Пути ядерного распада

В 1889 году Эрнест Резерфорд обнаружил и назвал два режима радиоактивного распада, показав протекание обоих процессов в распадающемся образце природного урана и его дочерних элементов. Резерфорд назвал эти типы излучения в зависимости от их проникающей способности: более тяжелое альфа-излучение и более легкое бета-излучение. Гамма-лучи, третий тип излучения, были открыты П. Виллардом в 1900 г., но не были признаны электромагнитным излучением до 1914 г. не изменяет идентичность атома, из которого он происходит, и поэтому не будет подробно обсуждаться здесь. Поскольку ядерные реакции связаны с разрывом очень мощных внутриядерных связей, может быть высвобождено огромное количество энергии.На таких высоких энергетических уровнях материя может быть преобразована непосредственно в энергию в соответствии со знаменитым соотношением массы и энергии Эйнштейна. Е = мс 2 . Сумма массы и энергии сохраняется при ядерном распаде. Согласно термодинамике свободная энергия любой самопроизвольной реакции должна быть отрицательной (ΔG < 0), а Δ грамм практически равно изменению энергии Δ Е ядерных реакций, потому что ΔE настолько массивен. Следовательно, ядерная реакция произойдет самопроизвольно, если: [ΔE = Δmc^2 < 0] (ΔE < 0) или (Δm < 0) Когда масса продуктов ядерной реакции будет меньше массы реагентов, разница в массе была преобразована в энергию. Есть три типа ядерных реакций, которые классифицируются как процессы бета-распада. Процессы бета-распада наблюдались в 97% всех известных нестабильных нуклидов и, таким образом, на сегодняшний день являются наиболее распространенным механизмом радиоактивного распада. Первый тип (здесь бета-распад) также называется Негатронным излучением, потому что испускается отрицательно заряженная бета-частица, тогда как второй тип (эмиссия позитронов) испускает положительно заряженную бета-частицу. В захват электронов, орбитальный электрон захватывается ядром и поглощается в реакции. Все эти виды распада представляют собой изменение на единицу атомного номера Z родительского ядра, но не изменение массового числа A. Альфа-распад отличается тем, что уменьшается как атомное, так и массовое число родительского ядра. В этой статье термин бета-распад будет относиться к первому описанному процессу, в котором настоящая бета-частица является продуктом ядерной реакции.

Бета-распад / Негатронное излучение

Нуклиды могут быть радиоактивными и подвергаться ядерному распаду по многим причинам. Бета-распад может происходить в ядрах, богатых нейтронами, то есть нуклид содержит больше нейтронов, чем стабильные изотопы того же элемента.Эти «дефицитные протоны» нуклиды иногда можно идентифицировать, просто заметив, что их массовое число A (сумма нейтронов и протонов в ядре) значительно больше, чем в два раза, чем атомный номер Z (число протонов в ядре). Чтобы восстановить некоторую стабильность, такое ядро ​​может распасться, превратив один из своих дополнительных нейтронов в протон, испустив электрон и антинейтрино (ν). Электрон с высокой энергией, испускаемый в этой реакции, называется бета-частица и представлен ( _^textrm^ ) в ядерных уравнениях. Более легкие атомы (Z < 60) чаще подвергаются бета-распаду. Распад нейтрона на протон, бета-частицу и антинейтрино ((bar)) равен [ ce<_^n^0 rightarrow _^p^+ + _^e^->+ bar ] Некоторые примеры бета-распад [ ce^He rightarrow _^Li + _^e^-> +bar ] [ ce^Na rightarrow _^Mg + _^e^-> + bar ] Для того, чтобы бета-распад происходит спонтанно в соответствии с Δm < 0, масса родительского ядро (не атом) должен иметь массу больше суммы масс дочернего ядра и бета-частицы: м[ А Я] > м[ А (Z+1)] + м[ 0 _-1е — ]
(Родительское ядро) > (Дочернее ядро) + (электрон) Масса антинейтрино почти равна нулю, и поэтому ею можно пренебречь. Приведенное выше уравнение может быть легко получено из любой реакции бета-распада, однако оно бесполезно, поскольку масс-спектрометры измеряют массу атомы а не только их ядра. Чтобы сделать уравнение полезным, мы должны превратить эти ядра в нейтральные атомы, добавив массу Z + 1 электронов в каждую часть уравнения. Затем родительское ядро ​​становится нейтральным атомом [ A Z] плюс масса одного электрона, а дочернее ядро ​​и бета-частица в правой части уравнения становятся нейтральным атомом [ A (Z + 1)] плюс масса электрона. бета частица. Дополнительный электрон слева компенсирует массу бета-частицы справа, оставляя неравенство м[ А Я] > м[ А (Я+1)]
(родительский атом) > (дочерний атом) Тогда изменение массы равно Δm = м[ А (Z+1)] — м[ A Z] Энергия, выделяющаяся в этой реакции, уносится в виде кинетической энергии бета-частицей и антинейтрино, при этом незначительная часть энергии вызывает отдачу в дочернем ядре. Бета-частица может переносить эту энергию куда угодно, от всех до ничего, поэтому максимальная кинетическая энергия бета-частицы в любом случае бета-распада равна -ΔЕ.

