Podľa druhov rádioaktívneho žiarenia existuje niekoľko typov rádioaktívneho rozpadu (druhy rádioaktívnych premien). Prvky, ktoré majú vo svojich jadrách príliš veľa protónov alebo neutrónov, podliehajú rádioaktívnej transformácii. Uvažujme o typoch rádioaktívneho rozpadu.
1. Alfa rozpad charakteristické pre prírodné rádioaktívne prvky s veľkým atómovým číslom (t. j. s nízkou väzbovou energiou). Je známych asi 160 alfa-aktívnych typov jadier, väčšinou ich sériové číslo je viac ako 82 (Z > 82). Alfa rozpad je sprevádzaný emisiou z jadra nestabilného prvku alfa častice, ktorá je jadrom atómu hélia He (obsahuje 2 protóny a 2 neutróny). Jadrový náboj sa zníži o 2, hmotnostné číslo - o 4.
ZAX → Z-2 A-4 U + 2 4He; 92 238U →24 He + 90 234Th;
88 226Ra→2 4He + 86 222Ra + γ emitované.
Viac ako 10 % rádioaktívnych izotopov podlieha rozpadu alfa.
2. Beta rozpad. Množstvo prírodných a umelých rádioaktívnych izotopov podlieha rozpadu, pričom emitujú elektróny alebo pozitróny:
a) Elektronický beta rozpad. charakteristické pre prírodné aj umelé rádionuklidy, ktoré majú nadbytok neutrónov (t. j. hlavne pre ťažké rádioaktívne izotopy). Približne 46 % všetkých rádioaktívnych izotopov podlieha elektronickému beta rozpadu. V tomto prípade sa jeden z neutrónov zmení na a jadro vyžaruje antineutríno. Náboj jadra a teda aj atómové číslo prvku sa zvýši o jednu, ale hmotnostné číslo zostane nezmenené.
AZ X → AZ+1 Y + e- + v-; 24194Pu→24195Am + e- + v-; 6429Cu → 6430Zn + e- + v-; 4019K → 4020Ca + e- + v-.
Pri emisii β-častíc môžu byť atómové jadrá v excitovanom stave, keď je v dcérskom jadre zistený prebytok energie, ktorú korpuskulárne častice nezachytia. Táto prebytočná energia je emitovaná vo forme gama lúčov.
13785Cs → 13756 Ba + e -+ v- + γ emisia;
b) rozpad pozitrónu beta. Pozoruje sa v niektorých umelých rádioaktívnych izotopoch, ktoré majú v jadre prebytok protónov. Je charakteristická pre 11 % rádioaktívnych izotopov nachádzajúcich sa v prvej polovici tabuľky D.I. Mendelejeva (Z<45). При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в , заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.
AZX → AZ-1У + e+ + v+; 3015P → 3014Si + e+ + v+; 6428Ni + e+ + v+.
Pozitron, ktorý vyletí z jadra, odtrhne „extra“ z obalu atómu alebo interaguje s voľným elektrónom, čím vytvorí pár „pozitrón-elektrón“, ktorý sa okamžite zmení na dve gama kvantá s energetickým ekvivalentom. k hmotnosti častíc (e a e). Proces premeny páru pozitrón-elektrón na dve gama kvantá sa nazýva anihilácia (deštrukcia) a výsledné elektromagnetické žiarenie sa nazýva anihilácia. V tomto prípade dochádza k premene jednej formy hmoty (častíc hmoty) na inú – gama fotóny;
c) elektronické snímanie. Ide o typ rádioaktívnej premeny, keď jadro atómu zachytí elektrón z energetickej hladiny K najbližšie k jadru (elektronický záchyt K) alebo menej často 100-krát z hladiny L. Výsledkom je, že jeden z protónov jadra je neutralizovaný elektrónom a mení sa na. Poradové číslo nového jadra sa zníži o jedno, ale hmotnostné číslo sa nezmení. Jadro vyžaruje antineutrína. Uvoľnený priestor, ktorý v hladine K alebo L obsadil zachytený, je vyplnený elektrónom z energetických hladín vzdialenejších od jadra. Prebytočnú energiu uvoľnenú pri tomto prechode vyžaruje atóm vo forme charakteristického röntgenového žiarenia.
AZХ + e- → AZ-1 У + v- + röntgenové žiarenie;
4019K + e- → Ar + v-+ röntgenové žiarenie;
6429Сu + e- → 6428 Ni+v- + röntgenové žiarenie.
Záchyt elektrónu K je charakteristický pre 25 % všetkých rádioaktívnych jadier, ale hlavne pre umelé rádioaktívne izotopy nachádzajúce sa v druhej polovici tabuľky D.I. Mendelejev a majúci prebytok protónov (Z = 45 - 105). Iba tri prírodné prvky podliehajú K-záchytu: draslík-40, lantán-139, lutécium-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).
Niektoré jadrá sa môžu rozkladať dvoma alebo tromi spôsobmi: rozpadom alfa a beta a zachytávaním K.
Draslík-40 podlieha, ako už bolo uvedené, elektronickému rozpadu - 88% a zachytávaniu K - 12%. Meď-64 (6428Сu) sa mení na nikel (pozitrónový rozpad - 19%, K-záchyt - 42%; (elektronický rozpad - 39%).
3. Emisia γ-žiarenia nie je typom rádioaktívneho rozpadu (nedochádza k premene prvkov), ale je to prúd elektromagnetických vĺn vznikajúcich pri alfa a beta rozpade jadier atómov (prírodné aj umelé rádioaktívne izotopy), keď dcérske jadro obsahuje nadbytočnú energiu nezachytenú korpuskulárnym žiarením (častice alfa a beta). Tento prebytok je okamžite osvetlený vo forme gama lúčov.
13153I → 13154Xe + e- +v- +2γ kvantové; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ kvantum.
4. - emisia protónu z jadra v základnom stave. Tento proces možno pozorovať v umelo vyrobených jadrách s veľkým deficitom neutrónov:
lutécium - 151 (15171Lu) - má o 24 neutrónov menej ako stabilný izotop 17671Lu.
Jadrová reťazová reakcia
.Pri β+ rozpade sa protón mení na neutrón, pozitrón a neutríno:
.Teda na rozdiel od β- rozpad, β+-rozpad nemôže nastať pri absencii vonkajšej energie, pretože hmotnosť samotného neutrónu je väčšia ako hmotnosť protónu. β+-rozpad môže nastať len vo vnútri jadier, kde je absolútna hodnota väzbovej energie dcérskeho jadra väčšia ako väzbová energia materského jadra. Rozdiel medzi týmito dvoma energiami sa využíva na transformáciu protónu na neutrón, pozitrón a neutríno a na kinetickú energiu výsledných častíc.
