ლაბორატორიული სამუშაო No19

რადიოაქტიური დაშლის კანონის შესწავლა

და რადიოაქტიური რადიაციისგან დაცვის მეთოდები

სამუშაოს მიზანი : 1) სამართლის შესწავლა რადიოაქტიური დაშლა; 2) მატერიის მიერ g- და b სხივების შთანთქმის კანონის შესწავლა.

სამუშაო მიზნები : 1) განმარტება წრფივი კოეფიციენტებირადიოაქტიური გამოსხივების შთანთქმა სხვადასხვა მასალისგან; 2) ამ მასალების ნახევრად შესუსტების ფენის სისქის განსაზღვრა; 3) ნახევარგამოყოფის და დაშლის მუდმივის განსაზღვრა ქიმიური ელემენტი.

დამხმარე საშუალებები : Windows კომპიუტერი.

თეორიული ნაწილი

შესავალი

ატომის ბირთვის შემადგენლობა

ნებისმიერი ატომის ბირთვი შედგება ორი ტიპის ნაწილაკებისგან - პროტონებისა და ნეიტრონებისგან. პროტონი არის უმარტივესი ატომის - წყალბადის ბირთვი. მას აქვს დადებითი მუხტი, ტოლი სიდიდით ელექტრონის მუხტისა და მასა 1,67 × 10-27 კგ. ნეიტრონი, რომლის არსებობა მხოლოდ 1932 წელს დაადგინა ინგლისელმა ჯეიმს ჩადვიკმა, ელექტრული ნეიტრალურია და მისი მასა თითქმის იგივეა, რაც პროტონის. ნეიტრონებს და პროტონებს, რომლებიც ატომის ბირთვის ორი შემადგენელი ელემენტია, ერთობლივად უწოდებენ ნუკლეონებს. პროტონების რაოდენობას ბირთვში (ან ნუკლიდში) ეწოდება ატომური რიცხვი და აღინიშნება ასო Z. ნუკლეონების საერთო რაოდენობა, ე.ი. ნეიტრონები და პროტონები, რომლებიც აღინიშნება ასო A-ით და უწოდებენ მასის რიცხვს. ქიმიური ელემენტები ჩვეულებრივ აღინიშნება სიმბოლოთი ან, სადაც X არის ქიმიური ელემენტის სიმბოლო.

რადიოაქტიურობა

რადიოაქტიურობის ფენომენი მოიცავს ზოგიერთი ქიმიური ელემენტის ბირთვების სპონტანურ (სპონტანურ) გარდაქმნას სხვა ელემენტების ბირთვებად რადიოაქტიური გამოსხივების გამოსხივებით..

ბირთვებს, რომლებიც განიცდიან ასეთ დაშლას, რადიოაქტიურს უწოდებენ. ბირთვებს, რომლებიც არ განიცდიან რადიოაქტიურ დაშლას, ეწოდება სტაბილური. დაშლის პროცესის დროს შეიძლება შეიცვალოს როგორც ატომური რიცხვი Z, ასევე ბირთვის მასის რიცხვი A.

რადიოაქტიური გარდაქმნები ხდება სპონტანურად. მათი დინების სიჩქარეზე გავლენას არ ახდენს ტემპერატურისა და წნევის ცვლილებები, ელექტრული და მაგნიტური ველების არსებობა, ტიპი. ქიმიური ნაერთიმოცემული რადიოაქტიური ელემენტისა და მისი აგრეგაციის მდგომარეობა.

რადიოაქტიური დაშლა ხასიათდება მისი წარმოშობის დროით, გამოსხივებული ნაწილაკების ტიპებითა და ენერგიებით, და როდესაც ბირთვიდან რამდენიმე ნაწილაკი გამოიყოფა, ასევე ნაწილაკების ემისიის მიმართულებებს შორის შედარებითი კუთხეებით. ისტორიულად, რადიოაქტიურობა არის ადამიანის მიერ აღმოჩენილი პირველი ბირთვული პროცესი (A. Becquerel, 1896).

განასხვავებენ ბუნებრივ და ხელოვნურ რადიოაქტიურობას.

ბუნებრივი რადიოაქტიურობა გვხვდება არასტაბილურ ბირთვებში, რომლებიც არსებობს ბუნებრივი პირობები. ხელოვნური არის სხვადასხვა ბირთვული რეაქციების შედეგად წარმოქმნილი ბირთვების რადიოაქტიურობა. არ არსებობს ფუნდამენტური განსხვავება ხელოვნურ და ბუნებრივ რადიოაქტიურობას შორის. მათ აქვთ საერთო ნიმუშები.

ატომის ბირთვებში შესაძლებელია რადიოაქტიურობის ოთხი ძირითადი ტიპი: a-დაშლა, b-დაშლა, გ-დაშლა და სპონტანური დაშლა.

a-დაშლის ფენომენი არის ის, რომ მძიმე ბირთვები სპონტანურად ასხივებენ a-ნაწილაკებს (ჰელიუმის ბირთვები 2 H 4). ამ შემთხვევაში, ბირთვის მასური რიცხვი მცირდება ოთხი ერთეულით, ხოლო ატომური რიცხვი ორით:

Z X A ® Z -2 Y A-4 + 2 H 4.

ნაწილაკი შედგება ოთხი ნუკლეონისგან: ორი ნეიტრონი და ორი პროტონი.

რადიოაქტიური დაშლის პროცესის დროს ბირთვს შეუძლია ასხივოს არა მხოლოდ მის შემადგენლობაში შემავალი ნაწილაკები, არამედ ახალი ნაწილაკებიც, რომლებიც დაშლის პროცესში იბადება. ამ ტიპის პროცესები არის b- და g- დაშლა.

b-დაშლის კონცეფცია აერთიანებს ბირთვული გარდაქმნების სამ ტიპს: ელექტრონის (b -) დაშლა, პოზიტრონის (b +) დაშლა და ელექტრონის დაჭერა.

b - დაშლის ფენომენი არის ის, რომ ბირთვი სპონტანურად ასხივებს ელექტრონს e - და ყველაზე მსუბუქ ელექტრულად ნეიტრალური ნაწილაკების ანტინეიტრინოს, რომელიც გადადის ბირთვში იგივე მასის ნომრით A, მაგრამ ატომური რიცხვით Z, მაგრამ ერთით მეტი:

Z X A ® Z +1 Y A + e - + .

ხაზგასმით უნდა აღინიშნოს, რომ b - დაშლის დროს გამოსხივებული ელექტრონი არ არის დაკავშირებული ორბიტალურ ელექტრონებთან. ის თავად ბირთვის შიგნით იბადება: ერთ-ერთი ნეიტრონი იქცევა პროტონად და ამავე დროს ასხივებს ელექტრონს.

b-დაშლის კიდევ ერთი ტიპი არის პროცესი, რომლის დროსაც ბირთვი ასხივებს პოზიტრონს e + და სხვა ყველაზე მსუბუქ ელექტრულად ნეიტრალურ ნაწილაკს, ნეიტრინო n-ს. ამ შემთხვევაში, ერთ-ერთი პროტონი ნეიტრონად იქცევა:

Z X A ® Z -1 Y A + e + +n.

ამ დაშლას ეწოდება პოზიტრონი ან b+ დაშლა.

b-დაშლის ფენომენების დიაპაზონი ასევე მოიცავს ელექტრონის დაჭერას (ხშირად ასევე უწოდებენ K-დაჭერას), რომლის დროსაც ბირთვი შთანთქავს ატომური გარსის ერთ-ერთ ელექტრონს (ჩვეულებრივ K- გარსიდან), ასხივებს ნეიტრინოს. ამ შემთხვევაში, როგორც პოზიტრონის დაშლისას, ერთ-ერთი პროტონი გადაიქცევა ნეიტრონად:

e - + Z X A ® Z -1 Y A +n.

G- გამოსხივება მოიცავს ელექტრომაგნიტურ ტალღებს, რომელთა სიგრძე მნიშვნელოვნად ნაკლებია ატომთაშორის დისტანციებზე:

სადაც d - არის 10-8 სმ-ის რიგის კორპუსკულარულ სურათში, ეს გამოსხივება არის ნაწილაკების ნაკადი, რომელსაც ეწოდება g-quanta. გ-კვანტული ენერგიის ქვედა ზღვარი

ე= 2p s/l

არის ათობით კევ-ის რიგის მიხედვით. არ არსებობს ბუნებრივი ზედა ზღვარი. თანამედროვე ამაჩქარებლები აწარმოებენ კვანტებს 20 გევ-მდე ენერგიით.

ბირთვის დაშლა g - გამოსხივების გამოსხივებით მრავალი თვალსაზრისით მოგვაგონებს ფოტონების ემისიას აღგზნებული ატომების მიერ. ატომის მსგავსად, ბირთვი შეიძლება იყოს აღგზნებულ მდგომარეობაში. დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაზე, ანუ ძირითად მდგომარეობაში გადასვლისას, ბირთვი ასხივებს ფოტონს. ვინაიდან g- გამოსხივება არ ატარებს მუხტს, გ-დაშლის დროს არ ხდება ერთი ქიმიური ელემენტის მეორეში ტრანსფორმაცია.

