Теоретичні відомості. Явище a- розпаду було відкрите в результаті вивчення природної радіоактивності хімічних елементів

Явище a- розпаду було відкрите в результаті вивчення природної радіоактивності хімічних елементів. Такі елементи розміщені в кінці періодичної системи Д.І. Менделєєва. Всього нараховується біля 40 природних і більше 100 штучних a-випромінювачів.

Рівняння a-розпаду має вигляд:

 

(1)

 

де – материнське ядро;

– дочірнє ядро;

– a-частинка (ядро атома гелію);

– енергія, яка звільняється при a-розпаді (кінетична енергія a-частинки).

Внаслідок випромінювання a-частинок заряд ядра зменшується на дві одиниці, а масове число – на чотири одиниці.

Енергія Е_a> 0 тому a-розпад можливий в тому випадку, коли маса материнського ядра більша маси дочірнього ядра і атома гелію. Процес a розпаду має дві особливості, які були виявлені на основі експериментального вивчення a-розпаду. Зупинимось на цих особливостях.

1. Стала розпаду l і енергія a-частинок пов’язані законом Гейгера-Неттола, тобто:

lnl=B₁lnE_a+B₂. (2)

 

Для всіх сімейств радіоактивного розпаду стала B₁ одна і та ж, а В₂ змінюється від одного до іншого сімейства. Із закону Гейгера-Неттола випливає, що чим коротший час життя a-випромінювача, тим більша енергія a-частинок.

2. Енергія a-частинок для різних a-випромінювачів змінюється від 4 до 9 МеВ. Ця енергія значно менша тієї енергії, яку a-частинки повинні були одержати після розпаду за рахунок прискорення в електричному полі ядра. Тобто a-частинки після виходу з ядра повинні прискорюватись до енергії не менше ніж 30 МеВ. Однак експериментально спостерігаються лише a-частинки з енергіями від 4 до 9 МеВ.

Як пояснити закон Гейгера-Неттола? Чому енергія випромінюваних a частинок порівняно невелика? Відповіді на ці запитання дає квантова фізика. Перед початком a-розпаду у багатьох ядрах уже є a-частинки. Ці частинки, рухаючись у ядрі, мають енергію (рис. 6-1.1). Коли б не існувало потенціального бар’єра, a-частинки вилітали б з ядра, маючи при цьому енергію

.

На рис. 6.1 1:

V₀ – глибина потенціальної ями;

V_к – висота потенціального бар’єра;

– енергія a-частинок в ядрі;

Е_a – енергія a-частинки після виходу з ядра.

Вилітаючи з ядра, a-частинки мов би не помічають потенціального бар'єра. Згідно із законами квантової фізики a-частинкам притаманні хвильові властивості. Тому при попаданні на стінку потенціального бар’єра вони відбиваються від неї, як хвилі. Однак від стінки відбиваються не всі a -частинки. Деяка частина з них проникає крізь стінку і вилітає за межі радіоактивних ядер, маючи при цьому енергію Е_a. Процес проникнення a-частинок крізь потенціальний бар’єр називається тунельним ефектом. Отже, потенціальний бар'єр для квантових частинок має деяку прозорість.

З ростом енергії зменшується ширина потенціального бар'єра (рис. 6.1.1). Чим вужчий потенціальний бар’єр, тим вища імовірність виходу a-частинок з ядра. Таке фізичне пояснення має закон Гейзера – Неттола.

 

Рис. 6.1.1

Енергія a-частинок залежить від енергетичного стану дочірнього ядра після a-розпаду. Якщо дочірнє ядро знаходиться в основному (не збудженому) стані, то випромінюються лише моно-енергетичні a-частинки. Якщо ж новоутворене ядро може бути як в основному, так і в збудженому станах, то випромінюються декілька енергетичних груп a- частинок і g-квантів. На рис. 6.1.2 подана схема розпаду , де показані різні енергетичні групи випромінювання a-частинок.

Для a-розпаду спостерігаються три групи a-частинок з енергіями 4, 559 МеВ;, 4, 370 МеВ і 4, 170 МеВ. Новоутворене ядро може перебувати як в основному стані, так і в двох збуджених станах.

Перехід новоутвореного ядра із збудженого стану в основний стан супроводжується випромінюванням двох g- квантів з енергіями 0, 189 МеВ і 0, 389 МеВ.

Для визначення енергії a-частинок за довжиною вільного пробігу в повітрі слід розглянути механізм взаємодії a- випромінювання з речовиною.

Заряджена частинка, рухаючись в речовині, встигає пролетіти деяку відстань перед тим, як втратить всю свою кінетичну енергію. Шлях зарядженої частинки в речовині до повної її зупинки називають лінійним пробігом. Лінійний пробіг визначається питомими втратами енергії. Чим більші густина атомних електронів і заряд частинки, тим більші втрати і тим менший пробіг цієї частинки в речовині. Важкі заряджені частинки, взаємодіючи в основному з атомними електронами, майже не відхиляються від початкового напрямку руху. Це говорить про те, що імовірність взаємодії з ядрами атомів досить низька.

Рис. 6.1.2

Одноразова максимальна втрата енергії a-частинкою при центральному зіткненні з електроном атома може бути оцінена за формулою:

, (3)

 

де m – маса електрона;

М – маса a-частинки;

Е_a – кінетична енергія a частинки до зіткнення.

Наприклад, для енергії Е_a=5, 5 МеВ (DЕ)_max=3 кеВ. Якщо a- частинка при взаємодії з електронами атомів кожний раз втрачає половину максимальної енергії (DЕ)_max, то до повної зупинки вона зіткнеться не менше 3700 разів.

Для визначення довжини вільного пробігу a-частинок в повітрі слід побудувати залежність N(x) числа частинок, які реєструються блоком детектування на різних відстанях від a-випромінювача, від відстані Х.

Графік цієї залежності показаний на рис. 6.1.3

 

Рис. 6.1.3

Як видно з рис. 6.1.3, число зареєстрованих на різних відстанях х a– частинок спочатку трохи зростає, а потім різко спадає. Це пояснюється тим, що іонізаційні властивості a- частинок при зменшенні їх швидкості різко зростають.

Точка перегину А характеризує середній пробіг R₀ a- частинок у повітрі. Дотична, яка проходить через точку А, екстраполює найбільш прямолінійну частину цієї кривої з віссю х, дає значення екстрапольованого пробігу R_e. Різниця R_e-R₀=d приймається, як правило, за міру розкиду пробігів a-частинок.

Для a- частинок з енергією Е=5 МеВ, d/R₀=0, 01. З ростом енергії a-частинок значення відношення d/R₀ зменшується. Оскільки величина d/R₀ досить мала, то пробіг частинок у повітрі однозначно визначається їх енергією.

У повітрі при нормальних умовах зв’язок міх середнім пробігом R₀ (см) і втратами енергії a-частинок Е (МеВ) виражається формулою:

R₀=0.318E^1.5. (4)

Ця формула добре збігається з експериментальними даними для a-частинок, енергія яких перебуває в межах 4 £ Е£ 9 МеВ.