Vo všetkých prípadoch, kde je β+ rozpad energeticky možný (a protón je súčasťou jadra s elektrónovými obalmi), je sprevádzaný procesom záchytu elektrónov, pri ktorom je elektrón atómu zachytený jadrom s emisiou a neutríno:
.Ale ak je rozdiel medzi hmotnosťou počiatočného a konečného atómu malý (menej ako dvojnásobok hmotnosti elektrónu, to znamená 1022 keV), potom k záchytu elektrónu dôjde bez toho, aby bol sprevádzaný konkurenčným procesom rozpadu pozitrónu; to druhé v tomto prípade zakazuje zákon zachovania energie.
Keď sú protón a neutrón súčasťou atómového jadra, tieto procesy rozpadu transformujú jeden chemický prvok na druhý. Napríklad:
(β − rozpad), (β + rozpad), (záchyt elektrónov).Beta rozpad nemení počet nukleónov v jadre A, ale mení iba svoj náboj Z. Týmto spôsobom sa vytvorí súbor všetkých nuklidov s rovnakým A; títo izobarický Nuklidy sa môžu navzájom transformovať prostredníctvom beta rozpadu. Medzi nimi sú niektoré nuklidy (aspoň jeden) beta-stabilné, pretože predstavujú lokálne minimá prebytočnej hmoty: ak má takéto jadro ( A, Z) čísla, susedné jadrá ( A, Z−1) a ( A, Z+1) majú väčšiu nadbytočnú hmotu a môžu sa rozkladať prostredníctvom beta rozpadu v ( A, Z), ale nie naopak. Treba poznamenať, že beta-stabilné jadro môže podliehať iným typom rádioaktívneho rozpadu (napríklad rozpadu alfa). Väčšina prirodzene sa vyskytujúcich izotopov na Zemi je beta-stabilná, existuje však niekoľko výnimiek s polčasmi tak dlhými, že nezmizli za približne 4,5 miliardy rokov od nukleosyntézy. Napríklad 40 K, ktorý zažíva všetky tri typy rozpadu beta (beta mínus, beta plus a zachytávanie elektrónov), má polčas rozpadu 1,277 × 10 9 rokov.
Beta rozpad možno považovať za prechod medzi dvoma kvantovo mechanickými stavmi riadený poruchami, takže sa riadi Fermiho zlatým pravidlom.
Curieov graf (tiež známy ako Fermiho graf) je diagram používaný na štúdium beta rozpadu. Toto je energetická závislosť druhej odmocniny počtu beta častíc emitovaných s danou energiou, delená Fermiho funkciou. Pre povolené (a niektoré zakázané) beta rozpady je Curieho graf lineárny (priamka naklonená smerom k zvyšovaniu energie). Ak majú neutrína konečnú hmotnosť, potom sa Curieho diagram v blízkosti priesečníka s energetickou osou odchyľuje od lineárneho, čo umožňuje zmerať hmotnosť neutrína.
Niektoré jadrá môžu podstúpiť dvojitý beta rozpad (ββ rozpad), pri ktorom sa jadrový náboj zmení o dve jednotky. V prakticky najzaujímavejších prípadoch sú takéto jadrá beta-stabilné (jednoduchý beta rozpad je energeticky zakázaný), pretože keď sú povolené oba rozpady β a ββ, pravdepodobnosť β rozpadu je (zvyčajne) oveľa väčšia, čo interferuje so štúdiami veľmi zriedkavých ββ sa rozpadá. Rozpad ββ sa teda zvyčajne študuje iba pre beta-stabilné jadrá. Rovnako ako jednoduchý beta rozpad, ani dvojitý beta rozpad sa nemení A; teda aspoň jeden z nuklidov s daným A musia byť stabilné s ohľadom na jednoduchý aj dvojitý beta rozpad.
Historicky, štúdium beta rozpadu viedlo k prvému fyzickému dôkazu o existencii neutrín. V tom roku Lise Meitner a Otto Hahn uskutočnili experiment, ktorý ukázal, že energie elektrónov emitovaných počas beta rozpadu majú skôr spojité ako diskrétne spektrum. To bolo v zjavnom rozpore so zákonom zachovania energie, pretože sa ukázalo, že časť energie sa stratila v procesoch beta rozpadu. Druhým problémom bolo, že rotácia atómu dusíka -14 bola 1, čo bolo v rozpore s Rutherfordovou predpoveďou ½. V slávnom liste napísanom tento rok Wolfgang Pauli navrhol, aby okrem elektrónov a protónov obsahovali atómy veľmi ľahkú neutrálnu časticu, ktorú nazval neutrón. Navrhol, že tento „neutrón“ bol emitovaný počas beta rozpadu a jednoducho nebol predtým pozorovaný. V roku
Beta rozpad je možný vtedy, keď je nahradenie neutrónu protónom (alebo naopak protónu neutrónom) v atómovom jadre energeticky výhodné a výsledné nové jadro má nižšiu pokojovú hmotnosť, teda vyššiu väzbovú energiu. Prebytočná energia sa distribuuje medzi produkty reakcie.
Existujú tri typy rozpadu beta:
1. Jeden z neutrónov (n) v jadre sa zmení na protón (p). V tomto prípade sa emituje elektrón (e-) a antineutríno (ṽ e) (pozri Neutrino, Antihmota). Toto je β - rozpad.
A(Z,N) → A(Z+1,N-1) + e - + ṽ e
(n → р + e - + ṽ e),
kde A(Z,N) je označenie jadra s počtom protónov Z a neutrónov N. Náboj jadra sa zvýši o 1. Najjednoduchším typom zo všetkých typov β - rozpad je rozpad voľného neutrónu, ktorý je ťažší ako protón, a preto je nestabilný.
2. Protón obsiahnutý v jadre sa rozpadá na neutrón (N), pozitrón (e+) a neutríno (v e). Toto je β+ rozpad.
A(Z,N) → A(Z-1,N+1) + e + + v e
(p → рn + e + + v e).
Náboj v jadre sa zníži o 1. Proces môže prebiehať len v jadre; voľný protón sa týmto spôsobom nerozpadá.
3. Nakoniec jadro môže zachytiť najbližší atómový elektrón (elektrónový záchyt) a zmeniť sa na ďalšie jadro s 1 nábojom menším:
A(Z,N) + e - → A(Z-1,N+1) + v e
(p + e - → n + v e).
Častica β v tomto prípade nie je emitovaná.
Keď fyzici začali študovať beta rozpad, existencia neutrín (v e alebo ṽ e) s obrovskou penetračnou silou bola neznáma.
Záhadou, ktorej čelia experimentátori, je spojité energetické spektrum elektrónov emitovaných počas rozpadu p. V tomto procese tvorí dcérske jadro zanedbateľnú časť uvoľnenej energie. Všetko ide do elektrónu, a preto by všetky β-častice mali mať rovnakú energiu E 0 . A experimentálne bol pozorovaný nasledujúci obrázok: boli emitované elektróny akejkoľvek energie, až do maximálnej možnej - E 0 .
