Электрические цепи переменного тока Явление резонанса векторная диаграмма Электpостатика Закон Кулона Потенциал Диэлектpики Пpоводники Теоpема Гаусса Электpическая емкость Физика атомного ядра Электромагнетизм Волновая оптика Математика Задачи Векторная алгебра Производная

Атомная энергетика и ядерная физика

Основные типы радиоактивности

Альфа-распад. Альфа-лучи представляют собой поток ядер гелия . Распад протекает по следующей схеме:

(16.22)

где X — символ материнского ядра, Y — дочернего.  Примером может служить распад изотопа урана 238U, протекающий с образованием тория :

Установлено, что α-частицы испускают только тяжелые ядра. Кинетическая энергия, с которой α-частицы вылетают из распадающегося ядра, порядка нескольких МэВ. В воздухе при нормальном давлении пробег α-частиц составляет несколько сантиметров (их энергия расходуется на образование ионов на своем пути).

Кинетическая энергия α-частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммой энергий покоя дочернего ядра и α-частицы. Эта избыточная энергия распределяется между α-частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам (в соответствии с законом сохранения импульса).

Расхолаживание реактора с использованием разгрузочных клапанов Пример. После аварии на АЭС Thdee Mile Island компания рассматривала возможность увеличения количества разгрузочных клапанов на эксплуатируемом ею реакторе PWR тепловой мощностью 4000 МВт, что позволило бы отводить всю энергию остаточного тепловыделения (в виде пара) на 101-й секунде после остановки реактора. Оцените необходимое количество клапанов, если принять площадь проходного сечения каждого из них равной 0,002 м2.

Радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться, подобно атомам, в разных возбужденных состояниях. В одном из таких возбужденных состояний может оказаться дочернее ядро при α-распаде. При последующем переходе этого ядра в основное состояние испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с двумя значениями кинетических энергий приведена на рис. 16.3. Таким образом, α-распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением.

 

Рис. 16.3. Энергетическая диаграмма α-распада ядер радия. Указано возбужденное состояние ядра радона . Переход из возбужденного состояния ядра радона в основное сопровождается излучением γ-кванта с энергией 0,186 МэВ.

 

В теории α-распада предполагается, что внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, т. е. α-частица.

Материнское ядро является для α-частиц потенциальной ямой, которая ограничена потенциальным барьером. Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными силами, внешняя же — силами кулоновского отталкивания α-частицы и дочернего ядра. Энергия α-частицы в

Рис. 16.4. Туннелирование α-частицы

сквозь потенциальный барьер.

 

ядре недостаточна для преодоления этого барьера (рис. 16.4). Вылет α-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому явлению, которое называется туннельным эффектом. Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером.

Бета-распад. Это самопроизвольный процесс, в котором исходное ядро превращается в другое ядро с тем же массовым числом А, но с зарядовым числом Z, отличающимся от исходного на ±1. Это связано с тем, что β-распад сопровождается испусканием электрона (позитрона) или его захватом из электронной оболочки атома. Различают три разновидности β-распада:

электронный β--распад, в котором ядро испускает электрон и его зарядовое число Z становится Z + 1;

позитронный β+-распад, в котором ядро испускает позитрон и его зарядовое число Z становится Z - 1;

К-захват, в котором ядро захватывает один из электронов электронной оболочки атома (обычно из К-оболочки) и его зарядовое число Z становится равным Z - 1. На освободившееся место в К-оболочке переходит электрон с другой оболочки, и поэтому К-захват всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Первый вид распада (β--распад) протекает по схеме

(16.23)

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе β--распада, здесь приписано β-электрону зарядовое число Z = -1 и массовое число А = 0.

Из схемы (16.23) видно, что дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино . Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон.

Бета-распад может сопровождаться испусканием γ-лучей. Механизм их возникновения тот же, что и в случае α-распада, — дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает γ-фотон. β-электроны

 

Рис. 16.5.

 

обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до Емакс На рис. 16.5 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β-распаде. Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени, dN — число электронов, энергия которых заключена в интервале dE. Энергия Емакс соответствует разности между массой материнского ядра и массами электрона и дочернего ядра. Следовательно, распады, при которых энергия электрона Е меньше Емакс протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Чтобы объяснить исчезновение энергии Емакс - Е, В. Паули высказал в 1932 г. предположение, что при β-распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая уносит с собой энергию Емакс - Е. Так как эта частица никак себя не обнаруживает,

следовало признать, что она нейтральна, неуловимая вследствие очень большой проникающей способности и обладает весьма малой массой (в настоящее время установлено, что масса этой частицы близка к нулю, но не нуль). Эту гипотетическую частицу назвали нейтрино (что означает «маленький нейтрон»). Установлено, что спин нейтрино (и антинейтрино) равен 1/2.

Итак, энергия, выделяющаяся при β-распаде, распределяется между электроном и антинейтрино (либо между позитроном и нейтрино, см. ниже) в самых разнообразных пропорциях.

Второй вид распада (β+-распад) протекает по схеме

(16.24)

Процесс сопровождается испусканием позитрона е+ (он обозначен символом ) и нейтрино ν, возможно также возникновение γ-лучей. Позитрон является античастицей для электрона.

Процесс β+-распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

(16.25)

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов, входящих в состав ядра.

Третий вид β-распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов (реже — один из L- или М-электронов) своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает γ-фотоны. Схема процесса:

(16.26)

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи.

Гамма-распад. γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Спонтанное деление тяжелых ядер. Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком (1940 г.) был обнаружен процесс самопроизвольного деления ядер урана на две примерно равные части. Впоследствии это явление было наблюдено и для многих других тяжелых ядер. По своим характерным чертам спонтанное деление близко к вынужденному делению.

Протонная радиоактивность. Как следует из названия, при протонной радиоактивности ядро претерпевает превращение, испуская один или два протона (в последнем случае говорят о двупротонной радиоактивности). Этот вид радиоактивности наблюдался впервые в 1963 г. группой физиков, руководимой Г. Н. Флеровым.


На главную