Радиоактивті ыдырау. Ядролық реакциялар

жүктеу/скачать 1,06 Mb.

бет	1/4
Дата	22.09.2023
өлшемі	1,06 Mb.
	#109760

1 2 3 4

Байланысты:
Лекция 2

Радиоактивті ыдырау

1.3 Радиоактивті ыдырау. Ядролық реакциялар
1902 жылы Резерфорд радиоактивті ыдырау кезінде ядролық өзара әсерлесу болады да, нәтижесінде бір атом басқа атомға айналатындығын дәлелдеді.
Радиоактивті ыдырау – кейбір ядролардың (радиоактивті) өздігінен (спонтанно) әртүрлі бөлшектерді шығару арқылы басқа ядроларға айналу құбылысы. Радиоактивті ядролар табиғи және жасанды деп бөлінеді. Барлық табиғи радиоактивті ядролар үш радиоактивті тізбекке (үйіріне) жатады, олардың тегінің бастаушылары мына нуклидтер , , болып табылады.
Көптеген радиоактивті нуклидтер ядролық реакциялардың нәтижесінде ядроның құрамындағы өзгерістердің туындауынан болады, сондықтан оларды жасанды радиоактивті ядролар деп атайды. Табиғи және жасанды радиоактивті ядролар бір-бірінен тек шығу тегімен ерекшелінеді, ал оладрдың радиоактивті ыдырауы тек бір заңдылықтарға бағынады.
Радиоактивті ыдырау мына теңдеу күйінде жазылады (1.5):

, (1.5)

мұндағы - бастапқы (аналық) радиоактивті ядро;

- туынды ядро (ыдыраудың өнімі);
- шығарылатын бөлшек.
Радиоактивті ыдырау жартылай ыдырау периодымен - яғни бастапқы ядроның жартысының ыдырау уақытымен (Т_1/2) (1.6); ыдырау тұрақтысымен ; радиоактивті ядроның өмір сүруінің орташа уақытымен (Т_орт) сипатталады (1.7). Бұл шамалар бір-бірімен өзара төменегідей байланыста болады:

Т_1/2= 0,693 /  (1.6)

Т_ср = 1 /   1,45 Т_1/2 (1.7)

Әр радиоактивті ядролардың әртүрлілігі жеке ыдырау ерекшеліктеріне ие бола алады, ол: ыдырау өнімі мен жартылай ыдырау периоды. Жартылай ыдыраудың периоды өте кең аралықта өзгереді (10^-7с - 210¹⁷ жыл).

Егер радиоактивті ыдырау кезінде бастапқы (аналық) радиоактивті ядро мен туынды ядро радиоактивті болса, онда ыдырау одан әрі жалғаса береді. Осындай радиоактивті ядролардың тізбектелген тізбегі радиоактивті үйір деп аталынады. Мысалға, уранның радиоактивті үйірі төмендегідей болады (1.8):

(1.8)

Берілген сұлбада көрсетілгендей уранның радиоактивті үйірі радиоактивті нуклидпен басталып, тұрақты нуклидпен аяқталады.

1.3.1 Альфа-ыдырау. Альфа-ыдырау реттік нөмірі үлкен (Z) радий, уран, торий және т.с.с. табиғи радиоактивті элементтерге тән. a- сәулелер – массасы 4-ке және заряды +2-ге тең, тез ұшатын гелий ядросының ағыны. a бөлшек оң зарядты екі бірлігі бар және атомдық массасы 4-ке тең бөлшек, ол ядродан ұшып шыққаннан кейін жаңадан түзілген ядроның атом нөмірі бастапқыдан екі бірлікке , ал массасы төрт бірлікке кем болады (1.9).

₈₈ Rа²²⁶ ®₈₆ Rn²²²+₂Не⁴ (a-бөлшек) (1.9)

Берілген радионуклидтен шығарылатын α – бөлшек, өзінің энергиясы бойынша біркелкі немесе топ сандары бойынша бөлінеді. α – бөлшектің біркелкі энергиясы жағдайында (мысалы, Rn²²²) бірдей энергетикалық деңгейдегі белсенді ядродан түзілетін ядроның деңгейіне өтеді. Әртүрлі энергиялы ядродан шығарылатын α – бөлшектің бір немесе бірнеше түрі әртүрлі энергетикалық деңгейлердің болуымен жүреді. Ал α – бөлшектің бірнеше топтары шығарылуы, ыдырау кезінде қозған ядродан ыдыраудың өнімдерінің негізгі жағдайында γ-кванттар шығарады.