Fyzici sa domnievajú, že na vine je zdroj: p častice strácajú energiu, keď prechádzajú jeho materiálom. Na overenie tejto hypotézy vykonalo niekoľko skupín experimentátorov kalorimetrické experimenty. Urobili toto: rádioaktívny zdroj umiestnili do kalorimetra s takými hrubými stenami, že β-častice v nich boli úplne absorbované. To umožnilo zmerať všetku energiu uvoľnenú za určitý čas.
Potom sme vypočítali energiu na beta časticu. Experimentátori očakávali, že sa bude blížiť E 0 , no zakaždým dostali hodnotu približne 2-krát menšiu.
Švajčiarsky teoretický fyzik W. Pauli našiel východisko zo situácie. Navrhol, že počas beta rozpadu sa emituje častica, ktorá má neporovnateľne väčšiu penetračnú silu ako elektróny. Steny kalorimetra ho nedokážu obsiahnuť a časť energie odnáša. Takto sa zrodila myšlienka neutrín.
Teóriu β-rozpadu vytvoril v roku 1934 taliansky fyzik E. Fermi. Vedec v ňom naznačil, že elektróny a neutrína sa rodia v momente rozpadu nukleónu v jadre. Do teórie zaviedol konštantu G, ktorá hrala pre β-rozpad rovnakú úlohu ako náboj e pre elektromagnetické procesy a na základe experimentálnych údajov vypočítal jej hodnotu. Fermiho teória umožnila vypočítať tvar p-spektier a dať do súvisu hraničnú energiu rozpadu E 0 s dobou života rádioaktívneho jadra. Neutríno v tejto teórii malo náboj rovný nule a nulovej hmotnosti (v každom prípade mv~< m e).
V priebehu ďalších rokov sa snažili teóriu upraviť, doplniť a skomplikovať, keďže sa zdala byť príliš jednoduchá a nepopisovala všetky experimentálne údaje. Prešlo niekoľko desaťročí, kým sa fyzici presvedčili, že všetky tieto dodatky sú založené na chybných experimentoch a že cesta, ktorú zvolil Fermi, bola správna. Teraz zavedená teória zjednotených slabých a elektromagnetických interakcií ju zahŕňa ako prvú aproximáciu (pozri Parita, Neutrína, Slabé interakcie).
Uvedieme niekoľko údajov o beta rozpade jadier.
Hraničná energia β-častíc (E 0) je od niekoľkých KeV do - 17 MeV.
Životnosť jadier vo vzťahu k β-rozpadu je od 1,3x10 -2 s do ~2x1013 rokov.
Rozsah β-častíc v ľahkých látkach je niekoľko centimetrov. Strácajú energiu na ionizáciu a excitáciu atómov.
Toto je schopnosť jadier atómov rôznych chemických prvkov byť zničená, modifikovaná emisiou atómových a subatomárnych častíc vysokých energií. Pri rádioaktívnych premenách sa v drvivej väčšine prípadov atómové jadrá (a teda aj samotné atómy) niektorých chemických prvkov premenia na atómové jadrá (atómy) iných chemických prvkov, prípadne sa jeden izotop chemického prvku premení na iný. izotop toho istého prvku.
Atómy, ktorých jadrá podliehajú rádioaktívnemu rozpadu alebo iným rádioaktívnym premenám, sa nazývajú rádioaktívne.
(z gréckych slovisos – „rovnaké, rovnaké“ atopos - "miesto")
Ide o nuklidy jedného chemického prvku, t.j. odrody atómov konkrétneho prvku, ktoré majú rovnaké atómové číslo, ale rôzne hmotnostné čísla.
Izotopy majú jadrá s rovnakým počtom protónov a rôznym počtom neutrónov a zaberajú rovnaké miesto v periodickej tabuľke chemických prvkov. Existujú stabilné izotopy, ktoré existujú bez zmeny na neurčito, a nestabilné (rádioizotopy), ktoré sa časom rozpadajú.
Známyasi 280 stabilných Aviac ako 2000 rádioaktívnych izotopy116 prírodných a umelo získaných prvkov .
Nuklid (z latinčinyjadro – „jadro“) je súbor atómov s určitými hodnotami jadrového náboja a hmotnostného čísla.
Nuklidové symboly:, KdeX – písmenové označenie prvku,Z – počet protónov (atómové číslo ), A – súčet počtu protónov a neutrónov (hromadné číslo ).
Dokonca aj úplne prvý a najľahší atóm v periodickej tabuľke, vodík, ktorý má vo svojom jadre iba jeden protón (a jeden elektrón obieha okolo neho), má tri izotopy.
Môžu byť prirodzené, spontánne (spontánne) a umelé. Spontánne rádioaktívne premeny sú náhodný, štatistický proces.
Všetky rádioaktívne premeny sú zvyčajne sprevádzané uvoľnením prebytočnej energie z jadra atómu vo forme elektromagnetická radiácia.
Gama žiarenie je prúd gama kvánt s vysokou energiou a prenikavou silou.
Röntgenové lúče sú tiež prúdom fotónov – zvyčajne s nižšou energiou. Len „rodiskom“ röntgenového žiarenia nie je jadro, ale elektrónové obaly. Hlavný tok röntgenového žiarenia sa vyskytuje v látke, keď cez ňu prechádzajú „rádioaktívne častice“ („rádioaktívne žiarenie“ alebo „ionizujúce žiarenie“).
Hlavné typy rádioaktívnych premien:
Toto je emisia, vyvrhovanie obrovskými rýchlosťami z jadier atómov „elementárnych“ (atómových, subatomárnych) častíc, ktoré sa bežne nazývajú rádioaktívne (ionizujúce) žiarenie.
Keď sa jeden izotop daného chemického prvku rozpadne, zmení sa na iný izotop toho istého prvku.
Pre prirodzené(prírodných) rádionuklidov sú hlavné typy rádioaktívneho rozpadu alfa a beta mínus rozpad.
tituly " alfa"A" beta“, ktoré dal Ernest Rutherford v roku 1900 pri štúdiu rádioaktívneho žiarenia.
Pre umelé(umelé) rádionuklidy sa okrem toho vyznačujú aj neutrónovými, protónovými, pozitrónovými (beta-plus) a zriedkavejšími typmi rozpadu a jadrových premien (mezonic, K-záchyt, izomérny prechod atď.).
Ide o emisiu častice alfa z jadra atómu, ktoré pozostáva z 2 protónov a 2 neutrónov.
Alfa častica má hmotnosť 4 jednotky, náboj +2 a je jadrom atómu hélia (4He).
V dôsledku emisie častice alfa vzniká nový prvok, ktorý sa nachádza v periodickej tabuľke 2 bunky vľavo, keďže počet protónov v jadre, a teda aj náboj jadra a počet prvkov, sa zmenšil o dve jednotky. A hmotnosť výsledného izotopu sa ukáže byť o 4 jednotky menej.
A alfa – kaz- ide o charakteristický typ rádioaktívneho rozpadu pre prírodné rádioaktívne prvky šiestej a siedmej periódy tabuľky D.I. Mendelejeva (urán, tórium a produkty ich rozpadu až po bizmut vrátane) a najmä pre umelé – transuránové – prvky.
