bomlása lehetséges, ha a bomlástermékek tömege kisebb, mint az elsődleges részecske tömege. A két termékre és három vagy több termékre bomlást a bomlástermékek eltérő energiaspektruma jellemzi. Két részecske bomlás esetén a bomlástermékek spektruma diszkrét. Ha kettőnél több részecske van a végső állapotban, akkor a termékek spektruma folytonos.

Az elsődleges részecske és a bomlástermékek tömegének különbsége a bomlástermékek között oszlik el kinetikai energiáik formájában.
A bomlási energia és lendület megmaradásának törvényeit a bomló részecske (vagy atommag) koordinátarendszerébe kell beírni. A képletek egyszerűsítésére célszerű a = c = 1 mértékegységrendszert használni, amelyben az energia, a tömeg és az impulzus azonos dimenziójú (MeV). Természetvédelmi törvények erre a pusztulásra:

Innen kapjuk a bomlástermékek mozgási energiáit

Így két végső állapotú részecske esetén a termékek kinetikus energiáit határozzák meg egyértelműen. Ez az eredmény nem függ attól, hogy a bomlástermékek relativisztikus vagy nem relativisztikus sebességűek-e. A relativisztikus esetben a kinetikus energiák képlete valamivel bonyolultabbnak tűnik, mint (2.10), de a két részecske energiájára és impulzusára vonatkozó egyenlet megoldása ismét egyedi. Ez azt jelenti két részecske bomlás esetén a bomlástermékek spektruma diszkrét.
Ha három (vagy több) termék keletkezik a végállapotban, az energia- és impulzusmegmaradás törvényeinek egyenleteinek megoldása nem vezet egyértelmű eredményre. Amikor, ha kettőnél több részecske van a végállapotban, akkor a termékek spektruma folytonos.(A következőkben a -decays példájával ezt a helyzetet részletesen megvizsgáljuk.)
A nukleáris bomlástermékek kinetikus energiáinak kiszámításakor célszerű azt a tényt használni, hogy az A nukleonok száma megmarad. (Ez egy megnyilvánulás Baryon töltet természetvédelmi törvény , mivel az összes nukleon bariontöltése egyenlő 1).
Alkalmazzuk a kapott (2.11) képleteket 226 Ra -bomlására (az első bomlás a (2.4)-ben).

Tömegkülönbség a rádium és bomlástermékei között
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. (Itt a semleges atomok többlettömegének táblázatát és az M = A + összefüggést használtuk a tömegekre stb. többlettömegek Δ)
Az alfa-bomlásból származó hélium és radon magok kinetikai energiája egyenlő:

,
.

Az alfa-bomlás következtében felszabaduló teljes kinetikus energia kevesebb, mint 5 MeV, és a nukleon nyugalmi tömegének körülbelül 0,5%-a. A bomlás eredményeként felszabaduló mozgási energia és a részecskék vagy atommagok nyugalmi energiáinak aránya - a nemrelativisztikus közelítés alkalmazásának elfogadhatóságának kritériuma. Az atommagok alfa-bomlása esetén a kinetikus energiák nyugalmi energiákhoz viszonyított kicsinysége lehetővé teszi, hogy a (2.9-2.11) képletekben a nemrelativisztikus közelítésre szorítkozzunk.

A π + mezon bomlása két részecske részre megy végbe: π + μ + + ν μ. A π + mezon tömege 139,6 MeV, a μ müoné 105,7 MeV. A müonneutrínó tömegének ν μ pontos értéke még nem ismert, de megállapították, hogy nem haladja meg a 0,15 MeV-ot. Közelítő számításban 0-val egyenlőnek állíthatjuk, mivel ez több nagyságrenddel kisebb, mint a pion és a müon tömege közötti különbség. Mivel a π + mezon és bomlástermékeinek tömege közötti különbség 33,8 MeV, ezért a neutrínók esetében relativisztikus képleteket kell alkalmazni az energia és az impulzus közötti összefüggésre. A további számításoknál az alacsony neutrínótömeg elhanyagolható, és a neutrínó ultrarelativista részecskének tekinthető. Az energia- és impulzusmegmaradás törvényei a π + mezon bomlásakor:

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

E ν = p ν

Példa a kétrészecske-bomlásra az is, hogy egy -kvantum emissziója a gerjesztett atommag alacsonyabb energiaszintre való átmenete során történik.
Az összes fent elemzett kétrészecskés bomlásban a bomlástermékek „pontos” energiaértékkel rendelkeznek, pl. diszkrét spektrum. A probléma mélyebb vizsgálata azonban azt mutatja a kétrészecske-bomlás termékeinek spektruma sem az energia függvénye.

.

A bomlástermékek spektruma véges Γ szélességű, ami annál nagyobb, minél rövidebb a bomló atommag vagy részecske élettartama.

(Ez az összefüggés az energia és idő bizonytalansági relációjának egyik megfogalmazása).
A három testből álló bomlás példái a -decays.
A neutron -bomláson megy keresztül, protonná és két leptonná - elektronná és antineutrínóvá alakul: np + e - + e.
A béta-bomlást maguk a leptonok is tapasztalják, például a müon (a müon átlagos élettartama
τ = 2,2 · 10 –6 mp):

.

A müonok maximális elektronimpulzus melletti bomlásának megmaradási törvényei:
A müon bomlási elektron maximális kinetikus energiájára megkapjuk az egyenletet

Az elektron mozgási energiája ebben az esetben két nagyságrenddel nagyobb nyugalmi tömegénél (0,511 MeV). Egy relativisztikus elektron impulzusa gyakorlatilag egybeesik a mozgási energiájával

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