Ko'pchilik atom yadrolari beqaror. Ertami-kechmi ular o'z-o'zidan (yoki fiziklar aytganidek, o'z-o'zidan) kichikroq yadrolar va elementar zarrachalarga parchalanadi, ular odatda deyiladi parchalanish mahsulotlari yoki bolalar elementlari. Odatda parchalanuvchi zarralar deyiladi boshlang'ich materiallar yoki ota-onalar. Biz hammamiz yaxshi bilamiz kimyoviy moddalar(temir, kislorod, kaltsiy va boshqalar) kamida bitta barqaror izotop mavjud. ( Izotoplar yadrosida protonlar soni bir xil bo'lgan kimyoviy elementning navlari deyiladi - bu protonlar soniga mos keladi. ishlab chiqarish raqami element, lekin turli raqamlar neytronlar.) Bu moddalar bizga yaxshi ma'lum bo'lganligi ularning barqarorligini ko'rsatadi, ya'ni ular ko'p miqdorda to'planish uchun etarlicha uzoq umr ko'rishadi. tabiiy sharoitlar, tarkibiy qismlarga bo'linmasdan. Ammo tabiiy elementlarning har biri ham beqaror izotoplarga ega - bu jarayonda ularning yadrolarini olish mumkin yadro reaksiyalari, lekin ular uzoq umr ko'rmaydilar, chunki ular tezda parchalanadi.

Radioaktiv elementlar yoki izotoplarning yadrolari uchta asosiy usulda parchalanishi mumkin va tegishli yadroviy parchalanish reaktsiyalari yunon alifbosining birinchi uchta harfi bilan nomlanadi. Da alfa parchalanishi Ikki proton va ikkita neytrondan iborat geliy atomi ajralib chiqadi - u odatda alfa zarrasi deb ataladi. Alfa-parchalanish atomdagi musbat zaryadlangan protonlar sonining ikki marta kamayishiga olib kelganligi sababli, alfa zarrachasini chiqargan yadro davriy tizimda undan ikki pog'ona pastroqda joylashgan element yadrosiga aylanadi. Da beta parchalanishi yadro elektron chiqaradi va element bir pozitsiyani siljitadi oldinga davriy jadvalga ko'ra (bu holda, asosan, neytron aynan shu elektronning nurlanishi bilan protonga aylanadi). Nihoyat, gamma parchalanishi - Bu odatda gamma nurlari deb ataladigan yuqori energiyali fotonlarning emissiyasi bilan yadrolarning parchalanishi. Bunday holda, yadro energiyasini yo'qotadi, ammo kimyoviy element o'zgarmaydi.

Biroq, kimyoviy elementning u yoki bu izotopining beqarorligi haqiqati, bu izotopning ma'lum miqdordagi yadrolarini yig'ish orqali siz ularning bir zumda parchalanishining rasmini olasiz degani emas. Aslida, radioaktiv element yadrosining parchalanishi popkorn tayyorlashda makkajo'xorini qovurish jarayonini biroz eslatadi: donalar (nuklonlar) bir vaqtning o'zida butunlay oldindan aytib bo'lmaydigan tartibda "kob" (yadro) dan tushadi. ularning hammasi yiqilib tushguncha. Radioaktiv parchalanish reaktsiyasini tavsiflovchi qonun, aslida, faqat shu haqiqatni bildiradi: ma'lum vaqt oralig'ida radioaktiv yadro o'z tarkibida qolgan nuklonlar soniga mutanosib ravishda bir qancha nuklonlarni chiqaradi. Ya'ni, "pishirilmagan" kob-yadroda qancha ko'p don-nuklonlar qolsa, ular qattiq "qovurish" vaqt oralig'ida shunchalik ko'p chiqariladi. Ushbu metaforani tilga tarjima qilganda matematik formulalar radioaktiv parchalanishni tavsiflovchi tenglamani olamiz:

d N = l N d t

qaerda d N— nuklonlarning umumiy soniga ega bo'lgan yadro tomonidan chiqarilgan nuklonlar soni N vaqtida d t, A λ - eksperimental tarzda aniqlangan radioaktivlik konstantasi sinov moddasi. Yuqoridagi empirik formula chiziqli differensial tenglama bo‘lib, uning yechimi quyidagi funksiya bo‘lib, bir vaqtning o‘zida yadroda qoladigan nuklonlar sonini tavsiflaydi. t:

N = N 0 e - lt

Qayerda N 0 - kuzatishning dastlabki momentidagi yadrodagi nuklonlar soni.