To znamená, že jednotlivé izotopy všetkých ťažkých prvkov, počnúc bizmutom, sú náchylné na tento typ rozpadu.
Takže napríklad pri alfa rozpade uránu vždy vzniká tórium, pri alfa rozpade tória vždy vzniká rádium, pri rozpade rádia vždy vzniká radón, potom polónium a nakoniec olovo. V tomto prípade zo špecifického izotopu uránu-238 vzniká tórium-234, potom rádium-230, radón-226 atď.
Rýchlosť alfa častice pri opustení jadra je od 12 do 20 tisíc km/s.
Beta rozpad- najbežnejší typ rádioaktívneho rozpadu (a rádioaktívnych premien všeobecne), najmä medzi umelými rádionuklidmi.
Každý chemický prvok existuje aspoň jeden beta-aktívny izotop, to znamená, že podlieha rozpadu beta.
Príkladom prírodného beta-aktívneho rádionuklidu je draslík-40 (T1/2=1,3×109 rokov), prírodná zmes izotopov draslíka obsahuje len 0,0119 %.
Významnými prírodnými beta-aktívnymi rádionuklidmi sú okrem K-40 aj všetky produkty rozpadu uránu a tória, t.j. všetky prvky od tália po urán.
Beta rozpad zahŕňa také typy rádioaktívnych premien ako:
– beta mínus rozpad;
– beta plus rozpad;
– K-capture (elektronické zachytenie).
Beta mínus rozpad– ide o emisiu beta mínus častice z jadra – elektrón , ktorý vznikol v dôsledku samovoľnej premeny jedného z neutrónov na protón a elektrón.
Zároveň beta častica pri rýchlostiach do 270 tisíc km/s(9/10 rýchlosti svetla) vyletí z jadra. A keďže je v jadre o jeden protón viac, jadro tohto prvku sa zmení na jadro susedného prvku vpravo – s vyšším číslom.
Počas beta-mínus rozpadu sa rádioaktívny draslík-40 premení na stabilný vápnik-40 (v ďalšej bunke vpravo). A rádioaktívny vápnik-47 sa mení na skandium-47 (tiež rádioaktívne) napravo od neho, ktoré sa zase mení na stabilný titán-47 prostredníctvom beta-mínus rozpadu.
Beta plus rozpad– emisia beta-plus častíc z jadra – pozitrón (kladne nabitý „elektrón“), ktorý vznikol ako výsledok spontánnej premeny jedného z protónov na neutrón a pozitrón.
V dôsledku toho (keďže je tu menej protónov) sa tento prvok zmení na prvok vedľa neho vľavo v periodickej tabuľke.
Napríklad počas beta-plus rozpadu sa rádioaktívny izotop horčíka, horčík-23, zmení na stabilný izotop sodíka (vľavo) - sodík-23 a rádioaktívny izotop európia - európium-150 sa zmení na stabilný izotop. izotop samária - samárium-150.
– emisia neutrónu z jadra atómu. Charakteristika nuklidov umelého pôvodu.
Pri emisii neutrónu sa jeden izotop daného chemického prvku premení na iný s menšou hmotnosťou. Napríklad počas rozpadu neutrónov sa rádioaktívny izotop lítia, lítium-9, mení na lítium-8, rádioaktívne hélium-5 na stabilné hélium-4.
Ak je stabilný izotop jódu - jód-127 - ožiarený gama lúčmi, potom sa stane rádioaktívnym, vyžaruje neutrón a zmení sa na iný, tiež rádioaktívny izotop - jód-126. To je príklad umelého rozpadu neutrónov .
V dôsledku rádioaktívnych premien sa môžu vytvárať izotopy iných chemických prvkov alebo toho istého prvku, ktorý môžu byť samotné rádioaktívne prvkov.
Tie. rozpad určitého počiatočného rádioaktívneho izotopu môže viesť k určitému počtu po sebe nasledujúcich rádioaktívnych premien rôznych izotopov rôznych chemických prvkov, pričom vzniká tzv. „rozpadové reťazce“.
Napríklad tórium-234, ktoré vzniklo počas alfa rozpadu uránu-238, sa mení na protaktínium-234, ktoré sa zase premení späť na urán, ale na iný izotop - urán-234.
Všetky tieto prechody alfa a beta mínus končia vytvorením stabilného olova-206. A urán-234 prechádza alfa rozpadom - opäť na tórium (tórium-230). Ďalej tórium-230 rozpadom alfa - na rádium-226, rádium - na radón.
Je to spontánne alebo pod vplyvom neutrónov, štiepenie jadra atóm na 2 približne rovnaké časti, na dva „črepiny“.
Pri delení vyletujú 2-3 neutróny navyše a uvoľňuje sa prebytok energie vo forme gama kvánt, oveľa väčší ako pri rádioaktívnom rozpade.
Ak na jeden akt rádioaktívneho rozpadu pripadá obyčajne jedno gama žiarenie, tak na 1 akt štiepenia pripadá 8 -10 gama kvánt!
Letiace úlomky majú navyše vysokú kinetickú energiu (rýchlosť), ktorá sa mení na tepelnú energiu.
Odišla neutróny môžu spôsobiť štiepenie dve alebo tri podobné jadrá, ak sú v blízkosti a ak ich zasiahnu neutróny.
Tak je možné realizovať vetvenie, zrýchlenie štiepna reťazová reakcia atómové jadrá uvoľňujú obrovské množstvo energie.
Ak sa reťazová reakcia nechá nekontrolovateľne rozvinúť, dôjde k atómovému (jadrovému) výbuchu.
Ak je reťazová reakcia držaná pod kontrolou, jej vývoj je riadený, nie je dovolené zrýchľovať a neustále odťahovať uvoľnená energia(teplo), potom táto energia (“ atómová energia") možno použiť na výrobu elektriny. Deje sa tak v jadrových reaktoroch a jadrových elektrárňach.
Polovičný život (T1/2 ) – čas, za ktorý sa rozpadne polovica rádioaktívnych atómov a ich množstvo sa zníži 2 krát.
Polčasy všetkých rádionuklidov sú rôzne – od zlomkov sekúnd (krátkodobé rádionuklidy) až po miliardy rokov (dlhoveké).
Aktivita– ide o počet rozpadových udalostí (vo všeobecnosti rádioaktívnych, jadrových premien) za jednotku času (zvyčajne za sekundu). Jednotkami aktivity sú becquerel a curie.
Becquerel (Bq)– ide o jeden rozpad za sekundu (1 rozpad/s).
Curie (Ci)– 3,7 × 1010 Bq (disp./s).
Jednotka vznikla historicky: 1 gram rádia-226 v rovnováhe so svojimi dcérskymi produktmi rozpadu má takúto aktivitu. Práve s rádiom 226 pracovali dlhé roky laureáti Nobelovej ceny, francúzski vedeckí manželia Pierre Curie a Marie Sklodowska-Curie.
