MS PowerPoint, 6,73 Мб

Л.46 Радиоактивность
10
Прикладная атомная и ядерная физика
Радиоактивность: 1896 - 2006
1
Радиоактивность – ядро одного элемента само собой
превращается в ядро другого (самопроизвольно)
N a (t )  N a 0 exp(t /  ) (0)
Закон радиоактивного
распада – релаксация,
переход в равновесное
состояние
Основная количественная
характеристика – период
полураспада
 1/ 2
 1/ 2   ln 2
2
Как получается закон радиоактивного распада?
N a (t )  N a 0 exp(t /  ) (0)
Из соответствующего дифференциального уравнения:
распад равновероятен в любой момент времени
d  a (t )  
dt

 a (t ) (5)
 a (t )  exp  t /  
 a (0)  1
Вероятность того, что данное
ядро ещё не распалось,
убывает пропорционально dt
Интегрирование с начальным
условием «1» даёт закон
радиоактивного распада
В начальный момент времени ядро есть
3
4
Практически всегда любое
238
4
234
радиоактивное
превращение
Альфа-распад
92 U  2 He  90 Th
сопровождается
сильно
234
234
0

0
90 Th 91 Pa  1 e  0  e Бета-минус-распад
проникающим гамма40
40
0

0
 1 e  0  e Бета-плюс-распад
излучением
!!!
19 K 18 Ar
Основные виды радиоактивности
40
19

K  e 
235
92
0
1
U 
143
56
40
18
Ar   e
0
0
Ba  Kr
92
36
Электронный (К) захват
Спонтанное деление
Альфа-распад – первый понятый вид радиоактивности
A
Z
X  He 
4
2
A4
Z 2
Y (1)
Общее уравнение альфараспада ядра Х
5
Альфа-распад – часто, тяжёлые ядра, много протонов
A
Z
X  He 
4
2
A4
Z 2
6
Y (1)
7
Альфа-распад – теория – туннельный эффект
A
Z
X  He 
4
2
A4
Z 2
Y (1)
Wk
Закон Гейгера-Неттола (1911-1922): связь
периода полураспада с кинетической
энергией вылетающих альфа-частиц
lg1/ 2  C  D Wk
Альфа-распад –
сильное ядерное + кулоновское взаимодействие
RA  r0  A
1/ 3
8
Бета-минус-распад – один из долго не понятых.
Часто. Ядра, перегруженные нейтронами.
A
Z
X 
A
Z 1
Y  e   e (2)
0
1

0
0
Уравнение бета-минусраспада ядра Х
9
Бета-минус-распад – ядра, перегруженные нейтронами
10
Бета-минус-распад – спектр электронов
Энергии электронов
разные!
Не как в альфа-распаде –
энергия альфа-частицы
одна
Часть энергии уносит
нейтрино –
1896 – радиоактивность
1931 – предсказано
1955 – зарегистрировано
2002 – установлено, что
есть масса покоя
11
Механизм бета-минус-распада в стандартной модели
12
Виртуальный W-бозон:
масса 80 ГэВ,
рождается на короткое
время
Распадается на
реальные электрон и
антинейтрино, которые
живут долго
Бета-плюс-распад – бета-минус «наоборот»
A
Z
X 
A
Z 1
Y  e   e (3)
0
1

0
0
Уравнение бета-плюсраспада ядра Х
13
Бета-плюс-распад – ядра, перегруженные протонами
14
Электронный захват – довольно часто,
тяжёлые ядра, перегруженные протонами
A
Z

X  e 
0
1
Здесь должна быть
картинка!
A
Z 1
Y   e (4)
0
0
Уравнение электронного
захвата ядром Х
15
Электронный захват – ядра, перегруженные протонами
16
17
Бета-распад (любой из трёх) –
электрослабое взаимодействие
Распад протона –
ТОЛЬКО в ядре!!!
1
1
p(uud )
Распад нейтрона – свободного
или в ядре

(udu  udd  W )
1
0
n(udd )  W  n(udd )  e   e

1
0
0
1

0
0
Любой распад происходит только если
он энергетически выгоден (ЗСЭ): сумма масс
продуктов меньше массы материнского ядра
Любой распад происходит как следствие
2-го закона термодинамики: после распада
продукты движутся, больше микросостояний
18
Цепочки радиоактивных распадов в природе:
радиоактивные семейства
19
В нас с вами
всё это есть!
A
Z
A
Z
X 42 He  ZA42 Y
X  ZA1 Y  01 e 00  e
20
Линия бета-стабильности
A 0,2 A2
Z 
2 A  200
Основные идеи использования радиоактивных
изотопов и излучений: их всего ЧЕТЫРЕ (по ШЮ)
21
1) Любой радиоактивный изотоп является меченым атомом
соответствующего элемента, химически не отличим, а по излучению
можно проследить его судьбу - медицина, биохимия, сельское хозяйство
2) Любое радиоактивное излучение обладает строго определенной
проникающей способностью – измерение толщины слоя хоть чего,
исследование горных пород
3) Радиоактивные излучения обычно вызывают ионизацию среды – проблема
статического электричества в текстильной промышленности, медицина (рак),
сельское хозяйство
4) При облучении вещества (обычно нейтронами) возникает наведённая
радиоактивность, т.е. многие атомы вещества превращаются в радиоактивные
изотопы – химия - активационный элементный анализ, создание меченых
атомов, трансмутационное легирование, радиоуглеродная датировка
Наиболее важные
радиоактивные изотопы
и их применения
по-французски (СЕА).
Франция – более 70%
ядерной (атомной)
электроэнергии.
Traceur – меченый атом, индикатор
22
Спонтанное деление ядер – только
очень тяжёлые, редко
238
92
23
U 
140
54
Xe  Sr
98
38
24
Сборка основных формул и результатов
Законтолько
радиоактивного
Любой
распад
происходит
если
N a (t )  N a 0 exp(t /  ) (0) распада
он энергетически выгоден (ЗСЭ): сумма
Общее уравнение
альфаA
4
A4
масс
продуктов
меньше
массы
(1) распада ядра Х
Z X  2 He  Z 2 Y
материнского ядра
A
Z
X 
A
Z 1
Y  e   e (3)
0
1

0
0
Уравнение бета-плюсраспада ядра Х
Любой распад происходит как следствие
A
A
0
 термодинамики:
0
Уравнение бета-минус2-го
закона
(2) распада ядра Х
Z X  Z 1 Y  1 e  0  e
после распада
A
0
 продукты
A
0 движутся,
Уравнение
X

e

Y


(4)
электронного захвата
Z
1 больше
Z 1 микросостояний
0 e
25
Последний слайд – деньги и радиоактивность
26
27
Что же не удалось? Не записывать!!! Не проверено!!
Неплохо бы ещё показать метод Неймана:
компьютерное моделирование радиоактивного распада
Хорошо бы рассказать про кластерную радиоактивность:
Как её чуть не открыли в СССР
А ещё бывает протонная и двухпротонная
радиоактивности: их открыли в СССР