Позитронная эмиссия

Нуклиды с несбалансированным соотношением протонов и нейтронов подвергаются распаду, чтобы исправить дисбаланс. Ядра, которые богаты протонами по отношению к числу нейтронов, могут распадаться путем превращения протона в нейтрон с испусканием позитрон ((^0_1e^+)) ​​и нейтрино ( ν) . Позитроны являются античастицами электронов, поэтому позитрон имеет ту же массу, что и электрон, но с противоположным (положительным) зарядом. При испускании позитронов атомный номер Z уменьшается на 1, а массовое число А остается прежним. Некоторые примеры эмиссия позитронов являются [ce> + nu_e] [ce_Mg rightarrow ^_Cr + ^0_1e^+> + nu_e] Испускание позитронов — это только один из двух типов распада, который имеет тенденцию происходить в «нейтронодефицитных» нуклидов, поэтому очень важно установить правильный критерий изменения массы. Испускание позитронов происходит спонтанно, когда м[ А Я] > м[ А (Z-1)] + м[ 0 ₊₁е +]
(Родительское ядро) > (Дочернее ядро) + (позитрон) Чтобы переписать это неравенство в терминах масс нейтральных атомов, мы добавляем массу Z электронов в обе части уравнения, что дает массу нейтрального атома [ A Z] слева и массу нейтрального атома [ A (Z-1)] плюс дополнительный электрон (поскольку только электроны Z-1 необходимо для создания нейтрального атома) и позитрон справа. Поскольку позитроны и электроны имеют одинаковую массу, неравенство можно записать в виде м[ А Я] > м[ А (З-1)] + 2м[ 0 _-1е — ]
(родительский атом) > (дочерний атом) + (2 электрона) Изменение массы при распаде эмиссии позитронов равно Δm = м[ А (Я)] — м[ А Я ] — 2м[ 0 _-1e — ] Как и в случае бета-распада, кинетическая энергия -ΔЕ расщепляется между испускаемыми частицами — в данном случае позитроном и нейтрино.