Zákon rádioaktívneho rozpadu
Zmena aktivity nuklidu v zdroji v priebehu času závisí od polčasu rozpadu daného nuklidu podľa exponenciálneho zákona:
AA(t) = AA (0) × exp(-0,693 t/T1/2 ),
Kde AA(0) – počiatočná aktivita nuklidu;
AA(t) – aktivita po čase t;
T1/2 – polčas rozpadu nuklidu.
Vzťah medzi hmotnosťou rádionuklid(bez zohľadnenia hmotnosti neaktívneho izotopu) a jeho činnosť vyjadruje nasledujúci vzťah:
Kde mA– hmotnosť rádionuklidu, g;
T1/2 – polčas rozpadu rádionuklidu, s;
AA– rádionuklidová aktivita, Bq;
A– atómová hmotnosť rádionuklidu.
Penetračná sila rádioaktívneho žiarenia.
Rozsah častíc alfa závisí od počiatočnej energie a zvyčajne sa pohybuje od 3 do 7 (zriedkavo až 13) cm vo vzduchu av hustých médiách sú to stotiny mm (v skle - 0,04 mm).
Alfa žiarenie neprenikne listom papiera ani ľudskou pokožkou. Častice alfa majú vďaka svojej hmotnosti a náboju najväčšiu ionizačnú schopnosť, ničia všetko, čo im stojí v ceste, preto sú alfa-aktívne rádionuklidy pri požití najnebezpečnejšie pre ľudí a zvieratá.
Rozsah beta častíc v látke kvôli jej nízkej hmotnosti (~ 7000-krát
Menšia ako hmotnosť častice alfa), náboj a veľkosť sú oveľa väčšie. V tomto prípade dráha beta častice v hmote nie je lineárna. Penetrácia je tiež závislá od energie.
Schopnosť prieniku beta častíc vznikajúcich pri rádioaktívnom rozpade je vo vzduchu dosahuje 2÷3 m, vo vode a iných kvapalinách sa meria v centimetroch, v pevných látkach - v zlomkoch cm.
Beta žiarenie preniká do telesného tkaniva do hĺbky 1÷2 cm.
Faktor útlmu pre n- a gama žiarenie.
Najprenikavejšie typy žiarenia sú neutrónové a gama žiarenie. Ich dosah vo vzduchu môže dosiahnuť desiatky a stovky metrov(tiež v závislosti od energie), ale s menšou ionizačnou silou.
Ako ochrana pred n- a gama žiarením sa používajú hrubé vrstvy betónu, olova, ocele a pod., a to hovoríme o faktore útlmu.
Vo vzťahu k izotopu kobaltu-60 (E = 1,17 a 1,33 MeV) je pre 10-násobné zoslabenie gama žiarenia potrebná ochrana pred:
Pre 100-násobné zoslabenie gama žiarenia je potrebné olovené tienenie s hrúbkou 9,5 cm; betón – 55 cm; voda - 115 cm.
Dávka (z gréčtiny - „podiel, porcia“) ožarovanie.
Expozičná dávka(pre RTG a gama žiarenie) – určuje sa ionizáciou vzduchu.
jednotka merania SI – „coulomb na kg“ (C/kg)- ide o expozičnú dávku röntgenového alebo gama žiarenia, keď sa vytvorí v 1 kg suchý vzduch, vzniká náboj iónov rovnakého znamienka, rovný 1 Cl.
Nesystémová jednotka merania je "röntgen".
1 R = 2,58× 10 -4 Kl/kg.
A-priorstvo 1 röntgen (1P)– je to expozičná dávka, pri ktorej absorpcii 1 cm3 vzniká suchý vzduch 2,08 × 10 9 iónové páry.
Vzťah medzi týmito dvoma jednotkami je nasledujúci:
1 C/kg = 3,68.103 R.
Expozičná dávka 1Р zodpovedá absorbovanej dávke vo vzduchu 0,88 rad.
Absorbovaná dávka– energia ionizujúceho žiarenia absorbovaná jednotkovou hmotnosťou hmoty.
Energia žiarenia odovzdaná látke sa chápe ako rozdiel medzi celkovou kinetickou energiou všetkých častíc a fotónov vstupujúcich do uvažovaného objemu hmoty a celkovou kinetickou energiou všetkých častíc a fotónov opúšťajúcich tento objem. Preto absorbovaná dávka berie do úvahy všetku energiu ionizujúceho žiarenia, ktorá zostala v tomto objeme, bez ohľadu na to, ako sa táto energia spotrebuje.
Absorbované dávkové jednotky:
šedá (gr)– jednotka absorbovanej dávky v sústave jednotiek SI. Zodpovedá 1 J energie žiarenia absorbovanej 1 kg látky.
Som rád- extrasystémová jednotka absorbovanej dávky. Zodpovedá energii žiarenia 100 erg absorbovanej látkou s hmotnosťou 1 gram.
1 rad = 100 erg/g = 0,01 J/kg = 0,01 Gy.
Biologický účinok pri rovnakej absorbovanej dávke je rozdielny pre rôzne druhy žiarenia.
Napríklad s rovnakou absorbovanou dávkou alfa žiarenia ukazuje sa oveľa nebezpečnejšie ako fotónové alebo beta žiarenie. Je to spôsobené tým, že alfa častice vytvárajú pozdĺž svojej dráhy v biologickom tkanive hustejšiu ionizáciu, čím sústreďujú škodlivé účinky na organizmus do konkrétneho orgánu. V tomto prípade celé telo zažíva oveľa väčší inhibičný účinok žiarenia.
V dôsledku toho na vytvorenie rovnakého biologického účinku pri ožiarení ťažkými nabitými časticami je potrebná nižšia absorbovaná dávka ako pri ožiarení ľahkými časticami alebo fotónmi.
Ekvivalentná dávka– súčin absorbovanej dávky a faktora kvality žiarenia.
Ekvivalentné dávkové jednotky:
sievert(Sv) je jednotka merania dávkového ekvivalentu, akéhokoľvek typu žiarenia, ktoré má rovnaký biologický účinok ako absorbovaná dávka 1 Gy
teda 1 Sv = 1 J/kg.
Holý(nesystémová jednotka) je množstvo absorbovanej energie ionizujúceho žiarenia 1 kg biologické tkanivo, v ktorom sa pozoruje rovnaký biologický účinok ako pri absorbovanej dávke 1 rad Röntgenové alebo gama žiarenie.
1 rem = 0,01 Sv = 100 erg/g.
Názov „rem“ je vytvorený z prvých písmen frázy „biologický ekvivalent röntgenového žiarenia“.
Až donedávna pri výpočte ekvivalentnej dávky „ faktory kvality žiarenia » (K) – korekčné faktory, ktoré zohľadňujú rôzne účinky rôznych žiarení na biologické objekty (rôzne schopnosti poškodzovať telesné tkanivá) pri rovnakej absorbovanej dávke.
Teraz sa tieto koeficienty v normách radiačnej bezpečnosti (NRB-99) nazývajú „vážiace koeficienty pre jednotlivé typy žiarenia pri výpočte ekvivalentnej dávky (WR).