რადიოაქტიური დაშლის ძირითადი კანონი

რადიოაქტიური დაშლაარის სტატისტიკური ფენომენი: შეუძლებელია იმის პროგნოზირება, თუ როდის დაიშლება მოცემული არასტაბილური ბირთვი, ამ მოვლენის შესახებ მხოლოდ რამდენიმე სავარაუდო განსჯის გაკეთება შეიძლება. რადიოაქტიური ბირთვების დიდი კოლექციისთვის შეიძლება მიღებულ იქნას სტატისტიკური კანონი, რომელიც გამოხატავს დაურღვეველი ბირთვების დამოკიდებულებას დროზე.

დაე, ბირთვები დაიშალა საკმარისად მოკლე დროში. ეს რიცხვი პროპორციულია დროის ინტერვალის, ისევე როგორც რადიოაქტიური ბირთვების მთლიანი რაოდენობისა:

, (1)

სადაც არის დაშლის მუდმივი, პროპორციული რადიოაქტიური ბირთვის დაშლის ალბათობისა და განსხვავებული სხვადასხვა რადიოაქტიური ნივთიერებისთვის. ნიშანი „-“ მოთავსებულია იმის გამო, რომ< 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

მოდით გამოვყოთ ცვლადები და გავაერთიანოთ (1) იმის გათვალისწინებით, რომ ინტეგრაციის ქვედა ზღვრები შეესაბამება საწყის პირობებს (სად არის რადიოაქტიური ბირთვების საწყისი რაოდენობა), ხოლო ზედა საზღვრები შეესაბამება მიმდინარე მნიშვნელობებს და:

(2)

გამაძლიერებელი გამოხატულება (3), გვაქვს

ეს არის ის რადიოაქტიური დაშლის ძირითადი კანონი: გაუფუჭებელი რადიოაქტიური ბირთვების რაოდენობა დროთა განმავლობაში მცირდება ექსპონენციალური კანონის მიხედვით.

ნახაზი 1 გვიჩვენებს დაშლის მრუდები 1 და 2, რომლებიც შეესაბამება ნივთიერებებს სხვადასხვა დაშლის მუდმივობით (λ 1 > λ 2), მაგრამ რადიოაქტიური ბირთვების იგივე საწყისი რაოდენობით. ხაზი 1 შეესაბამება უფრო აქტიურ ელემენტს.

პრაქტიკაში, დაშლის მუდმივის ნაცვლად, უფრო ხშირად გამოიყენება რადიოაქტიური იზოტოპის კიდევ ერთი მახასიათებელი - ნახევარი სიცოცხლე . ეს არის დრო, რომლის დროსაც რადიოაქტიური ბირთვების ნახევარი იშლება. ბუნებრივია, ეს განმარტება მოქმედებს საკმარისად დიდი რაოდენობის ბირთვებისთვის. სურათი 1 გვიჩვენებს, თუ როგორ შეგიძლიათ იპოვნოთ 1 და 2 მრუდების გამოყენებით ბირთვების ნახევარგამოყოფის პერიოდი: დახაზეთ სწორი ხაზი აბსცისის ღერძის პარალელურად ორდინატთა წერტილის გავლით, სანამ ის არ გადაიკვეთება მრუდებთან. სწორი ხაზისა და 1 და 2 ხაზების გადაკვეთის წერტილების აბსცისები იძლევა ნახევარგამოყოფას თ 1 და თ 2.

რადიოაქტიური დაშლის კანონი არის ფიზიკური კანონი, რომელიც აღწერს რადიოაქტიური დაშლის ინტენსივობის დამოკიდებულებას დროზე და ნიმუშში რადიოაქტიური ატომების რაოდენობაზე. აღმოაჩინა ფრედერიკ სოდიმ და ერნესტ რეზერფორდმა, რომელთაგან თითოეულს მოგვიანებით მიენიჭა ნობელის პრემია. მათ აღმოაჩინეს ექსპერიმენტულად და გამოაქვეყნეს 1903 წელს ნაშრომებში „რადიუმის და თორიუმის რადიოაქტიურობის შედარებითი შესწავლა“ და „რადიოაქტიური ტრანსფორმაცია“ და ჩამოაყალიბეს შემდეგნაირად:

„ყველა შემთხვევაში, როდესაც ერთ-ერთი რადიოაქტიური პროდუქტი გამოეყო და მისი აქტივობა გამოიკვლიეს დამოუკიდებლად იმ ნივთიერების რადიოაქტიურობისგან, საიდანაც იგი წარმოიქმნა, აღმოჩნდა, რომ აქტივობა ყველა კვლევაში დროთა განმავლობაში მცირდებოდა გეომეტრიული პროგრესიის კანონის მიხედვით. ”

ბერნულის თეორემის გამოყენებით მიიღეს შემდეგი დასკვნა: ტრანსფორმაციის სიჩქარე ყოველთვის პროპორციულია იმ სისტემების რაოდენობისა, რომლებსაც ჯერ არ განუხორციელებიათ ტრანსფორმაცია.

არსებობს კანონის რამდენიმე ფორმულირება, მაგალითად, დიფერენციალური განტოლების სახით:

რადიოაქტიური დაშლის ატომის კვანტური მექანიკა

რაც ნიშნავს, რომ dN დაშლის რაოდენობა, რომელიც მოხდა მოკლე დროში dt, პროპორციულია ნიმუშში ატომების რაოდენობისა.

ექსპონენციალური კანონი

ზემოთ მოყვანილ მათემატიკური გამოსახულებაში ეს არის დაშლის მუდმივი, რომელიც ახასიათებს რადიოაქტიური დაშლის ალბათობას დროის ერთეულზე და აქვს განზომილება c?1. მინუს ნიშანი მიუთითებს დროთა განმავლობაში რადიოაქტიური ბირთვების რაოდენობის შემცირებაზე.

ამ დიფერენციალური განტოლების გამოსავალი არის:

სად არის ატომების საწყისი რაოდენობა, ანუ ატომების რაოდენობა ამისთვის

ამრიგად, რადიოაქტიური ატომების რაოდენობა დროთა განმავლობაში მცირდება ექსპონენციალური კანონის მიხედვით. დაშლის სიჩქარე, ანუ დაშლის რაოდენობა დროის ერთეულზე, ასევე ექსპონენტურად მცირდება.

ატომების რაოდენობის დროზე დამოკიდებულების გამოთქმის დიფერენცირებით, ვიღებთ:

სად არის დაშლის სიჩქარე დროის საწყის მომენტში

ამგვარად, დაშლილი რადიოაქტიური ატომების რაოდენობისა და დაშლის სიჩქარის დროზე დამოკიდებულება აღწერილია იგივე მუდმივით.

დაშლის მახასიათებლები

დაშლის მუდმივის გარდა, რადიოაქტიური დაშლა ხასიათდება მისგან მიღებული კიდევ ორი ​​მუდმივით:

1. სიცოცხლის საშუალო ხანგრძლივობა

კვანტური მექანიკური სისტემის სიცოცხლე (ნაწილაკი, ბირთვი, ატომი, ენერგიის დონე და ა.შ.) არის დროის პერიოდი, რომლის დროსაც სისტემა იშლება ალბათობით, სადაც e = 2.71828... არის ეილერის რიცხვი. თუ განიხილება დამოუკიდებელი ნაწილაკების ანსამბლი, მაშინ დროთა განმავლობაში დარჩენილი ნაწილაკების რაოდენობა მცირდება (საშუალოდ) საწყის მომენტში ნაწილაკების რაოდენობაზე e-ჯერ. კონცეფცია "სიცოცხლის ხანგრძლივობა" გამოიყენება იმ პირობებში, როდესაც ხდება ექსპონენციალური დაშლა (ანუ გადარჩენილი ნაწილაკების მოსალოდნელი რაოდენობა N დამოკიდებულია დროზე t როგორც

სადაც N 0 არის ნაწილაკების რაოდენობა საწყის მომენტში). მაგალითად, ეს ტერმინი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნეიტრინო რხევებისთვის.