Shunday qilib, radioaktivlik konstantasi yadro qanchalik tez parchalanishini aniqlaydi. Biroq, eksperimental fiziklar odatda uni emas, balki shunday deb ataladigan narsani o'lchaydilar yarim hayot yadro (ya'ni o'rganilayotgan yadro tarkibidagi nuklonlarning yarmini chiqaradigan davr). Turli xil izotoplar har xil radioaktiv moddalar Yarim yemirilish davri (nazariy bashoratlarga to'liq mos ravishda) soniyaning milliarddan bir qismidan milliardlab yillargacha o'zgarib turadi. Ya'ni, ba'zi yadrolar deyarli abadiy yashaydi, ba'zilari esa tom ma'noda bir zumda parchalanadi (bu erda shuni yodda tutish kerakki, yarim yemirilish davridan keyin asl moddaning umumiy massasining yarmi qoladi, ikki yarim umrdan keyin - massasining to'rtdan bir qismi qoladi. , uchta yarim umrdan keyin - sakkizdan biri va boshqalar .d.).

Radioaktiv elementlarning paydo bo'lishiga kelsak, ular turli yo'llar bilan tug'iladi. Xususan, Yerning ionosferasi (atmosferaning yupqa ustki qatlami) doimiy ravishda yuqori energiyali zarrachalardan tashkil topgan kosmik nurlar tomonidan bombardimon qilinadi ( sm. Elementar zarralar). Ularning ta'siri ostida uzoq umr ko'radigan atomlar beqaror izotoplarga bo'linadi: xususan, barqaror azot-14 dan. yer atmosferasi yadrosida 6 proton va 8 neytron bo'lgan beqaror uglerod-14 izotopi doimiy ravishda hosil bo'ladi ( sm. Radiometrik tanishish).

Ammo yuqoridagi holat juda ekzotik. Ko'pincha radioaktiv elementlar hosil bo'ladi reaktsiya zanjirlari yadro parchalanishi . Bu asl ("ona") yadroning ikkita "qizi" (shuningdek radioaktiv) ga parchalanishi, o'z navbatida, to'rtta "nabira" yadrosi va boshqalarga parchalanadigan bir qator hodisalarga berilgan nom. Jarayon shu vaqtgacha davom etadi. barqaror izotoplar olinmaguncha. Misol tariqasida yarim yemirilish davri taxminan 4,5 milliard yil bo'lgan uran-238 (92 proton + 146 neytron) izotopini olaylik. Aytgancha, bu davr sayyoramizning yoshiga to'g'ri keladi, ya'ni uran-238 ning taxminan yarmi Yerning shakllanishining birlamchi moddasi tarkibidagi hali ham yerdagi elementlarning umumiy tarkibida mavjud. tabiat. Uran-238 toriy-234 ga aylanadi (90 proton + 144 neytron), uning yarimparchalanish davri 24 kun. Toriy-234 palladiy-234 (91 proton + 143 neytron) ga aylanadi, yarimparchalanish davri 6 soat - va hokazo. O'ndan ortiq parchalanish bosqichlaridan so'ng, nihoyat, qo'rg'oshin-206 ning barqaror izotopi olinadi.

Radioaktiv parchalanish haqida ko'p gapirish mumkin, ammo bir nechta fikrlarni alohida ta'kidlash kerak. Birinchidan, agar biz boshlang'ich material sifatida biron bir radioaktiv izotopning sof namunasini olsak ham, u turli tarkibiy qismlarga parchalanadi va tez orada biz muqarrar ravishda turli yadro massalariga ega bo'lgan turli xil radioaktiv moddalarning butun "guldastasini" olamiz. Ikkinchidan, atom parchalanishi reaksiyalarining tabiiy zanjirlari bizni radioaktivlik tabiiy hodisa ekanligi, u insoniyatdan ancha oldin mavjud bo'lganligi va bizning qalbimizga gunoh olib, faqat bittasini ayblashning hojati yo'qligiga ishontiradi. insoniyat sivilizatsiyasi Yerda mavjud bo'lgan narsalarda fon radiatsiyasi. Uran-238 er yuzida paydo bo'lganidan beri mavjud bo'lgan, chirigan, parchalanmoqda va parchalanadi va bo'ladi. atom elektr stansiyalari bu jarayonni, aslida, foizning bir qismini tezlashtirish; shuning uchun ular tabiat tomonidan taqdim etilgan narsalarga qo'shimcha ravishda siz va menga hech qanday ayniqsa zararli ta'sir ko'rsatmaydi.