Ich hodnoty sú:
Efektívna ekvivalentná dávka– ekvivalentná dávka vypočítaná s prihliadnutím na rôznu citlivosť rôznych telesných tkanív na žiarenie; rovná ekvivalentná dávka získané konkrétnym orgánom, tkanivom (berúc do úvahy ich hmotnosť), vynásobeny zodpovedajúce " koeficient radiačného rizika ».
Tieto koeficienty sa používajú v radiačnej ochrane na zohľadnenie rozdielnej citlivosti rôznych orgánov a tkanív pri výskyte stochastických účinkov vystavenia žiareniu.
V NRB-99 sa nazývajú „koeficienty váženia pre tkanivá a orgány pri výpočte efektívnej dávky“.
Pre telo ako celok tento koeficient sa berie ako rovný 1 a pre niektoré orgány má tento význam:
Ak chcete zhodnotiť plnú efektívne ekvivalentná dávka prijatá osobou, vypočítajú sa a spočítajú sa indikované dávky pre všetky orgány.
Na meranie ekvivalentných a efektívnych ekvivalentných dávok systém SI používa rovnakú jednotku - sievert(Sv).
1 Sv rovná ekvivalentnej dávke, pri ktorej je súčin absorbovanej dávky v Gr eyah (v biologickom tkanive) podľa váhových koeficientov sa bude rovnať 1 J/kg.
Inými slovami, toto je absorbovaná dávka, pri ktorej 1 kg látky uvoľňujú energiu do 1 J.
Nesystémovou jednotkou je rem.
Vzťah medzi jednotkami merania:
1 Sv = 1 Gy * K = 1 J/kg * K = 100 rad * K = 100 rem
O K = 1(pre röntgenové žiarenie, gama, beta žiarenie, elektróny a pozitróny) 1 Sv zodpovedá absorbovanej dávke v 1 Gy:
1 Sv = 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad = 100 rem.
Už v 50-tych rokoch sa zistilo, že pri expozičnej dávke 1 röntgen absorbuje vzduch približne rovnaké množstvo energie ako biologické tkanivo.
Preto sa ukazuje, že pri odhade dávok môžeme predpokladať (s minimálnou chybou), že expozičná dávka 1 röntgen pre biologické tkanivo zodpovedá(ekvivalent) absorbovaná dávka 1 rad A ekvivalentná dávka 1 rem(pri K=1), teda zhruba povedané, 1 R, 1 rad a 1 rem sú to isté.
Pri expozičnej dávke 12 μR/hod za rok dostávame dávku 1 mSv.
Okrem toho sa na posúdenie vplyvu AI používajú tieto koncepty:
Dávkový príkon– dávka prijatá za jednotku času (sekunda, hodina).
Pozadie– dávkový príkon ionizujúceho žiarenia v danom mieste.
Prírodné pozadie– dávkový príkon ionizujúceho žiarenia vytvorený všetkými prírodnými zdrojmi žiarenia.
1. Prírodné rádionuklidy, ktoré prežili do našej doby od momentu svojho vzniku (možno od doby vzniku Slnečnej sústavy alebo Vesmíru), keďže majú dlhé polčasy rozpadu, čo znamená dlhú životnosť.
2.Rádionuklidy fragmentačného pôvodu, ktoré vznikajú v dôsledku štiepenia atómových jadier. Vznikajú v jadrových reaktoroch, v ktorých prebieha riadená reťazová reakcia, ako aj pri testovaní jadrových zbraní (nekontrolovaná reťazová reakcia).
3. Rádionuklidy aktivačného pôvodu vznikajú z obyčajných stabilných izotopov v dôsledku aktivácie, to znamená, keď subatomárna častica (zvyčajne neutrón) vstúpi do jadra stabilného atómu, v dôsledku čoho sa stabilný atóm stane rádioaktívnym. Získavajú sa aktiváciou stabilných izotopov umiestnením do jadra reaktora alebo bombardovaním stabilného izotopu v urýchľovačoch častíc protónmi, elektrónmi atď.
Zdroje AI nachádzajú uplatnenie v priemysle, poľnohospodárstve, vedeckom výskume a medicíne. Len v medicíne sa približne sto izotopov používa na rôzne lekárske výskumy, diagnostiku, sterilizáciu a rádioterapiu.
Mnoho laboratórií na celom svete používa rádioaktívne materiály na vedecký výskum. Termoelektrické generátory na báze rádioizotopov sa používajú na výrobu elektriny pre autonómne napájanie rôznych zariadení v odľahlých a ťažko dostupných oblastiach (rádiové a svetelné majáky, meteostanice).
Všade v priemysle sa používajú prístroje obsahujúce rádioaktívne žiariče na monitorovanie technologických procesov (hustomery, hladinomery a hrúbkomery), prístroje na nedeštruktívne testovanie (gama defektoskopy) a prístroje na analýzu zloženia látok. Žiarenie sa používa na zvýšenie veľkosti a kvality plodín.
Rádioaktívne častice, ktoré majú obrovskú energiu a rýchlosť, pri prechode akoukoľvek látkou sa zrážajú s atómami a molekulami tejto látky a viesť k ich zničenie ionizácia k tvorbe „horúcich“ iónov a voľných radikálov.
Od biologického Ľudské tkanivo tvorí 70% vody, potom do značnej miery Ide o vodu, ktorá podlieha ionizácii. Ióny a voľné radikály tvoria zlúčeniny škodlivé pre telo, ktoré spúšťajú celý reťazec sekvenčných biochemických reakcií a postupne vedú k deštrukcii bunkových membrán (bunkových stien a iných štruktúr).
Žiarenie ovplyvňuje ľudí rôzne v závislosti od pohlavia a veku, stavu tela, jeho imunitného systému atď., ale obzvlášť silne na dojčatá, deti a dospievajúcich. Pri vystavení žiareniu skryté (inkubačné, latentné) obdobie, to znamená, že čas oneskorenia pred nástupom viditeľného účinku môže trvať roky alebo dokonca desaťročia.
Vplyv žiarenia na ľudské telo a biologické objekty spôsobuje tri rôzne negatívne účinky:
Súvisiace materiály
Beta rozpad je spontánna premena jadra (A,Z) na jadro izobary (A,Z +
1) v dôsledku emisie leptónov (elektrón a antineutrína, pozitrónu a neutrína) alebo absorpcie elektrónu s emisiou neutrín (e-capture).
Počas procesu rozpadu sa uvoľňuje energia
kde M at - hmotnosti atómov. (Tu sme zanedbali rozdiel vo väzbových energiách elektrónov v počiatočnom a koncovom atóme.) Energiu uvoľnenú v dôsledku β-rozpadu odnášajú najmä ľahké častice - leptóny (elektrón, elektrónové antineutríno, pozitrón, elektrónové neutríno) .