სიცოცხლის ხანგრძლივობა დაკავშირებულია ნახევარგამოყოფის პერიოდთან T 1/2 (დრო, რომლის დროსაც გადარჩენილი ნაწილაკების რაოდენობა საშუალოდ განახევრებულია) შემდეგი ურთიერთობით:

სიცოცხლის ხანგრძლივობის საპასუხო ნაწილს ეწოდება დაშლის მუდმივი:

ექსპონენციალური დაშლა შეინიშნება არა მხოლოდ კვანტური მექანიკური სისტემებისთვის, არამედ ყველა შემთხვევაში, როდესაც სისტემის ელემენტის შეუქცევადი გადასვლის ალბათობა სხვა მდგომარეობაში დროის ერთეულზე არ არის დამოკიდებული დროზე. აქედან გამომდინარე, ტერმინი „სიცოცხლის ხანგრძლივობა“ გამოიყენება ფიზიკისგან საკმაოდ შორს არსებულ სფეროებში, მაგალითად, სანდოობის თეორიაში, ფარმაკოლოგიაში, ქიმიაში და ა.შ. ამ ტიპის პროცესები აღწერილია წრფივი დიფერენციალური განტოლებით.

რაც იმას ნიშნავს, რომ ელემენტების რაოდენობა საწყის მდგომარეობაში მცირდება N(t)/-ის პროპორციული სიჩქარით. პროპორციულობის კოეფიციენტი უდრის. ამრიგად, ფარმაკოკინეტიკაში ქიმიური ნაერთის ორგანიზმში ერთჯერადი შეყვანის შემდეგ ნაერთი თანდათან ნადგურდება ბიოქიმიურ პროცესებში და გამოიყოფა ორგანიზმიდან და თუ ეს არ იწვევს ბიოქიმიის სიჩქარის მნიშვნელოვან ცვლილებებს. მასზე მოქმედი პროცესები (ე.ი. ეფექტი არის წრფივი), შემდეგ მისი კონცენტრაციის დაქვეითება სხეულში აღწერილია ექსპონენციალური კანონით და შეგვიძლია ვისაუბროთ სხეულში ქიმიური ნაერთის სიცოცხლეზე (ასევე ნახევარგამოყოფის პერიოდზე). და დაშლის მუდმივი).

2. ნახევარგამოყოფის პერიოდი

კვანტური მექანიკური სისტემის ნახევარგამოყოფის პერიოდი (ნაწილაკი, ბირთვი, ატომი, ენერგიის დონე და ა.შ.) არის დრო T S, რომლის დროსაც სისტემა იშლება 1/2 ალბათობით. თუ განიხილება დამოუკიდებელი ნაწილაკების ანსამბლი, მაშინ ერთი ნახევარგამოყოფის პერიოდის განმავლობაში გადარჩენილი ნაწილაკების რაოდენობა საშუალოდ 2-ჯერ შემცირდება. ტერმინი ეხება მხოლოდ ექსპონენციურად დაშლის სისტემებს.

არ უნდა ვივარაუდოთ, რომ საწყის მომენტში აღებული ყველა ნაწილაკი იშლება ორი ნახევარგამოყოფის პერიოდში. ვინაიდან ყოველი ნახევარგამოყოფის პერიოდი ამცირებს გადარჩენილი ნაწილაკების რაოდენობას ორჯერ, 2T ½ შემდეგ დარჩება ნაწილაკების საწყისი რაოდენობის მეოთხედი, 3T ½ დარჩება ერთი მერვე და ა.შ. ზოგადად, გადარჩენილი ნაწილაკების ფრაქცია (ან, უფრო ზუსტად, გადარჩენის ალბათობა p მოცემული ნაწილაკისთვის) დამოკიდებულია t დროზე შემდეგნაირად:

ნახევარგამოყოფის პერიოდი, სიცოცხლის საშუალო ხანგრძლივობა და დაშლის მუდმივი დაკავშირებულია შემდეგი კავშირებით, რომლებიც გამომდინარეობს რადიოაქტიური დაშლის კანონიდან:

იმის გამო, რომ ნახევარგამოყოფის პერიოდი დაახლოებით 30.7%-ით მოკლეა, ვიდრე სიცოცხლის საშუალო ხანგრძლივობა.

პრაქტიკაში, ნახევარგამოყოფის პერიოდი განისაზღვრება საცდელი წამლის აქტივობის გაზომვით განსაზღვრული ინტერვალებით. იმის გათვალისწინებით, რომ წამლის აქტივობა დაშლის ნივთიერების ატომების რაოდენობის პროპორციულია და რადიოაქტიური დაშლის კანონის გამოყენებით, შესაძლებელია ამ ნივთიერების ნახევარგამოყოფის პერიოდის გამოთვლა.

ნაწილობრივი ნახევარგამოყოფის პერიოდი

თუ სისტემა ნახევარგამოყოფის პერიოდით T 1/2 შეიძლება გაფუჭდეს რამდენიმე არხით, თითოეული მათგანისთვის შეიძლება განისაზღვროს ნაწილობრივი ნახევარგამოყოფის პერიოდი. დავუშვათ, რომ i-ე არხის გასწვრივ დაშლის ალბათობა (განშტოების კოეფიციენტი) უდრის p i-ს. მაშინ ნაწილობრივი ნახევარგამოყოფის პერიოდი i-ე არხისთვის უდრის

ნაწილობრივი აქვს ნახევარგამოყოფის მნიშვნელობა, რომელიც ექნებოდა მოცემულ სისტემას, თუ ჩვენ „გამოვრთავთ“ ყველა დაშლის არხს, გარდა i-ის. მას შემდეგ, რაც განსაზღვრებით, მაშინ ნებისმიერი დაშლის არხისთვის.

ნახევარგამოყოფის სტაბილურობა

ყველა დაკვირვებულ შემთხვევაში (გარდა ზოგიერთი იზოტოპისა, რომლებიც იშლებაელექტრონის დაჭერა), ნახევარგამოყოფის პერიოდი მუდმივი იყო (პერიოდში ცვლილებების ცალკეული ცნობები გამოწვეული იყო არასაკმარისი ექსპერიმენტული სიზუსტით, კერძოდ, მაღალაქტიური იზოტოპების არასრული გაწმენდით). ამასთან დაკავშირებით, ნახევარგამოყოფის პერიოდი უცვლელად ითვლება. ამის საფუძველზე აგებულია ქანების აბსოლუტური გეოლოგიური ასაკის დადგენა, აგრეთვე ბიოლოგიური ნაშთების ასაკის განსაზღვრის რადიოკარბონული მეთოდი.

ვარაუდს ნახევარგამოყოფის ცვალებადობის შესახებ იყენებენ კრეაციონისტებს, ასევე ე.წ. „ალტერნატიული მეცნიერება“ ქანების, ცოცხალი ნივთების ნაშთებისა და ისტორიული აღმოჩენების მეცნიერული დათარიღების უარყოფის მიზნით, ამგვარი დათარიღების გამოყენებით აგებული სამეცნიერო თეორიების შემდგომი უარყოფის მიზნით. (იხილეთ, მაგალითად, სტატიები Creationism, Scientific Creationism, Criticism of Evolutionism, The Shroud of Turin).

ელექტრონის დაჭერისთვის დაშლის მუდმივში ცვალებადობა დაფიქსირდა ექსპერიმენტულად, მაგრამ ის არის პროცენტული დიაპაზონის ფარგლებში ლაბორატორიაში არსებული წნევისა და ტემპერატურის მთელ დიაპაზონში. ნახევარგამოყოფის პერიოდი ამ შემთხვევაში იცვლება ბირთვის სიახლოვეს ორბიტალური ელექტრონების ტალღური ფუნქციის სიმკვრივის გარკვეული (საკმაოდ სუსტი) დამოკიდებულების გამო წნევაზე და ტემპერატურაზე. დაშლის მუდმივობის მნიშვნელოვანი ცვლილებები ასევე დაფიქსირდა ძლიერ იონიზებული ატომებისთვის (მაგალითად, მთლიანად იონიზებული ბირთვის შეზღუდვის შემთხვევაში, ელექტრონის დაჭერა შეიძლება მოხდეს მხოლოდ მაშინ, როდესაც ბირთვი ურთიერთქმედებს პლაზმის თავისუფალ ელექტრონებთან; გარდა ამისა, დაშლა დაშვებულია ნეიტრალური ატომები, ზოგიერთ შემთხვევაში მაღალ იონიზირებული ატომებისთვის შეიძლება აიკრძალოს კინემატიკურად). დაშლის მუდმივებში ცვლილებების ყველა ეს ვარიანტი, ცხადია, არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას რადიოქრონოლოგიური დათარიღების "უარსაყოფად", რადგან თავად რადიოქრონომეტრიული მეთოდის შეცდომა იზოტოპ-ქრონომეტრების უმეტესობისთვის პროცენტზე მეტია და დედამიწის ბუნებრივ ობიექტებში მაღალ იონიზირებული ატომები არ შეუძლიათ. არსებობს დიდი ხნის განმავლობაში.