Электронный захват

Как упоминалось ранее, существует два пути распада нейтронно-дефицитных/протонно-избыточных ядер. Когда изменение массы (Δm <0) еще недостаточно, чтобы вызвать спонтанную эмиссию позитронов, нейтрон может образоваться в результате альтернативного процесса, известного как захват электрона. Внешний электрон втягивается внутрь ядра и объединяется с протоном, образуя нейтрон, испускающий только нейтрино. [ cee^ → ^1_0n + nu >] Некоторые примеры захват электронов являются [ce_U + ^0_e^ → ^_Pa + nu >] [ce< ^Kr + ^0_e^- → ^_Br + nu >] Электронный захват чаще всего происходит в более тяжелых нейтронодефицитных элементы, в которых изменение массы наименьшее, а эмиссия позитронов не всегда возможна. Для (Δm < 0) справедливо следующее неравенство: м[А Я] + м[ 0 _-1е — ] > м[ А (З-1)]
(Родительское ядро) + (электрон) > (Дочернее ядро) Добавление (Z) электронов к каждой стороне неравенства изменяет его на его полезную форму, в которой захваченный электрон слева компенсирует лишний электрон справа м[ А Я] > м[ А (З-1)]
(родительский атом) > (дочерний атом) Тогда изменение массы равно Δm = м[А (З-1)] — м[ A Z] Когда потеря массы в ядерной реакции больше нуля, но меньше 2м[ 0 _-1д — ], процесс не может происходить с испусканием позитронов и является самопроизвольным при захвате электронов.

Альфа-распад

Другие три процесса ядерного распада связаны с образованием нейтрона или протона внутри ядра для исправления существующего дисбаланса. При альфа-распаде нестабильные тяжелые ядра (обычно (Z > 83)) уменьшают свое массовое число (A) на 4 и атомный номер (Z) на 2 с испусканием ядер гелия (( ce>)), известный как альфа-частица. Некоторые примеры альфа-распад [ ce_Ra> rightarrow ce_Rn + ^4_2He^>] [ ce_U> rightarrow ce_Th + ^4_2He^>] Как и в случае бета-распада и электронного захвата, Δm должно быть меньше нуля только для спонтанного происходит альфа-распад. Поскольку общее количество протонов на каждой стороне реакции не меняется, к каждой стороне добавляется одинаковое количество электронов, образуя нейтральные атомы. Следовательно, масса родительского атома должна быть просто больше суммы масс его дочернего атома и атома гелия. м[ А Я] > м[ А-4 (З-2)] + м[ 4 ₂He 2 + ] Тогда изменение массы равно ∆m = м[ А (Я)] — м[А-4 (З-2)] — м[ 4 ₂He 2 + ] Энергия, выделяющаяся в реакции альфа-распада, в основном уносится более легким гелием, при этом небольшое количество энергии проявляется в отдаче гораздо более тяжелого дочернего ядра. Альфа-распад — это форма спонтанного деления, реакция, при которой массивные ядра могут уменьшить свою массу и атомный номер за счет расщепления. Другие тяжелые нестабильные элементы подвергаются реакциям деления, в которых они распадаются на ядра примерно одинакового размера.

Резюме

Ядра с дефицитом протонов или нейтронов подвергаются реакциям ядерного распада, которые служат для исправления несбалансированного соотношения нейтронов и протонов. Ядра с дефицитом протонов подвергаются бета-распад — испуская бета-частицу (электрон) и антинейтрино для преобразования нейтрона в протон, таким образом увеличивая атомный номер элемента Z на единицу. Ядра с дефицитом нейтронов могут подвергаться эмиссия позитронов или же захват электронов (в зависимости от изменения массы), любой из которых синтезирует нейтрон — испуская позитрон и нейтрино или поглощая электрон и испуская нейтрино соответственно — тем самым уменьшая Z на единицу. Ядра с Z > 83, которые являются нестабильными и слишком массивными, будут скорректированы путем альфа-распад, испуская альфа-частицу (ядро гелия) и уменьшая как массу, так и атомный номер. Ядра с очень дефицитом протонов или нейтронов также могут просто выбрасывать лишнюю частицу прямо из ядра.Эти виды распада называются протон а также эмиссия нейтронов. Эти процессы сведены в таблицу ниже.