Energie β-rozpadu sa pohybujú od 0,02 MeV
3 H → 3 He + e − + e + 0,02 MeV
11 Li → 11 Be + e − + e + 20,4 MeV
Polčasy sa tiež líšia v širokom rozmedzí od 10 -3 s do 10 16 rokov. Dlhá životnosť β-rádioaktívnych jadier sa vysvetľuje skutočnosťou, že β rozpad nastáva v dôsledku slabej interakcie.
Jadrá, ktoré podliehajú beta rozpadu, sa nachádzajú v celej periodickej tabuľke prvkov. Z Weizsäckerovho vzorca pre jadrovú väzbovú energiu
Pretože A = N + Z, vzorec (2) určuje vzťah medzi počtom protónov Z a neutrónov N pre jadrá údolia stability. Na Z< Z равн
ядро нестабильно к β - -распаду, а при Z >Z sa rovná β+ -rozpadu a E-záchytu. Pre všetky A, β-stabilné jadrá by sa mali zhlukovať okolo hodnôt Z rovnakých. Z (2) je zrejmé, že pre malé A sa Z rovná ~
A/2 t.j. stabilné ľahké jadrá by mali mať približne rovnaký počet protónov a neutrónov (úloha Coulombovej energie je malá). Ako sa A zvyšuje, zvyšuje sa úloha Coulombovej energie a počet neutrónov v stabilných jadrách začína prevyšovať počet protónov. Ľavá strana obr. 1 znázorňuje hmotnostnú parabolu pre jadrá s nepárnym A = 125. Stabilné jadro 125 Te je na minime hmotnostnej paraboly (resp. na maxime paraboly pre väzbovú energiu). 125 In, 125 Sn, 125 Sb podliehajú β - rozpadu, 125 I, 125 Xe, 125 Cs, 125 Ba - β + rozpadu. Čím väčšia je energia beta rozpadu jadier (rozdiel hmotnosti medzi susednými izobarami), tým sú ďalej od čiary stability.
Pre párne A sa namiesto jednej paraboly v dôsledku párovej energie (posledný člen vo vzorci (1)) získajú dve paraboly (pravá strana obr. 1): pre nepárne-nepárne jadrá a pre párne-párne jadrá. . Napriek tomu, že párovacia energia je malá v porovnaní s celkovou väzbovou energiou jadra (pre jadrá s A ~ 100 je väzbová energia asi 1000 MeV, vzdialenosť medzi parabolami je asi 2 MeV), vedie to k dôležitým dôsledkom. Niektoré nepárne-nepárne jadrá (napríklad 128I) môžu zažiť β - rozpad aj β + rozpad a e-záchyt. Existujú podstatne stabilnejšie párne-párne jadrá ako stabilné jadrá s nepárnym A a ešte viac ako stabilné nepárne-nepárne jadrá, z ktorých sú len štyri (2 H, 6 Li, 10 B, 14 N). Pre dané A môže existovať niekoľko stabilných párnych-párnych jadier (napríklad 136 Xe, 136 Ba, 136 Ce). Prvky s nepárnym Z majú zriedkavo viac ako jeden stabilný izotop, zatiaľ čo u prvkov s párnym Z to nie je nezvyčajné (112 Sn, 114 Sn, 115 Sn, 116 Sn, 117 Sn, 118 Sn, 119 Sn, 120 Sn, 122 Sn , 124 Sn). V niektorých prípadoch, keď je beta rozpad na nepárne-nepárne jadro pre párne-párne jadrá nemožný, sa prechod so zmenou Z o dve jednotky ukazuje ako energeticky možný - dvojitý beta rozpad. 128 Te a 130 Te prechádzajú takýmto exotickým rozkladom. Ich obsah v prírodnej zmesi tohto prvku je 31,7 % a 33,8 %. Pravdepodobnosť dvojitého beta rozpadu je veľmi malá, polčasy T 1/2 (128 Te) = 7,7 10 28 rokov,
T 1/2 (130 Te) = 2,7·10 21 rokov.
V dôsledku beta rozpadu vznikajú tri častice: konečné jadro a pár leptónov. Energia odovzdaná jadru vďaka jeho veľkej hmotnosti je malá a možno ju zanedbať. Preto je kinetická energia uvoľnená počas beta rozpadu takmer úplne odnesená párom leptónov a rozdelenie energie medzi nimi môže byť ľubovoľné. Energetické spektrum pozitrónov (elektrónov) a neutrín (antineutrín) teda musí byť spojité v rozsahu od 0 do Q b (pozri obr. 2).
V prípade záchytu orbitálneho elektrónu jadrom vznikajú dva produkty: konečné jadro a neutríno. Rozloženie energie medzi nimi je teda jednoznačné a takmer všetku ju odnášajú neutrína. Spektrum neutrín počas e-záchytu pre fixné stavy počiatočného a konečného jadra bude teda monochromatické, na rozdiel od beta rozpadu. Elektronické zachytenie zahŕňa najmä elektróny obalov, ktoré sú najbližšie k jadru (predovšetkým obal K) Pre takéto elektróny je najväčšia pravdepodobnosť, že budú vo vnútri jadra.
Charakteristickým znakom všetkých typov beta rozpadu je účasť neutrín alebo antineutrín. Prvýkrát hypotézu o existencii neutrín predložil Pauli v roku 1930, aby „zachránil“ zákony zachovania energie a momentu hybnosti. Spojitý charakter spektra elektrónov (pozitrónov) nebolo možné vysvetliť bez opustenia zákona zachovania energie. Neutrínová hypotéza umožnila neopustiť takýto základný princíp. Prešlo veľa rokov, kým sa Cowenovi a Reinesovi podarilo odhaliť elektrónové antineutríno.
K rozpadu beta dochádza v dôsledku slabých interakcií. Na obr. Obrázok 3 ukazuje Feynmanov diagram pre β - -rozpad. Na úrovni kvarku dochádza k rozpadu beta, keď sa d-kvark transformuje na u-kvark alebo naopak. Na úrovni nukleónov to zodpovedá prechodom neutrónu na protón alebo protónu na neutrón. Navyše, ak sa neutrón môže premeniť na protón vo voľnom stave, potom je spätný prechod možný len pre protóny v jadre.
Beta rozpady sa delia na povolené a zakázané, pričom sa líšia pravdepodobnosťou prechodu. Povolené prechody zahŕňajú prechody, pri ktorých sa celková orbitálna hybnosť l unášaná elektrónom a neutrínom rovná nule. Zakázané prechody sa delia podľa poradia zákazu, ktoré je určené orbitálnou hybnosťou l. Ak l = 1, potom ide o zakázaný prechod prvého rádu, l min = 2 - druhého rádu atď. Všetky ostatné veci sú rovnaké, pomer pravdepodobnosti odchodu častice s orbitálnymi uhlovými momentmi l = 0 (w 0) a l ≠0 (w l)
w l / w 0 ~ (R/) 2l, |
kde R je polomer jadra a je vlnová dĺžka.
Beta rozpady sa delia aj na prechody typu Fermi, pri ktorých sú spiny emitovaných leptónov antiparalelné, a typu Gamow–Teller, pri ktorých sú spiny emitovaných leptónov paralelné.