ძიება შესაძლო ვარიაციებირადიოაქტიური იზოტოპების ნახევარგამოყოფის პერიოდი, როგორც ამჟამად, ასევე მილიარდობით წლის განმავლობაში, საინტერესოა ფიზიკაში ფუნდამენტური მუდმივების მნიშვნელობების ცვალებადობის ჰიპოთეზასთან დაკავშირებით (წვრილი სტრუქტურის მუდმივი, ფერმის მუდმივი და ა.შ.). თუმცა, ფრთხილმა გაზომვებმა ჯერ არ გამოიღო შედეგი - ექსპერიმენტული შეცდომის ფარგლებში ნახევარგამოყოფის პერიოდის ცვლილებები არ გამოვლენილა. ამრიგად, ნაჩვენებია, რომ 4,6 მილიარდი წლის განმავლობაში, სამარიუმ-147-ის b-დაშლის მუდმივი შეიცვალა არაუმეტეს 0,75%-ით, ხოლო b-დაშლის დროს რენიუმ-187, ცვლილება იმავე დროს არ აღემატებოდა 0,5%-ს. ; ორივე შემთხვევაში შედეგები თავსებადია ასეთი ცვლილებების საერთოდ არარსებობასთან.

რადიოაქტიურობის ფენომენი 1896 წელს აღმოაჩინა ა.ბეკერელმა, რომელიც აკვირდებოდა უცნობი რადიაციის სპონტანურ გამოსხივებას ურანის მარილებიდან. მალე ე. რეზერფორდმა და კიურებმა დაადგინეს, რომ რადიოაქტიური დაშლის დროს გამოიყოფა He-ის ბირთვები (α-ნაწილაკები), ელექტრონები (β-ნაწილაკები) და მყარი ელექტრომაგნიტური გამოსხივება (γ-სხივები).

1934 წელს აღმოაჩინეს დაშლა პოზიტრონების ემისიით (β + -დაშლა), ხოლო 1940 წელს აღმოაჩინეს რადიოაქტიურობის ახალი ტიპი - ბირთვების სპონტანური გაყოფა: დაშლის ბირთვი იშლება ორ ფრაგმენტად შესადარებელი მასის ერთდროული გამოსხივებით. ნეიტრონების და γ -კვანტა. ბირთვების პროტონული რადიოაქტიურობა დაფიქსირდა 1982 წელს. ამრიგად, არსებობს რადიოაქტიური დაშლის შემდეგი ტიპები: α-დაშლა; -დაშლა; - გაფუჭება; ე - დაჭერა.

რადიოაქტიურობა- ზოგიერთი ატომის ბირთვის უნარი სპონტანურად (სპონტანურად) გარდაიქმნას სხვა ბირთვებად ნაწილაკების ემისიით.

ატომის ბირთვები შედგება პროტონები და ნეიტრონები, რომლებსაც აქვთ ზოგადი სახელი - ნუკლეონები.ბირთვში პროტონების რაოდენობა განსაზღვრავს ატომის ქიმიურ თვისებებს და არის დანიშნული ზ(პუნქტის სერიული ნომერი). ნუკლეონების რაოდენობაბირთვში ეწოდება მასობრივი რიცხვიდა აღვნიშნავთ ა. ბირთვები იგივე სერიული ნომრითდა სხვადასხვა მასის რიცხვებს უწოდებენ იზოტოპები. ერთი ქიმიური ელემენტის ყველა იზოტოპს აქვს იგივე ქიმიური თვისებები და ფიზიკური თვისებებიშეიძლება საკმაოდ ბევრი განსხვავდებოდეს. იზოტოპების დასანიშნად გამოიყენეთ ქიმიური ელემენტის სიმბოლო ორი ინდექსით: A Z X. ქვედა ინდექსი არის სერიული ნომერი, ზედა ინდექსი არის მასის ნომერი. ხშირად სუბსკრიპტი გამოტოვებულია, რადგან იგი მითითებულია თავად ელემენტის სიმბოლოთი.

მაგალითად, ისინი წერენ 14 C ნაცვლად 14 6 C.

ბირთვის დაშლის უნარი დამოკიდებულია მის შემადგენლობაზე. ერთსა და იმავე ელემენტს შეიძლება ჰქონდეს როგორც სტაბილური, ასევე რადიოაქტიური იზოტოპები.

მაგალითად, ნახშირბადის იზოტოპი 12 C სტაბილურია, მაგრამ იზოტოპი 14 C არის რადიოაქტიური.

რადიოაქტიური დაშლა არის სტატისტიკური ფენომენი. იზოტოპის დაშლის უნარი ხასიათდება დაშლის მუდმივით λ.

დაშლის მუდმივი λ არის ალბათობა იმისა, რომ მოცემული იზოტოპის ბირთვი დაიშლება დროის ერთეულზე.

ავღნიშნოთ რადიოაქტიური დაშლის ბირთვების N რიცხვი t დროს, dN 1 - ბირთვების დაშლის რაოდენობა dt დროს. ვინაიდან მატერიაში ბირთვების რაოდენობა უზარმაზარია, კანონი დაკმაყოფილებულია დიდი რაოდენობით. ბირთვული დაშლის ალბათობა მოკლე დროში dt გვხვდება ფორმულით dP = λdt. სიხშირე უდრის ალბათობას: d N 1 / N = dP = λdt. d N 1 / N = λdt- ფორმულა, რომელიც განსაზღვრავს დაშლილი ბირთვების რაოდენობას.

განტოლების ამოხსნა არის: , - ფორმულას ეწოდება რადიოაქტიური დაშლის კანონი: რადიოაქტიური ბირთვების რაოდენობა დროთა განმავლობაში მცირდება ექსპონენციალური კანონის მიხედვით.

აქ N არის გაუფუჭებელი ბირთვების რაოდენობა t დროს; N o - გაუფუჭებელი ბირთვების საწყისი რაოდენობა; λ არის რადიოაქტიური დაშლის მუდმივი.

პრაქტიკაში, ეს არ არის დაშლის მუდმივი, რომელიც გამოიყენება λ და გამოძახებული რაოდენობა ნახევარგამოყოფის პერიოდი თ.

ნახევარგამოყოფის პერიოდი (T) არის დრო, რომლის დროსაც იშლება რადიოაქტიური ბირთვების ნახევარი.

პერიოდის განმავლობაში რადიოაქტიური დაშლის კანონი ნახევარგამოყოფის პერიოდს (T) აქვს ფორმა:

კავშირი ნახევარგამოყოფის პერიოდსა და დაშლის მუდმივობას შორის მოცემულია ფორმულით: T = ln(2/λ) = 0,69/λ

ნახევარგამოყოფის პერიოდი შეიძლება იყოს ძალიან გრძელი ან ძალიან მოკლე.

რადიოაქტიური იზოტოპის აქტივობის ხარისხის შესაფასებლად გამოიყენება რაოდენობა, რომელსაც ეწოდება აქტივობა.

რადიოაქტიური წამლის დაშლის ბირთვების აქტივობის რაოდენობა ერთეულ დროში: A = dN დაშლა /dt

SI აქტივობის ერთეულია 1 ბეკერელი (Bq) = 1 დაშლა/წ - წამლის აქტივობა, რომელშიც 1 დაშლა ხდება 1 წამში. აქტივობის უფრო დიდი ერთეულია 1 რუტერფორდი (Rd) = Bq. ხშირად გამოიყენება აქტივობის არასისტემური ერთეული - კური (Ci), რომელიც უდრის 1 გ რადიუმის აქტივობას: 1 Ci = 3.7 Bq.

დროთა განმავლობაში, აქტივობა მცირდება იმავე ექსპონენციალური კანონის მიხედვით, რომლის მიხედვითაც თავად რადიონუკლიდი იშლება:

= .
პრაქტიკაში, ფორმულა გამოიყენება აქტივობის გამოსათვლელად:

A = = λN = 0.693 N/T.

თუ ატომების რაოდენობას გამოვხატავთ მასისა და მასის მეშვეობით, მაშინ აქტივობის გამოთვლის ფორმულა მიიღებს ფორმას: A = = 0,693 (μT)

სად არის ავოგადროს ნომერი; μ - მოლური მასა.

ქვეშ რადიოაქტიური დაშლა, ან უბრალოდ დაშლაგაიგეთ ბირთვების ბუნებრივი რადიოაქტიური ტრანსფორმაცია, რომელიც ხდება სპონტანურად. ატომის ბირთვს, რომელიც განიცდის რადიოაქტიურ დაშლას, ეწოდება დედობრივი, განვითარებადი ბირთვი - შვილობილი კომპანიები.

რადიოაქტიური დაშლის თეორია ეფუძნება ვარაუდს, რომ რადიოაქტიური დაშლა არის სპონტანური პროცესი, რომელიც ემორჩილება სტატისტიკის კანონებს. ვინაიდან ცალკეული რადიოაქტიური ბირთვები იშლება ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ ბირთვების რაოდენობა d ნ, იშლება საშუალოდ დროის ინტერვალის შემდეგ ტრომ ტ + dt, დროის პერიოდის პროპორციულად dtდა ნომერი ნიმ დროისთვის გაუფუჭებელი ბირთვები ტ:

სადაც არის მოცემული რადიოაქტიური ნივთიერების მუდმივი მნიშვნელობა, ე.წ რადიოაქტიური დაშლის მუდმივი; მინუს ნიშანი მიუთითებს, რომ დაშლის პროცესში რადიოაქტიური ბირთვების საერთო რაოდენობა მცირდება.