Таблица: Характеристики радиоактивного распада

Тип распада	Испускаемая частица	ΔZ	ΔА	Вхождение
Альфа	4 2Он 2+	-2	-4	Z > 83
Бета	Энергия e — , γ	+1		А/Я > (А/Я)стабильный
ЧП	Энергия e + , γ	-1		А/Я < (А/Я)стабильный, легкие ядра
ЕС	ν	-1		А/Я < (А/Я)стабильный, тяжелые ядра
γ	Фотон			Любое возбужденное ядро

Проблемы

1. Напишите сбалансированное уравнение бета-распада 14 C.
2. Напишите сбалансированное уравнение распада позитронного излучения 22 Na.
3. Напишите сбалансированное уравнение для захвата электронов в 207 Bi.
4. Напишите сбалансированное уравнение альфа-распада 238 U.
5. Рассчитать максимальную кинетическую энергию испущенной бета-частицы при распаде
   24 ₁₁На → 24 ₁₂Мг + 0 _-1е — + ν
   Используйте Таблицу A4 масс частиц, чтобы сделать этот расчет.
6. Вычислите максимальную кинетическую энергию позитрона, испускаемого при распаде
   8 ₅Б → 8 ₄Быть + 0 ₁е + + ν
   Используйте Таблицу A4 масс частиц, чтобы сделать этот расчет.
7. Будет 231 ₉₂U, вероятно, распадается на 231 ₉₁Па эмиссией позитронов или электронным захватом? Используйте уравнения массового критерия.

Решения

1. 14 ₆С → 14 ₇Н + 0 _-1е — + ν
2. 22 ₁₁На → 22 ₁₀Ne + 0 ₊₁е + + ν
3. 207 ₈₃Би + 0 _-1е — → 207 ₈₂Pb + ν
4. 238 ₉₂У → 234 ₉₀Т + 4 ₂Он
5. Учитывая массы соответствующих атомов и критерии изменения массы для бета-распада, мы вычисляем:
   Δм = м[ 24 ₁₂мг] — м[ 24 ₁₁на]
   Δm = 23,9850419 ед. — 23,990963 ед. = -0,0059211 ед.
   ΔE = (-0,0059211 u)(931,494 МэВ/u) = -5,515 МэВ
   Максимальная кинетическая энергия бета-частицы равна 5,515 МэВ.
6. Изменение массы равно:
   Δм = м[ 8 ₄Быть] + 2м[ 0 _-1е — ] — м[ 8 ₅Б]
   Δm = 8,005305 u + 2(0,000548579911 u) — 8,024606 u = -0,01820384 u
   ΔE = (-0,01820384 u)(931,494 МэВ/u) = -16,9568 МэВ
   Максимальная кинетическая энергия позитрона равна 16,9568 МэВ.
7. Разница масс дочернего и родительского атомов:
   Δм = м[ 231 ₉₁Па] — м[ 231 ₉₂У]
   Δm = 231,035879 ед. — 231,03689 ед. = -0,00041 ед.
   2м[ 0 _-1е — ] = 0,0010971598 ед.
   Поскольку 0,00041 u меньше 2м[ 0 _-1д — ], процесс не может происходить с испусканием позитронов. Массовый критерий Δm < 0 для электронного захвата соблюдается, поэтому 231 U распадается на захват электронов.

использованная литература

1. Окстоби, Дэвид В.; Гиллис Х. П.; Кэмпион, Алан. Принципы современной химии, 6-е изд.; Томсон Брукс/Коул: Белмонт, Калифорния, 2008 г.; Чп. 19.
2. Хаскин, Ларри А. Атомное ядро ​​и химия; DC Heath and Company: Лексингтон, Массачусетс, 1972; стр. 3-4, 43-53.
3. Лавленд, Уолтер Д.; Моррисси, Дэвид Дж.; Сиборг, Гленн Т. Современная ядерная химия; John Wiley and Sons, Inc.: Хобокен, Нью-Джерси, 2006 г.; стр. 8-10, 177-179, 199-200, 213.

Nuclear Decay Pathways распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0, автором, ремиксом и/или куратором является Эми Андерсон.

1. Вернуться к вершине
2. • Открытие радиоактивности
   • Очистка радиоактивных материалов

• Эта статья была полезной?
• Да
• Нет