Nihoyat, radioaktiv atom parchalanishining muqarrarligi insoniyat uchun ham potentsial muammolarni, ham potentsial imkoniyatlarni keltirib chiqaradi. Xususan, uran-238 yadrolarining parchalanish reaktsiyalari zanjirida radon-222 hosil bo'ladi - rangi, hidi va ta'mi bo'lmagan, hech qanday kimyoviy reaktsiyaga kirmaydigan, chunki u kimyoviy moddalar hosil qilishga qodir emas. obligatsiyalar. Bu inert gaz, va u tom ma'noda sayyoramizning tubidan oqib chiqadi. Odatda bu bizga hech qanday ta'sir qilmaydi - u shunchaki havoda eriydi va engilroq elementlarga parchalanmaguncha u erda ozgina konsentratsiyada qoladi. Ammo, agar bu zararsiz radon uzoq vaqt davomida ventilyatsiya qilinmagan xonada qolsa, vaqt o'tishi bilan uning parchalanish mahsulotlari u erda to'plana boshlaydi - va ular inson salomatligi uchun zararli (agar nafas olayotgan bo'lsa). Shunday qilib, biz "radon muammosi" deb ataladigan narsaga erishamiz.

Boshqa tomondan, radioaktiv xossalari kimyoviy elementlar Agar siz ularga oqilona yondashsangiz, ular odamlarga katta foyda keltiradi. Radioaktiv fosfor, xususan, endi suyak sinishining rentgenografik rasmini olish uchun AOK qilinadi. Uning radioaktivlik darajasi minimal va bemorning sog'lig'iga zarar etkazmaydi. Kirish suyak to'qimasi tanasi oddiy fosfor bilan birga yorug'likka sezgir uskunaga yozib olish va singan suyakning rasmini tom ma'noda ichkaridan olish uchun etarli miqdorda nurlar chiqaradi. Shunga ko'ra, jarrohlar murakkab sinishda ko'r-ko'rona va tasodifiy emas, balki bunday tasvirlar yordamida sinish tuzilishini oldindan o'rganish orqali operatsiya qilish imkoniyatiga ega. Umuman olganda, ilovalar rentgenografiya fan, texnologiya va tibbiyotda son-sanoqsiz raqamlar mavjud. Va ularning barchasi bir xil printsip asosida ishlaydi: Kimyoviy xossalari atom (aslida, tashqi elektron qobiqning xususiyatlari) moddani ma'lum bir kimyoviy guruhga belgilash imkonini beradi; so'ngra, ushbu moddaning kimyoviy xossalaridan foydalanib, atom "kerakli joyga" etkaziladi, shundan so'ng ushbu element yadrolarining xususiyatidan foydalanib, qat'iy muvofiq parchalanadi. qonunlar bilan belgilanadi fiziklar "grafik", parchalanish mahsulotlari qayd etiladi.

Zarralar va atom yadrolarining tuzilishi va xossalari taxminan yuz yil davomida parchalanish va reaksiyalarda oʻrganilgan.
Parchalanish mikrodunyo fizikasining har qanday ob'ektining (yadro yoki zarracha) bir nechta parchalanish mahsulotlariga o'z-o'zidan aylanishini anglatadi:

Yemirilishlar ham, reaktsiyalar ham bir qator saqlanish qonunlariga bo'ysunadi, ular orasida birinchi navbatda quyidagi qonunlarni eslatib o'tish kerak:

Kelajakda parchalanish va reaktsiyalarda ishlaydigan boshqa saqlanish qonunlari muhokama qilinadi. Yuqorida sanab o'tilgan qonunlar eng muhimi va eng muhimi, o'zaro ta'sirlarning barcha turlarida amalga oshiriladi.(Ehtimol, barion zaryadining saqlanish qonuni 1-4 saqlanish qonunlari kabi universallikka ega emas, lekin uning buzilishi hali aniqlanmagan).
Mikrodunyo ob'ektlari o'rtasidagi o'zaro ta'sir jarayonlari parchalanish va reaktsiyalarda aks etadi. ehtimollik xususiyatlari.