ცვლადების გამოყოფით და ინტეგრირებით, ე.ი.

(256.2)

სად არის გაუფუჭებელი ბირთვების საწყისი რაოდენობა (იმ დროს ტ = 0), ნ- დაურღვეველი ბირთვების რაოდენობა ერთდროულად ტ. ფორმულა (256.2) გამოხატავს რადიოაქტიური დაშლის კანონი, რომლის მიხედვითაც გაუფუჭებელი ბირთვების რაოდენობა დროთა განმავლობაში ექსპონენტურად მცირდება.

რადიოაქტიური დაშლის პროცესის ინტენსივობა ხასიათდება ორი რაოდენობით: ნახევარგამოყოფის პერიოდი და რადიოაქტიური ბირთვის საშუალო სიცოცხლის ხანგრძლივობა. ნახევარი სიცოცხლე- დრო, რომლის განმავლობაშიც საშუალოდ მცირდება რადიოაქტიური ბირთვების საწყისი რაოდენობა. შემდეგ, (256.2) მიხედვით,

ბუნებრივად რადიოაქტიური ელემენტების ნახევარგამოყოფის პერიოდი მერყეობს წამის ათი მილიონიდან მრავალ მილიარდ წლამდე.

სიცოცხლის მთლიანი ხანგრძლივობა dNბირთვები უდრის . ამ გამოთქმის ინტეგრირება ყველა შესაძლოზე ტ(ანუ 0-დან) და ბირთვების საწყის რაოდენობაზე გაყოფით მივიღებთ სიცოცხლის საშუალო ხანგრძლივობარადიოაქტიური ბირთვი:

(გათვალისწინებული (256.2)). ამრიგად, რადიოაქტიური ბირთვის საშუალო სიცოცხლის ხანგრძლივობა არის რადიოაქტიური დაშლის მუდმივის საპასუხო ტოლი.

აქტივობა ანუკლიდი(ატომის ბირთვების ზოგადი სახელწოდება, რომელიც განსხვავდება პროტონების რაოდენობით ზდა ნეიტრონები ნ) რადიოაქტიურ წყაროში არის დაშლის რაოდენობა, რომელიც ხდება ნიმუშის ბირთვებთან 1 წამში:

(256.3)

SI აქტივობის ერთეული არის ბეკერელი(Bq): 1 Bq - ნუკლიდის აქტივობა, რომლის დროსაც ხდება ერთი დაშლის მოვლენა 1 წამში. აქამდე ბირთვული ფიზიკა ასევე იყენებს რადიოაქტიურ წყაროში ნუკლიდის აქტივობის სისტემის გარეთ ერთეულს - კურიო(Ci): 1 Ci = 3.7×10 10 Bq. რადიოაქტიური დაშლა ხდება შესაბამისად ე.წ გადაადგილების წესები, რაც საშუალებას გვაძლევს დავადგინოთ რომელი ბირთვი წარმოიქმნება მოცემული მშობელი ბირთვის დაშლის შედეგად. ოფსეტური წესები:

ამისთვის -დაშლა

(256.4)

ამისთვის -დაშლა

(256.5)

სად არის დედა ბირთვი, Y არის შვილობილი ბირთვის სიმბოლო, არის ჰელიუმის ბირთვი (-ნაწილაკი), არის ელექტრონის სიმბოლური აღნიშვნა (მისი მუხტი არის –1 და მასის რიცხვი ნული). გადაადგილების წესები სხვა არაფერია, თუ არა ორი კანონის შედეგი, რომლებიც მოქმედებს რადიოაქტიური დაშლის დროს - ელექტრული მუხტის შენარჩუნება და მასის რიცხვის შენარჩუნება: მიღებული ბირთვების და ნაწილაკების მუხტების (მასობრივი რიცხვების) ჯამი უდრის მუხტს. თავდაპირველი ბირთვის (მასობრივი რიცხვი).

რადიოაქტიური დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ბირთვები, თავის მხრივ, შეიძლება იყოს რადიოაქტიური. ეს იწვევს გაჩენას ჯაჭვები, ან სერია, რადიოაქტიური გარდაქმნებისტაბილური ელემენტით დამთავრებული. ელემენტების ერთობლიობას, რომლებიც ქმნიან ასეთ ჯაჭვს, ე.წ რადიოაქტიური ოჯახი.

გადაადგილების წესებიდან (256.4) და (256.5) გამომდინარეობს, რომ -დაშლის დროს მასის რიცხვი მცირდება 4-ით, მაგრამ არ იცვლება -დაშლის დროს. მაშასადამე, ერთი და იგივე რადიოაქტიური ოჯახის ყველა ბირთვისთვის, დარჩენილი მასობრივი რიცხვის 4-ზე გაყოფისას იგივეა. ამრიგად, არსებობს ოთხი განსხვავებული რადიოაქტიური ოჯახი, რომელთაგან თითოეულისთვის მასობრივი რიცხვები მოცემულია ერთ-ერთი შემდეგი ფორმულით:

ა = 4ნ, 4ნ+1, 4ნ+2, 4ნ+3,

სად ნარის დადებითი მთელი რიცხვი. ოჯახებს ასახელებენ ყველაზე ხანგრძლივ (ყველაზე გრძელი ნახევარგამოყოფის პერიოდის მქონე) "წინაპრის" მიხედვით: თორიუმის (დან), ნეპტუნიუმის (საიდან), ურანის (დან) და ზღვის ანემონის (საიდან) ოჯახები. საბოლოო ნუკლიდები, შესაბამისად, არის , , , , ანუ ნეპტუნიუმის ერთადერთი ოჯახი (ხელოვნურად რადიოაქტიური ბირთვები) მთავრდება ნუკლიდით. ბიდა ყველა დანარჩენი (ბუნებრივად რადიოაქტიური ბირთვები) ნუკლიდებია Pb.

§ 257. დაშლის კანონები

ამჟამად ცნობილია ორასზე მეტი აქტიური ბირთვი, ძირითადად მძიმე ( ა > 200, ზ> 82). აქტიური ბირთვების მხოლოდ მცირე ჯგუფი გვხვდება იმ ადგილებში, სადაც ა= 140 ¸ 160 (იშვიათი დედამიწა). -დაშლა ემორჩილება გადაადგილების წესს (256.4). დაშლის მაგალითია ურანის იზოტოპის დაშლა წარმოქმნით თ:

დაშლის დროს გამოსხივებული ნაწილაკების სიჩქარე ძალიან მაღალია და სხვადასხვა ბირთვებისთვის მერყეობს 1,4 × 10 7-დან 2 × 10 7 მ/წმ-მდე, რაც შეესაბამება ენერგიებს 4-დან 8,8 მევ-მდე. მიხედვით თანამედროვე იდეები, -ნაწილაკები წარმოიქმნება რადიოაქტიური დაშლის მომენტში, როდესაც ბირთვის შიგნით მოძრავი ორი პროტონი და ორი ნეიტრონი ხვდება ერთმანეთს.

კონკრეტული ბირთვის მიერ გამოსხივებულ ნაწილაკებს, როგორც წესი, აქვთ გარკვეული ენერგია. თუმცა უფრო დახვეწილმა გაზომვებმა აჩვენა, რომ მოცემული რადიოაქტიური ელემენტის მიერ გამოსხივებული ნაწილაკების ენერგეტიკული სპექტრი ავლენს „წვრილ სტრუქტურას“, ანუ ნაწილაკების რამდენიმე ჯგუფი გამოიყოფა და თითოეულ ჯგუფში მათი ენერგიები პრაქტიკულად მუდმივია. ნაწილაკების დისკრეტული სპექტრი მიუთითებს, რომ ატომის ბირთვებს აქვთ ენერგიის დისკრეტული დონეები.

-დაშლას ახასიათებს ძლიერი კავშირი ნახევარგამოყოფასა და ენერგიას შორის ემფრინავი ნაწილაკები. ეს ურთიერთობა განისაზღვრება ემპირიულად გეიგერ-ნატალის კანონი(1912) (დ. ნატალი (1890-1958) - ინგლისელი ფიზიკოსი, ჰ. გეიგერი (1882-1945) - გერმანელი ფიზიკოსი), რაც ჩვეულებრივ გამოიხატება როგორც კავშირი გარბენი(მანძილი, რომელიც გაიარა ნაწილაკმა ნივთიერების სრულ გაჩერებამდე) - ნაწილაკები ჰაერში და რადიოაქტიური დაშლის მუდმივი:

(257.1)

სად ადა IN- ემპირიული მუდმივები, . (257.1) მიხედვით, რაც უფრო მოკლეა რადიოაქტიური ელემენტის ნახევარგამოყოფის პერიოდი, მით მეტია მის მიერ გამოსხივებული ნაწილაკების დიაპაზონი და, შესაბამისად, ენერგია. ჰაერში ნაწილაკების დიაპაზონი (ნორმალურ პირობებში) არის რამდენიმე სანტიმეტრი, უფრო მჭიდრო გარემოში, ის გაცილებით მცირეა, მილიმეტრის მეასედს შეადგენს (ნაწილაკების შეკავება შესაძლებელია ჩვეულებრივი ქაღალდის ფურცლით).