Ako možno pochopiť takú silnú závislosť pravdepodobnosti beta prechodov od orbitálneho momentu hybnosti unikajúcich leptónov?
Častica s hybnosťou p a parametrom nárazu b narazí na jadro s polomerom R. Klasický moment hybnosti pb sa rovná orbitálnej hybnosti
Odhadnime, pri akej l podmienke (5) je splnená. Polomery aj tých najťažších jadier sú menšie ako 10 fm. Pre odhad nastavme polomer na 10 fm a energiu beta rozpadu na 20 MeV. Potom pre elektróny môžeme použiť ultrarelativistickú aproximáciu a prepísať (5) do tvaru
Z (7) je zrejmé, že orbitálna hybnosť leptónov emitovaných počas beta rozpadu môže byť nulová iba v semiklasickej analýze a prechody s l ≠0 sú zakázané. Kvantové vlastnosti častíc však spôsobujú, že k takýmto zakázaným prechodom dochádza, hoci sú značne potlačené. Navyše, čím menší je pomer R/, tým je silnejší. Pravdepodobnosť beta prechodu je úmerná (R/) 2l. Keďže počas beta rozpadu R<< и более того
R + а << ,
где a - ширина кулоновского барьера, он практически не влияет на вероятность
бета-распада, так как образовавшиеся электроны (позитроны) сразу имеют ненулевую
вероятность нахождения вне ядра. Влияние кулоновских сил сводится к тому, что
вылетевшие электроны тормозятся, а позитроны ускоряются кулоновским полем ядра,
что приводит к изменению формы их спектров.
Základy teórie slabých interakcií a β-rozpadu položil Fermi v roku 1934. Do roku 1958 bola táto teória zovšeobecnená na univerzálnu štvorfermiónovú teóriu slabých interakcií, podľa ktorej je elementárny proces slabej interakcie lokálnou interakciou. zo štyroch fermiónov, t.j. častice s polovičnými rotáciami. V súčasnosti sú procesy slabých aj elektromagnetických interakcií vysvetlené v novej teórii – jednotnej teórii elektroslabých interakcií. Podľa tejto teórie k slabej interakcii dochádza prostredníctvom výmeny virtuálnych intermediárnych bozónov. Fermiho teória predpokladala, že interakcia, ktorá vedie k beta rozpadu, je malá v porovnaní s interakciou, ktorá tvorí stavy jadra. To umožnilo použiť poruchovú teóriu a zapísať pravdepodobnosť rozpadu za jednotku času vo forme (Fermiho zlaté pravidlo)
kde M fi je maticový prvok beta rozpadu, ρ f (E) je hustota konečných stavov.
 |
V fi je hamiltonián slabej interakcie, ψ i a ψ* f sú vlnové funkcie počiatočného a konečného stavu systému.
V počiatočnom stave je jadro opísané vlnovou funkciou i a v konečnom stave jadro, elektrón a antineutríno, opísané vlnovými funkciami φ f, φ e, φ ν. Za predpokladu, že konečné jadro, elektrón a antineutríno spolu neinteragujú, dostaneme pre vlnovú funkciu konečného stavu sústavy nasledujúci výraz: ψ f = φ f φ e φ ν .
V tomto prípade má maticový prvok beta rozpadu tvar
kde G F je Fermiho konštanta slabej interakcie.
Ak zanedbáme interakciu elektrónu a antineutrína s okolitými časticami, potom ako ich vlnové funkcie možno zvoliť rovinné vlny:
kde p a q sú elektrónové a neutrínové momenty. Zanedbajúc energiu spätného rázu jadra, píšeme
Qb = Te+, dQb = dTe = d,
kde T e a sú kinetické energie elektrónu a neutrína. Za predpokladu, že hmotnosť neutrína sa rovná nule, môžeme písať
kde T e je kinetická energia elektrónu. Rozdelenie počtu elektrónov v závislosti od ich energie má tvar:
opisujúci beta rozpad. Treba si uvedomiť, že beta spektrum je skreslené Coulombovým poľom atómu, ktoré pozostáva z poľa jadra a elektrónového obalu. Preto bol do výrazu (17) pridaný faktor F(T e ,Z), ktorý je definovaný ako pomer pravdepodobnosti nájdenia elektrónu v určitom bode pri zohľadnení atómového poľa (Z = 0) k pravdepodobnosť bez zohľadnenia poľa (Z = 0). Skreslenie vnesené do beta spektra Coulombovým poľom atómu je obzvlášť významné na začiatku spektra, teda pre častice s nízkou energiou. V tomto prípade sa ťažisko distribučnej krivky posúva smerom k nízkym energiám pre elektróny a vysokým energiám pre pozitróny (obr. 4). Tento posun je väčší, čím väčší je jadrový náboj.
Vzťah (17) sme získali za predpokladu, že hmotnosť neutrína = 0. V tomto prípade vo vysokoenergetickej časti elektrónového spektra dN e /dT e 0. Ak však 0 namiesto (15b) na konci r. elektrónové spektrum, keď je energia neutrín nízka, musíme napísať
Táto závislosť pravdepodobnosti od uvoľnenia energie je charakteristická nielen pre beta rozpad, ale aj pre iné slabé rozpady a je tzv. Sargentove pravidlá
.
Charakteristické hybnosti leptónov počas beta rozpadu sú také, že vzťah
teda k výrazu, ktorý závisí len od stavov počiatočného a koncového jadra a nezávisí od hybnosti leptónov. Tvar beta spektra je v tomto prípade určený iba hustotou konečných stavov. Toto sú povolené beta prechody. Ak je prvok matice = 0 in (18), potom musíte exponenciálu rozšíriť do radu podľa mocniny exponentu. Stupeň prvého členu tohto radu, ktorý má nenulový príspevok k prvku matice, určuje poradie zákazu prechodu. Zo vzťahu (22) vyplýva, že pravdepodobnosť β prechodu by mala klesnúť približne o 10 4 so zvýšením zákazu o 1.
Pri povolených prechodoch
Priesečník lineárnej funkcie f(T e) s osou x určuje energiu beta rozpadu - Q b.
Gamow-Tellerove prechody sa vo Fermiho teórii neberú do úvahy, pretože v nej je prvok matice (10) nahradený prvkom matice (11).Tieto prechody vznikajú len vtedy, keď sa do nich zavedú pojmy, ktoré menia spinové stavy častíc. slabá interakcia Hamiltonián V fi.
Pre povolené prechody je l = 0. V tomto prípade sú vlnové funkcie leptónov sféricky symetrické a preto sú leptóny emitované v rôznych smeroch s rovnakou pravdepodobnosťou. Pre zakázané prechody už vlnové funkcie leptónov nie sú sféricky symetrické, vďaka čomu je pravdepodobnosť ich úniku v niektorých smeroch značne potlačená.
Výberové pravidlá pre celkovú hybnosť a paritu v prípade beta rozpadu možno zapísať ako