Emirilishlar

Mikrodunyo fizikasining har qanday ob'ektining (yadro yoki zarracha) o'z-o'zidan parchalanishi, agar parchalanish mahsulotlarining qolgan massasi birlamchi zarracha massasidan kam bo'lsa, mumkin.

Chirishlar xarakterlanadi parchalanish ehtimoli , yoki ning teskari ehtimolligi o'rtacha hayot vaqti t = (1/l). Ushbu xususiyatlar bilan bog'liq bo'lgan miqdor ham tez-tez ishlatiladi yarim hayot T 1/2.
Spontan parchalanishga misollar

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

n → p + e - + e ; m + → e + + m + n e;

(2.5)

Yemirilishlarda (2.4) oxirgi holatda ikkita zarracha mavjud. Yemirilishlarda (2,5) uchtasi bor.
Biz zarralar (yoki yadrolar) uchun yemirilish tenglamasini olamiz. Vaqt oralig'ida zarrachalar (yoki yadrolar) sonining kamayishi bu oraliq bilan proportsionaldir, zarrachalar (yadrolar) soni bu daqiqa vaqt va parchalanish ehtimoli:

Dastlabki shartlarni hisobga olgan holda (2.6) integratsiya t vaqtdagi zarrachalar soni bilan bir xil zarrachalar sonining dastlabki t = 0 vaqtidagi munosabatini beradi:

Yarim yemirilish davri - bu zarrachalar (yoki yadrolar) soni ikki baravar kamayadigan vaqt:

Mikrodunyo fizikasining har qanday ob'ektining (yadro yoki zarracha) o'z-o'zidan parchalanishi, agar parchalanish mahsulotlarining massasi birlamchi zarracha massasidan kam bo'lsa, mumkin. Ikki mahsulotga va uch yoki undan ortiq mahsulotga parchalanish parchalanish mahsulotlarining turli energiya spektrlari bilan tavsiflanadi. Ikki zarrachaga parchalangan holda, parchalanish mahsulotlarining spektrlari diskretdir. Yakuniy holatda ikkitadan ortiq zarrachalar mavjud bo'lsa, mahsulotlarning spektrlari uzluksizdir.

Birlamchi zarracha va parchalanish mahsulotlari massalaridagi farq parchalanish mahsulotlari orasida ularning kinetik energiyalari shaklida taqsimlanadi.
Emirilish uchun energiya va impulsning saqlanish qonunlari parchalanuvchi zarracha (yoki yadro) bilan bog'liq bo'lgan koordinatalar tizimida yozilishi kerak. Formulalarni soddalashtirish uchun energiya, massa va impuls bir xil o'lchamga (MeV) ega bo'lgan = c = 1 birliklar tizimidan foydalanish qulay. Ushbu parchalanish uchun saqlanish qonunlari:

Bu yerdan biz parchalanish mahsulotlarining kinetik energiyasini olamiz

Shunday qilib, oxirgi holatda ikkita zarracha bo'lsa mahsulotlarning kinetik energiyalari aniqlanadi albatta. Bu natija parchalanish mahsulotlarining relyativistik yoki relativistik bo'lmagan tezliklarga ega bo'lishiga bog'liq emas. Relyativistik holat uchun kinetik energiya formulalari (2.10) ga qaraganda biroz murakkabroq ko'rinadi, ammo ikkita zarrachaning energiyasi va impulsi uchun tenglamalar yechimi yana noyobdir. Bu shuni anglatadiki ikkita zarrachaga parchalanganda, parchalanish mahsulotlarining spektrlari diskretdir.
Agar yakuniy holatda uchta (yoki undan ortiq) mahsulot paydo bo'lsa, energiya va impulsning saqlanish qonunlari uchun tenglamalarni echish aniq natijaga olib kelmaydi. Qachon, agar oxirgi holatda ikkitadan ortiq zarrachalar mavjud bo'lsa, mahsulotlarning spektrlari uzluksizdir.(Keyingi matnda -decays misolidan foydalanib, bu holat batafsil ko'rib chiqiladi.)
Yadro yemirilish mahsulotlarining kinetik energiyalarini hisoblashda A nuklonlar sonining saqlanishidan foydalanish qulay. (Bu ko'rinish barion zaryadining saqlanish qonuni , chunki barcha nuklonlarning barion zaryadlari teng 1).
Olingan formulalarni (2.11) 226 Ra ning -yemirilishiga ((2.4) da birinchi yemirilish) qo'llaymiz.