1.3.2 Бета-ыдырау табиғи радиоактивті элементтер үшін, сонымен бірге жасанды пайда болған радиоактивті элементтер үшін сипатталынады. b-бөлшек деп массасы нөлге, заряды -1-ге тең тез ұшатын электрондар ағынын айтады. Ядродан b-бөлшек ұшып шыққаннан кейін түзілетін атомның атомдық нөмірі бір бірлікке артады, ал атомдық массасы өзгеріссіз қалады. Өйткені тыныштық жағдайындағы электронның массасы сутегі атомының массасынан 2000 есеге кем болады (1.10).

₃₈Sr⁹⁰®₃₉Y⁹⁰+_-1b⁰(1.10)

Электронның ұшуы заряды жоқ және массасы өте аз мөлшерде болатын бөлшектің ұшуымен жүзеге асырылады. Бұл бөлшекті нейтрино деп атайды. β-ыдыраудың спектрі үздіксіз. β-бөлшек пен нейтрино энергиясының қосындысы белгілі бір радионуклидті сипаттайтын максимальды энергияға тең болады [2].

1.3.3 Позитронды бета ыдырау (b⁺) кейбір жасанды радиоактивті изотоптарда кездеседі. Позитрон электроннан тек оң зарядымен ерекшелінеді. Позитрон ұшып шыққаннан кейін жаңадан түзілген ядроның атомдық нөмірі бір бірлікке азаяды, ал атомдық масса еш өзгеріссіз қалады. Мысалы

₃₉Y⁹⁰®₃₈Sr⁹⁰+₊₁b⁰(позитрон) (1.11)

Позитронды ыдырау протон санының шамасы артық болатын ядроларға тән және ядродағы протонның нейтронға айналуына эквивалентті болады.

Позитрон ұзақ өмір сүре алмайды. Нөлдік жағдайдан соң түсіруден кейін ол кез-келген электронмен қосылады да, нәтижесінде әрқайсысы 0,511 Мэв энергиясы бар екі фотон (гамма-кванттар) түзіледі.
Бұл үрдіс аннигиляция деп, ал сәулелену аннигиляциялық деп аталады. Оның g-сәулеленуден айырмашылығы ол ядродан тыс туындайды. Әр позитронның ұшуы нейтриноның ұшуымен жүзеге асырылады және b⁺ спектрдің позитроны үздіксіз болып табылады.
1.3.4 К-қармау (К-захват). К-қармау деп атомның ішкі К-қабатындағы ядрода электрон қармауы жүретін радиоактивтілік үрдісін айтады. Бұл жағдай ядроның энергиясы жоғары болмаған жағдайда элементтерде жүреді. К-қармау кезінде радиоактивті элементтің жаңа атомдық нөмірі позитронды ыдырау кезіндегі сияқты бір бірлікке кемиді, ал атомдық масса еш өзгеріссіз қалады (1.12).
₂₉Cu⁶⁴ + _-1β⁰ → ₂₈Ni⁶⁴ (1.12)

Бос қалған электронды деңгей (К- немесе атомның a-қабаты) сыртқы қабаттағы басқа электронмен тез арада толығып отырады. Бұл период рентген сәулелену деп аталатын сипаттаушы шығарылыммен жүзеге асады. К-қармау кезінде ядродан ұшып шығатын дара бөлшек нейтрино деп аталады.