რეზერფორდის ექსპერიმენტებმა ურანის ბირთვებზე ნაწილაკების გაფანტვაზე აჩვენა, რომ - ნაწილაკები 8,8 მევ ენერგიამდე განიცდიან ბირთვებზე გაფანტვას, ანუ ბირთვების ნაწილაკებზე მოქმედი ძალები აღწერილია კულონის კანონით. -ნაწილაკების ამ ტიპის გაფანტვა მიუთითებს იმაზე, რომ ისინი ჯერ არ შესულან მოქმედების დიაპაზონში ბირთვული ძალები, ანუ შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ ბირთვს აკრავს პოტენციური ბარიერი, რომლის სიმაღლე არ არის არანაკლებ 8,8 მევ. მეორეს მხრივ, ურანის მიერ გამოსხივებულ ნაწილაკებს აქვთ 4,2 მევ ენერგია. შესაბამისად, ნაწილაკები გაფრინდებიან რადიოაქტიური ბირთვიდან პოტენციური ბარიერის სიმაღლეზე შესამჩნევად დაბალი ენერგიით. კლასიკურმა მექანიკამ ვერ ახსნა ეს შედეგი.

-დაშლის ახსნას გვაძლევს კვანტური მექანიკა, რომლის მიხედვითაც -ნაწილაკის გაქცევა ბირთვიდან შესაძლებელია გვირაბის ეფექტის გამო (იხ. §221) - ნაწილაკის შეღწევა პოტენციური ბარიერის მეშვეობით. ყოველთვის არის არანულოვანი ალბათობა იმისა, რომ პოტენციური ბარიერის სიმაღლეზე ნაკლები ენერგიის მქონე ნაწილაკი მასში გაივლის, ანუ, მართლაც, ნაწილაკებს შეუძლიათ გაფრინდნენ რადიოაქტიური ბირთვიდან პოტენციური ბარიერის სიმაღლეზე ნაკლები ენერგიით. . ეს ეფექტი მთლიანად განპირობებულია ნაწილაკების ტალღოვანი ბუნებით.

ნაწილაკის პოტენციურ ბარიერში გავლის ალბათობა განისაზღვრება მისი ფორმის მიხედვით და გამოითვლება შროდინგერის განტოლების საფუძველზე. პოტენციური ბარიერის უმარტივეს შემთხვევაში მართკუთხა ვერტიკალური კედლებით (იხ. სურ. 298, ა) გამჭვირვალობის კოეფიციენტი, რომელიც განსაზღვრავს მასში გავლის ალბათობას, განისაზღვრება ადრე განხილული ფორმულით (221.7):

ამ გამოთქმის გაანალიზებისას ჩვენ ვხედავთ, რომ გამჭვირვალობის კოეფიციენტი დრაც უფრო გრძელია (ამიტომ, რაც უფრო მოკლეა ნახევარგამოყოფის პერიოდი) მით უფრო მცირეა სიმაღლეში ( უ) და სიგანე ( ლ) ბარიერი არის -ნაწილაკის გზაზე. გარდა ამისა, იგივე პოტენციალის მრუდით, რაც უფრო დიდია ნაწილაკის ენერგია, მით უფრო მცირეა ბარიერი მის გზაზე. ე. ამრიგად, გეიგერ-ნატალის კანონი თვისობრივად დადასტურებულია (იხ. (257.1)).

§ 258. -დაშლა. ნეიტრინო

-დაშლის ფენომენი (მომავალში გამოჩნდება, რომ არსებობს და (-დაშლა) ემორჩილება გადაადგილების წესს (256.5)

და დაკავშირებულია ელექტრონის გამოყოფასთან. ჩვენ მოგვიწია მრავალი სირთულის გადალახვა დაშლის ინტერპრეტაციით.

პირველ რიგში, საჭირო იყო დაშლის პროცესის დროს გამოსხივებული ელექტრონების წარმოშობის დასაბუთება. ბირთვის პროტონ-ნეიტრონული სტრუქტურა გამორიცხავს ელექტრონის ბირთვიდან გაქცევის შესაძლებლობას, ვინაიდან ბირთვში ელექტრონები არ არის. ვარაუდი, რომ ელექტრონები გაფრინდებიან არა ბირთვიდან, არამედ ელექტრონული გარსიდან, დაუსაბუთებელია, მას შემდეგ უნდა დაფიქსირდეს ოპტიკური ან რენტგენის გამოსხივება, რაც არ არის დადასტურებული ექსპერიმენტებით.

მეორეც, საჭირო იყო გამოსხივებული ელექტრონების ენერგეტიკული სპექტრის უწყვეტობის ახსნა (ყველა იზოტოპისთვის დამახასიათებელი ნაწილაკების ენერგიის განაწილების მრუდი ნაჩვენებია ნახ. 343).

როგორ შეუძლიათ აქტიურ ბირთვებს, რომლებსაც აქვთ კარგად განსაზღვრული ენერგიები დაშლის წინ და დაშლის შემდეგ, ასხივებენ ელექტრონებს ენერგეტიკული მნიშვნელობებით ნულიდან გარკვეულ მაქსიმუმამდე? ანუ გამოსხივებული ელექტრონების ენერგეტიკული სპექტრი უწყვეტია? ჰიპოთეზა, რომ β-დაშლის დროს ელექტრონები ტოვებენ ბირთვს მკაცრად განსაზღვრული ენერგიებით, მაგრამ ზოგიერთი მეორადი ურთიერთქმედების შედეგად ისინი კარგავენ ენერგიის ამა თუ იმ ნაწილს, ისე რომ მათი თავდაპირველი დისკრეტული სპექტრი გადაიქცევა უწყვეტად, უარყო პირდაპირი გზით. კალორიმეტრიული ექსპერიმენტები. ვინაიდან მაქსიმალური ენერგია განისაზღვრება დედისა და ქალიშვილის ბირთვების მასების სხვაობით, მაშინ იშლება ელექტრონის ენერგია< , как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположение, что закон сохранения энергии носит статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить это затруднение.

მესამე, საჭირო იყო სპინური არაკონსერვაციის საკითხი დაშლის დროს. დაშლის დროს, ბირთვში ნუკლეონების რაოდენობა არ იცვლება (რადგან მასის რიცხვი არ იცვლება ა), შესაბამისად ბირთვის სპინი, რომელიც უდრის მთელ რიცხვს ლუწისთვის ადა ნახევრად მთელი რიცხვი კენტისთვის ა. თუმცა, ელექტრონის გამოშვებამ სპინით /2 უნდა შეცვალოს ბირთვის სპინი /2-ით.

ბოლო ორმა სირთულემ უ. პაული მიიყვანა ჰიპოთეზამდე (1931), რომ დაშლის დროს ელექტრონთან ერთად გამოიყოფა კიდევ ერთი ნეიტრალური ნაწილაკი - ნეიტრინო. ნეიტრინოს აქვს ნულოვანი მუხტი, სპინი /2 და ნული (უფრო სწორად< 10 -4 ) массу покоя; обозначается . Впоследствии оказалось, что при - დაშლა, ეს არ არის ნეიტრინოების გამოსხივება, არამედ ანტინეიტრინო(ანტინაწილაკი ნეიტრინოსთან მიმართებაში; აღინიშნება ).

ნეიტრინოების არსებობის ჰიპოთეზა ე.ფერმის საშუალებას აძლევდა შეექმნა -დაშლის თეორია (1934), რომელმაც დიდწილად შეინარჩუნა თავისი მნიშვნელობა დღემდე, თუმცა ნეიტრინოების არსებობა ექსპერიმენტულად დადასტურდა 20 წელზე მეტი ხნის შემდეგ (1956). ნეიტრინოების ასეთი ხანგრძლივი „ძიება“ დიდ სირთულეებთან არის დაკავშირებული ნეიტრინოებში ელექტრული მუხტისა და მასის ნაკლებობის გამო. ნეიტრინო არის ერთადერთი ნაწილაკი, რომელიც არ მონაწილეობს არც ძლიერ და არც ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებებში; ურთიერთქმედების ერთადერთი ტიპი, რომელშიც ნეიტრინოებს შეუძლიათ მონაწილეობა, არის სუსტი ურთიერთქმედება. ამიტომ ნეიტრინოებზე პირდაპირი დაკვირვება ძალიან რთულია. ნეიტრინოების მაიონებელი უნარი იმდენად დაბალია, რომ ჰაერში იონიზაციის ერთი მოვლენა ხდება 500 კილომეტრზე მგზავრობისას. ნეიტრინოების შეღწევადობის უნარი იმდენად დიდია (1 მევ ენერგიით ნეიტრინოების დიაპაზონი ტყვიაში დაახლოებით 1018 მ!), რაც ართულებს ამ ნაწილაკების შეკავებას მოწყობილობებში.