Radiy va uning parchalanish mahsulotlari orasidagi massa farqi
DM = M(226 Ra) - M(222 Rn) - M(4 He) = D(226 Ra) - D(222 Rn) - D(4 He) = (23,662 - 16,367 - 2,424) MeV = 4,87 MeV. (Bu erda biz neytral atomlarning ortiqcha massalari jadvallarini va massalar uchun M = A + munosabatini va boshqalarni ishlatdik. ortiqcha massalar Δ)
Alfa parchalanishi natijasida kelib chiqqan geliy va radon yadrolarining kinetik energiyalari quyidagilarga teng:

,
.

Alfa-parchalanish natijasida ajralib chiqadigan umumiy kinetik energiya 5 MeV dan kam va nuklonning qolgan massasining taxminan 0,5% ni tashkil qiladi. Parchalanish natijasida chiqarilgan kinetik energiya va zarralar yoki yadrolarning qolgan energiyalari nisbati - relyativistik bo'lmagan yaqinlashuvdan foydalanishning maqbulligi mezoni. Yadrolarning alfa yemirilishida kinetik energiyalarning tinch energiyalarga nisbatan kichikligi bizga formulalardagi (2.9-2.11) norelativistik yaqinlashish bilan cheklanish imkonini beradi.

p + mezonning yemirilishi ikkita zarrachaga aylanadi: p + m + + n m. p + mezonning massasi 139,6 MeV, m muonning massasi 105,7 MeV. Myuon neytrino massasining aniq qiymati n m hali ma'lum emas, lekin uning 0,15 MeV dan oshmasligi aniqlangan. Taxminiy hisob-kitobda biz uni 0 ga tenglashtirishimiz mumkin, chunki u pion va muon massalari orasidagi farqdan bir necha marta pastroqdir. p + mezon massalari va uning parchalanish mahsulotlari orasidagi farq 33,8 MeV bo'lgani uchun neytrinolar uchun energiya va impuls o'rtasidagi bog'liqlik uchun relativistik formulalardan foydalanish kerak. Keyingi hisob-kitoblarda past neytrino massasini e'tiborsiz qoldirish va neytrinoni ultrarelativistik zarracha deb hisoblash mumkin. p + mezonning parchalanishida energiya va impulsning saqlanish qonunlari:

m p = m m + T m + E n
|p n | = | p m |

E n = p n

Ikki zarrachali yemirilishga qo`zg`algan yadroning quyi energiya darajasiga o`tishida -kvantning chiqishi ham misol bo`la oladi.
Yuqorida tahlil qilingan barcha ikki zarrachali parchalanishlarda parchalanish mahsulotlari "aniq" energiya qiymatiga ega, ya'ni. diskret spektr. Biroq, bu muammoni chuqurroq ko'rib chiqish shuni ko'rsatadi hatto ikki zarrachali parchalanish mahsulotlarining spektri energiya funktsiyasi emas.

.

Parchalanish mahsulotlarining spektri cheklangan D kengligiga ega, bu parchalanuvchi yadro yoki zarrachaning ishlash muddati qanchalik qisqa bo'lsa, qanchalik katta bo'lsa.

(Bu munosabat energiya va vaqt uchun noaniqlik munosabatlarining formulalaridan biridir).
Uch jismli yemirilishlarga misollar - yemirilishlar.
Neytron parchalanadi, protonga va ikkita leptonga - elektron va antineytrinoga aylanadi: np + e - + e.
Beta-parchalanish leptonlar tomonidan ham sodir bo'ladi, masalan, muon (myuonning o'rtacha umri).
t = 2,2 ·10 –6 sek):

.

Maksimal elektron impulsda muon parchalanishining saqlanish qonunlari:
Myuon yemirilish elektronining maksimal kinetik energiyasi uchun tenglamani olamiz

Bu holda elektronning kinetik energiyasi uning dam olish massasidan (0,511 MeV) ikki marta kattaroqdir. Relyativistik elektronning impulsi amalda uning kinetik energiyasiga to'g'ri keladi

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