1.3.5. Изомерлі ауысу (Изомерный переход) – ядроның метатұрақты жағдайынан негізгі жағдайына ауысуын құрайды. Метатұрақты жағдай ядроның жай қозуы кезіндегі «жарықтану» периодынан 1000 есеге артық болатын «жарықтану» периодындағы ядроның қозған жағдайы деп қарастырылады. Оның себебі негізгі және қозған жағдайдағы қозғалыс мөлшерінің сол мезеттегі шамасы бойынша айырмашылығы болып табылады.
Сонымен, атомның қозған кездегі жағдайы метатұрақты болады, егер оның негізгі деңгейге ауысу мүмкіндігі өте аз болады. Изомерлі ауысудың жартылай ыдырау периоды 10^-9-10^-8 секундтан бірнеше ай аралығында болады.
1.3.6  - ыдырау.  - сәулелену үрдісі кезінде радиоактивті ядро өздігінен қозған күйден аз қозған жағдайға немесе негізгі жағдайға ауысады. Сол кезде ядроның артық энергиясы қысқа толқынды (толқын ұзындығы 10^-12 - 10^-10м) электромагнитті  - кванттың сәулеленуі түрінде бөлінеді.
 - кванттың сәулеленуі ядроның артық энергиядан босаудын негізгі үрдісі болып табылады. Бұл жағдайда ядроның нуклонды құрамы өзгермейді.  - ыдыраудан кейін негізгі жағдайда  - кванттардың энергиясы 0,5 Мэв аспайды, ал  - ыдыраудан кейін 2 - 2,5 Мэв құрайды. Бұндай  - сәулелену радиоактивті заттармен жұмыс істеу кезінде негізгі радиактивтілік қауіпсіздікті құрайды.
Нуклонның ұшып шығуымен байланысты радиоактивті ыдырау ілеспе үрдіс болып табылады.  - ыдыраудан кейін кейде туынды ядро күшті қозған жағдайда түзіледі, бұл жағдайда қозу энергиясы (8-11 Мэв) ядродағы нуклонның байланыс энергиясынан артық болады. Сондықтан туынды ядродан  - кванттың шығарылуы болмайды, ал нуклонның шығарылуы болады, бұл жағдайды кешігу деп атайды. ⁺ - ыдырау кезінде кешігуші протон түзілсе, ал ^- - ыдырауда кешігуші нейтрон түзеді. Бірақ бұндай үрдістер, яғни кешігуші нуклондарды шығару тек жасанды ядроларда байқалады. Ядролардың метатұрақты жағдайына ауысуы нейтрондардың баяу қармауы, фотонейтрондық үрдістер мен ядроларды зарядталған бөлшектермен атқылау нәтижесінде жүретін ядролық айналымдардан кейін түзіледі.
Заттардағы бөлшектердің қозғалысы кезінде осы заттардың атомдармен, яғни ядро мен оның айналасындағы электрондардың өзара әсерлесуі жүреді. Ядромен бөлшектердің соқтығысуы кезінде әртүрлі ядролық реакциялар жүреді, яғни реакция нәтижесінде бөлшектің және ядроның массасы немесе заряды өзгереді немесе  - кванттар шығарылады.
Алғаш рет ядролық реакцияларды 1919 жылы Резерфорд азотпен  - бөлшектің өзара әрекеттесуі арқылы жүзеге асырды (1.13).

(1.13)
Жұлдызша құрамды ядроның қозған жағдайын білдіреді.
Ядролық реакциялар химиялық реакциялар сияқты теңдеу түрінде жазылады. Теңдеудің сол жақ бөлігіне бастапқы ядроны (А – ядроның массасы, Z- ядроның заряды) көрсетсе, ал оң жақ бөлігінде ядролық реакцияның өнімдері (жаңа ядро және бөлінетін в бөлшек) жазылады (1.14):
, (1.14)

мұндағы С* - қозған күйдегі құрамды (аралық) ядро.

Ядролық реакцияның типі әсер ететін және бөлінетін бөлшектердің (а, в) түрімен анықталынады. Егер олар (а, а) бір-бірімен сәйкес келсе, бөлшектің шашырауы (а) деп аталады. Ал егер ядролық реакцияда а бөлшек жойылып кетсе (ядромен сіңірілсе), ал оның орынына жаңа в бөлшегі пайда болып, ядроның құрамы өзгерсе, онда ядролық айналымдар жүреді.
Ядролық реакциялардың өзара әсерлесу механизмі бойынша екі түрге бөлуге болады:
- тура ядролық реакциялар;
- құрама ядролардың түзілуімен жүретін реакциялар.
Тура ядролық реакциялар өте қысқа уақытта жүреді.
Ядролық реакциялар кезінде нуклондардың жалпы саны мен зарядтардың қосындысы сақталады, тек ядро мен бөлшектер арасындағы зарядтар мен нуклондардың қайта үлестіруі болады. Нуклон сандары мен зарядтарының сақталуы ядролық реакциялардың мүмкін болатын жүру бағытын сапалы анықтауға мүмкіндік береді.

жүктеу/скачать 1,06 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4