ამიტომ ნეიტრინოების (ანტინეიტრინოების) ექსპერიმენტული გამოვლენისთვის გამოიყენეს არაპირდაპირი მეთოდი, რომელიც ეფუძნება იმ ფაქტს, რომ რეაქციებში (მათ შორის, ნეიტრინოების ჩათვლით) დაცულია იმპულსის შენარჩუნების კანონი. ამრიგად, ნეიტრინოები აღმოაჩინეს ატომის ბირთვების უკუცემის შესწავლით - დაშლის დროს. თუ ბირთვის დაშლის დროს ელექტრონთან ერთად გამოიდევნება ანტინეიტრინო, მაშინ სამი იმპულსის ვექტორული ჯამი - უკუცემის ბირთვი, ელექტრონი და ანტინეიტრინო - ნულის ტოლი უნდა იყოს. ეს ნამდვილად დადასტურდა გამოცდილებით. ნეიტრინოების პირდაპირი გამოვლენა მხოლოდ მოგვიანებით გახდა შესაძლებელი, ძლიერი რეაქტორების გამოჩენის შემდეგ, რამაც შესაძლებელი გახადა ნეიტრინოს ინტენსიური ნაკადების მიღება.

ნეიტრინოების (ანტინეიტრინოების) დანერგვამ შესაძლებელი გახადა არა მხოლოდ აეხსნა სპინის აშკარა არკონსერვაცია, არამედ გაგებულიყო ამოფრქვეული ელექტრონების ენერგეტიკული სპექტრის უწყვეტობის საკითხი. ნაწილაკების უწყვეტი სპექტრი განპირობებულია ენერგიის განაწილებით ელექტრონებსა და ანტინეიტრინოებს შორის და ორივე ნაწილაკების ენერგიის ჯამი უდრის . ზოგიერთ დაშლის დროს ანტინეიტრინო იღებს მეტ ენერგიას, ზოგიერთში - ელექტრონს; მრუდის სასაზღვრო წერტილში ნახ. 343, სადაც ელექტრონის ენერგია უდრის , მთელი დაშლის ენერგია ელექტრონს ატარებს, ხოლო ანტინეიტრინო ენერგია ნულის ტოლია.

და ბოლოს, მოდით განვიხილოთ ელექტრონების წარმოშობის საკითხი -დაშლის დროს. ვინაიდან ელექტრონი არ გაფრინდება ბირთვიდან და არ გადის ატომის გარსიდან, ვარაუდობდნენ, რომ ელექტრონი იბადება ბირთვის შიგნით მიმდინარე პროცესების შედეგად. ვინაიდან -დაშლის დროს ბირთვში ნუკლეონების რაოდენობა არ იცვლება, ა ზიზრდება ერთით (იხ. (256.5)), მაშინ ამ პირობების ერთდროული განხორციელების ერთადერთი შესაძლებლობა არის ერთ-ერთი ნეიტრონის - აქტიური ბირთვის პროტონად გადაქცევა ელექტრონის ერთდროული წარმოქმნით და ანტინეიტრინოს გამოსხივებით:

(258.1)

ამ პროცესს თან ახლავს ელექტრული მუხტების, იმპულსის და მასის რიცხვების შენარჩუნების კანონების შესრულება. გარდა ამისა, ეს ტრანსფორმაცია ენერგიულად შესაძლებელია, რადგან ნეიტრონის დანარჩენი მასა აღემატება წყალბადის ატომის მასას, ანუ პროტონისა და ელექტრონის გაერთიანებულ მასას. მასის ეს განსხვავება შეესაბამება ენერგიას, რომელიც უდრის 0,782 მევ. ამ ენერგიის გამო შეიძლება მოხდეს ნეიტრონის სპონტანური ტრანსფორმაცია პროტონად; ენერგია ნაწილდება ელექტრონსა და ანტინეიტრინოს შორის.

თუ ნეიტრონის პროტონად გადაქცევა ენერგიულად ხელსაყრელია და ზოგადად შესაძლებელია, მაშინ უნდა დაფიქსირდეს თავისუფალი ნეიტრონების რადიოაქტიური დაშლა (ანუ ნეიტრონები ბირთვის გარეთ). ამ ფენომენის აღმოჩენა დაშლის თეორიის დადასტურება იქნებოდა. მართლაც, 1950 წელს, მაღალი ინტენსივობის ნეიტრონის ნაკადებში, რომლებიც წარმოიქმნება ბირთვული რეაქტორებიაღმოაჩინეს თავისუფალი ნეიტრონების რადიოაქტიური დაშლა, რომელიც ხდება სქემის მიხედვით (258.1). მიღებული ელექტრონების ენერგეტიკული სპექტრი შეესაბამებოდა ნახ. 343 და ელექტრონის ენერგიის ზედა ზღვარი ზემოთ გამოთვლის ტოლი აღმოჩნდა (0,782 მევ).

ატომის ბირთვების რადიოაქტიური დაშლა ხდება სპონტანურად და იწვევს თავდაპირველი რადიოაქტიური იზოტოპის ატომების რაოდენობის მუდმივ შემცირებას და დაშლის პროდუქტის ატომების დაგროვებას.

რადიონუკლიდების დაშლის სიჩქარე განისაზღვრება მხოლოდ მათი ბირთვების არასტაბილურობის ხარისხით და არ არის დამოკიდებული რაიმე ფაქტორზე, რომელიც ჩვეულებრივ გავლენას ახდენს ფიზიკური და ქიმიური პროცესების სიჩქარეზე (წნევა, ტემპერატურა, ნივთიერების ქიმიური ფორმა და ა.შ.). თითოეული ცალკეული ატომის დაშლა არის სრულიად შემთხვევითი მოვლენა, სავარაუდო და დამოუკიდებელი სხვა ბირთვების ქცევისგან. თუმცა, თუ სისტემაში არის საკმარისად დიდი რაოდენობით რადიოაქტიური ატომები, ზოგადი ნიმუში, რომელიც მდგომარეობს იმაში, რომ მოცემული რადიოაქტიური იზოტოპის ატომების რაოდენობა, რომლებიც იშლება დროის ერთეულზე, ყოველთვის წარმოადგენს მოცემული იზოტოპისთვის დამახასიათებელ გარკვეულ ნაწილს იმ ატომების მთლიანი რაოდენობისა, რომლებიც ჯერ კიდევ არ დაიშალა. DUU ატომების რაოდენობა, რომლებმაც განიცადეს დაშლა მოკლე დროში D/ არის პროპორციული DUU რადიოაქტიური ატომების მთლიანი რაოდენობის და DL ინტერვალის მნიშვნელობისა ეს კანონი მათემატიკურად შეიძლება იყოს წარმოდგენილი როგორც თანაფარდობა:

-AN = X? N?დ/.

მინუს ნიშანი მიუთითებს რადიოაქტიური ატომების რაოდენობაზე ნმცირდება. პროპორციულობის ფაქტორი Xეწოდება დაშლის მუდმივიდა არის მოცემული რადიოაქტიური იზოტოპის მუდმივი მახასიათებელი. რადიოაქტიური დაშლის კანონი ჩვეულებრივ იწერება დიფერენციალური განტოლების სახით:

ასე რომ, რადიოაქტიური დაშლის კანონიშეიძლება ჩამოყალიბდეს შემდეგნაირად: დროის ერთეულზე, რადიოაქტიური ნივთიერების არსებული ბირთვების ერთი და იგივე ნაწილი ყოველთვის იშლება.

დაშლის მუდმივი Xაქვს ინვერსიული დროის განზომილება (1/s ან s -1). მით უფრო X,რაც უფრო სწრაფად ხდება რადიოაქტიური ატომების დაშლა, ე.ი. Xახასიათებს თითოეული რადიოაქტიური იზოტოპის დაშლის ფარდობით სიჩქარეს ან ატომის ბირთვის დაშლის ალბათობას 1 წამში. დაშლის მუდმივი არის ატომების დაშლის ფრაქცია ერთეულ დროში, რადიონუკლიდის არასტაბილურობის მაჩვენებელი.

მნიშვნელობა - რადიოაქტიური დაშლის აბსოლუტური სიჩქარე -

საქმიანობას უწოდებენ. რადიონუკლიდური აქტივობა (A) -ეს არის ატომური დაშლის რაოდენობა, რომელიც ხდება დროის ერთეულზე. ეს დამოკიდებულია რადიოაქტიური ატომების რაოდენობაზე მოცემულ დროს (და)და მათი არასტაბილურობის ხარისხზე:

A=Y ( X.

SI აქტივობის ერთეული არის ბეკერელი(Bq); 1 Bq - აქტივობა, რომლის დროსაც ხდება ერთი ბირთვული ტრანსფორმაცია წამში, განურჩევლად დაშლის ტიპისა. ზოგჯერ გამოიყენება აქტივობის საზომი გარე სისტემის ერთეული - კური (Ci): 1Ci = 3.7-10 10 Bq (ატომების დაშლის რაოდენობა 1 გ 226 RAA 1 წმ-ში).

ვინაიდან აქტივობა დამოკიდებულია რადიოაქტიური ატომების რაოდენობაზე, ეს მნიშვნელობა ემსახურება შესწავლილ ნიმუშში რადიონუკლიდების შემცველობის რაოდენობრივ საზომს.

პრაქტიკაში უფრო მოსახერხებელია რადიოაქტიური დაშლის კანონის ინტეგრალური ფორმის გამოყენება, რომელსაც აქვს შემდეგი ფორმა:

სადაც УУ 0 - რადიოაქტიური ატომების რაოდენობა დროის საწყის მომენტში / = 0; - ამ მომენტში დარჩენილი რადიოაქტიური ატომების რაოდენობა

დრო /; X-დაშლის მუდმივი.

რადიოაქტიური დაშლის დასახასიათებლად, ხშირად დაშლის მუდმივის ნაცვლად Xისინი იყენებენ მისგან მიღებულ სხვა რაოდენობას - ნახევარგამოყოფის პერიოდს. ნახევარგამოყოფის პერიოდი (T]/2)- ეს არის დროის პერიოდი, რომლის დროსაც იშლება რადიოაქტიური ატომების საწყისი რაოდენობის ნახევარი.

G მნიშვნელობების ჩანაცვლება რადიოაქტიური დაშლის კანონში T 1/2და და (= Af/2, ვიღებთ:

VU 0/2 = # 0 e~ xt og-

1 /2 = e~ xt "/2 -, ა e xt "/ 2 = 2 ან HT 1/2 = 1p2.

ნახევარგამოყოფის პერიოდი და დაშლის მუდმივი დაკავშირებულია შემდეგი კავშირით:

T x/2=1п2 А = 0,693 /X.

ამ ურთიერთობის გამოყენებით, რადიოაქტიური დაშლის კანონი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს სხვა ფორმით:

TU, = УУ 0 e Apg, "t t

N = და 0? e-°’ t - ( / t 02.

ამ ფორმულიდან გამომდინარეობს, რომ რაც უფრო გრძელია ნახევარგამოყოფის პერიოდი, მით უფრო ნელა ხდება რადიოაქტიური დაშლა. ნახევარგამოყოფის პერიოდი ახასიათებს რადიოაქტიური ბირთვის მდგრადობის ხარისხს და ძალიან განსხვავდება სხვადასხვა იზოტოპებისთვის - წამის ნაწილებიდან მილიარდ წლამდე (იხ. დანართები). მათი ნახევარგამოყოფის პერიოდიდან გამომდინარე, რადიონუკლიდები პირობითად იყოფა ხანმოკლე და ხანმოკლე.

ნახევარგამოყოფის პერიოდი, დაშლის ტიპთან და გამოსხივების ენერგიასთან ერთად, ნებისმიერი რადიონუკლიდის ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია.

ნახ. ნახაზი 3.12 გვიჩვენებს რადიოაქტიური იზოტოპის დაშლის მრუდს. ჰორიზონტალური ღერძი წარმოადგენს დროს (ნახევარგამოყოფის პერიოდში), ხოლო ვერტიკალური ღერძი წარმოადგენს რადიოაქტიური ატომების რაოდენობას (ან აქტივობას, ვინაიდან იგი რადიოაქტიური ატომების რაოდენობის პროპორციულია).

მრუდი არის ექსპონენტიდა ასიმპტომურად უახლოვდება დროის ღერძს მისი გადაკვეთის გარეშე. ნახევარგამოყოფის პერიოდის (Г 1/2) ტოლი დროის გასვლის შემდეგ, რადიოაქტიური ატომების რაოდენობა მცირდება 2-ჯერ (2Г 1/2), დარჩენილი ატომების რაოდენობა კვლავ მცირდება განახევრებით; ე.ი. 4-ჯერ მათი საწყისი რიცხვიდან, 3-ის შემდეგ 7" 1/2 - 8-ჯერ, შემდეგ

4G 1/2 - 16 ჯერ, მეშვეობით თნახევარგამოყოფის პერიოდი Г ]/2 - ინ 2 ტერთხელ.

თეორიულად, არასტაბილური ბირთვების მქონე ატომების პოპულაცია უსასრულობამდე შემცირდება. თუმცა, პრაქტიკული თვალსაზრისით, გარკვეული ზღვარი უნდა დაინიშნოს, როდესაც ყველა რადიოაქტიური ნუკლიდი იშლება. ითვლება, რომ ამისათვის საჭიროა 107^, 2 პერიოდი, რის შემდეგაც რადიოაქტიური ატომების 0,1%-ზე ნაკლები დარჩება თავდაპირველი რაოდენობით. ამრიგად, თუ მხოლოდ ფიზიკურ დაშლას გავითვალისწინებთ, ჩერნობილის წარმოშობის 90 Bg (= 29 წელი) და |37 Cz (T|/ 2 = 30 წელი) ბიოსფეროს სრულად გაწმენდას, შესაბამისად, 290 და 300 წელი დასჭირდება. .

რადიოაქტიური ბალანსი.თუ რადიოაქტიური იზოტოპის (მშობლის) დაშლის დროს წარმოიქმნება ახალი რადიოაქტიური იზოტოპი (ქალიშვილი), მაშინ ამბობენ, რომ ისინი გენეტიკურად არიან დაკავშირებული ერთმანეთთან და წარმოიქმნება რადიოაქტიური ოჯახი(რიგით).

განვიხილოთ გენეტიკურად დაკავშირებული რადიონუკლიდების შემთხვევა, რომელთაგან მშობელი ხანმოკლეა, ხოლო ქალიშვილი ხანმოკლე. მაგალითია სტრონციუმი 90 5გ, რომელიც გარდაიქმნება (3-დაშლით ( T /2 = 64 სთ) და იქცევა სტაბილურ ცირკონიუმის ნუკლიდად ^ ეს(იხ. სურ. 3.7). ვინაიდან 90 U იშლება ბევრად უფრო სწრაფად, ვიდრე 90 5გ, გარკვეული დროის შემდეგ დადგება მომენტი, როდესაც 90 8გ დაშლის რაოდენობა ნებისმიერ მომენტში იქნება ტოლი დაშლის 90 U. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მშობლის აქტივობა 90 8გ. (D,) გაუტოლდება ქალიშვილის აქტივობას 90 U (L 2).როდესაც ეს მოხდება, 90 ვ ითვლება შეყვანად საერო წონასწორობათავისი მშობელი რადიონუკლიდით 90 8გ. ამ შემთხვევაში კავშირი მოქმედებს:

A 1 = L 2 ან X 1? = X 2?УУ 2 ან: Г 1/2(1) = УУ 2: Г 1/2(2) .

ზემოაღნიშნული ურთიერთობიდან გამომდინარეობს, რომ ვიდრე უფრო სავარაუდოარადიონუკლიდური დაშლა (რომ)და, შესაბამისად, უფრო მოკლე ნახევარგამოყოფის პერიოდი (T ]/2),მით უფრო ნაკლებია მისი ატომები ორი იზოტოპის ნარევში (AO-

ასეთი წონასწორობის დასამყარებლად საჭიროა დაახლოებით ტოლი დრო 7T ]/2ქალიშვილი რადიონუკლიდი. სეკულარული წონასწორობის პირობებში ნუკლიდების ნარევის მთლიანი აქტივობა ორჯერ მეტია, ვიდრე ძირითადი ნუკლიდის აქტივობა დროის მოცემულ მომენტში. მაგალითად, თუ საწყის დროს პრეპარატი შეიცავს მხოლოდ 90 8 გ, შემდეგ 7T/2ოჯახის ყველაზე ხანგრძლივი წევრი (გარდა სერიის წინაპრისა), დამყარებულია სეკულარული წონასწორობა და რადიოაქტიური ოჯახის ყველა წევრის დაშლის სიჩქარე ერთნაირი ხდება. იმის გათვალისწინებით, რომ ოჯახის თითოეული წევრის ნახევარგამოყოფის პერიოდი განსხვავებულია, წონასწორობაში მყოფი ნუკლიდების ფარდობითი რაოდენობა (მასების ჩათვლით) ასევე განსხვავებულია. რაც უფრო ნაკლები T )