Внутри атомного ядра: сильное и слабое

Альфа-распад

Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4He).

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

ZAX→Z−2A−4Y+24He.{\displaystyle {}_{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow {}_{Z-2}^{A-4}{\textrm {Y}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

92238U→90234Th+24He.{\displaystyle {}_{92}^{238}{\textrm {U}}\rightarrow {}_{90}^{234}{\textrm {Th}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Приложения

Бета-частицы можно использовать для лечения таких заболеваний, как рак глаз и костей, а также в качестве индикаторов. Стронций-90 — это материал, наиболее часто используемый для производства бета-частиц.

Бета-частицы также используются при контроле качества для проверки толщины предмета, такого как бумага , проходящего через систему роликов. Часть бета-излучения поглощается при прохождении через продукт. Если изделие сделать слишком толстым или тонким, соответственно будет поглощаться другое количество излучения. Компьютерная программа, контролирующая качество производимой бумаги, затем перемещает ролики, чтобы изменить толщину конечного продукта.

Осветительное устройство, называемое бета-светом, содержит тритий и люминофор . Когда тритий распадается , он испускает бета-частицы; они ударяют по люминофору, заставляя люминофор испускать фотоны , как электронно-лучевая трубка в телевизоре. Освещение не требует внешнего источника энергии и будет продолжаться, пока существует тритий (а люминофоры сами по себе химически не изменяются); количество света производится упадет до половины своего первоначального значения в 12,32 лет, в период полураспада трития.

Бета-положительный (или позитронный ) распад изотопа радиоактивного индикатора является источником позитронов, используемых в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ-сканирование).

Радиоактивность природных элементов

Экспериментально установлено, что радиоактивны, то есть не имеют стабильных изотопов, все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута).

Все более лёгкие элементы, помимо стабильных изотопов, имеют радиоактивные изотопы с разными периодами полураспада, варьирующимися от долей наносекунды до значений, на много порядков превышающих возраст Вселенной. Например, теллур-128 имеет самый долгий измеренный период полураспада из всех изученных радионуклидов, ~2,2·1024 лет.

Исключение по нестабильности из элементов легче висмута составляют прометий и технеций, не имеющие долгоживущих относительно длительности геологических эпох изотопов. Наиболее долгоживущий изотоп технеция — технеций-98 — имеет период полураспада около 4,2 млн лет, а самый долгоживущий изотоп прометия — прометий-145 — 17,5 лет. Поэтому изотопы технеция и прометия со времени формирования Земли не сохранились в земной коре и получены искусственно.

Существует много природных радиоактивных изотопов, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли или многократно превышает его, поэтому, несмотря на их радиоактивность, эти изотопы содержатся в природной изотопной смеси соответствующих элементов. Примерами могут служить калий-40, рений-187, рубидий-87, теллур-128 и многие другие.

Измерение отношения концентраций некоторых из долгоживущих изотопов и продуктов их распада позволяет проводить абсолютную датировку минералов, горных пород и метеоритов в геологии.

Взаимодействие с материей

Когда бета-частицы проникают в материал, передача энергии материалу и ионизация происходят в приповерхностном слое, который соответствует глубине проникновения частиц.

Если проникающая частица является позитроном (β + частица), она очень скоро встретит электрон, то есть свою античастицу . Это приводит к , из которой возникают (в основном) два фотона в гамма-диапазоне .

Биологический эффект

Если человеческое тело подвергается воздействию бета-лучей извне, повреждаются только слои кожи. Однако могут быть сильные ожоги и, как следствие, долгосрочные последствия, например, рак кожи . Если глаза подвергаются воздействию радиации, хрусталик может помутнеть .

Если бета-излучатели поглощаются ( встраиваются ) в тело, в непосредственной близости от излучателя могут возникать высокие уровни излучения . Рак щитовидной железы хорошо документирован из-за радиоактивного йода- 131 ( 131 I), который накапливается в щитовидной железе . В литературе также высказываются опасения, что стронций- 90 ( 90 Sr) может привести к раку костей и лейкемии, поскольку стронций, как и кальций, накапливается в костях.

Радиационная защита

Бета-лучи можно хорошо экранировать поглотителем толщиной в несколько миллиметров (например, алюминиевым листом ) . Однако часть энергии бета-частиц преобразуется в тормозное рентгеновское излучение . Чтобы уменьшить эту пропорцию, экранирующий материал должен иметь как можно более легкие атомы , то есть иметь низкий атомный номер . За ним расположен второй поглотитель из тяжелого металла, который может экранировать тормозное излучение.

Максимальный диапазон β-частиц разной энергии в разных материалах

нуклид	энергия	воздуха	Оргстекло	стекло
187 Re	2,5 кэВ	1 см
3 H.	19 , 0 кэВ	8 см
14 С	156 , 0 кэВ	65 см
35 п.	167 , 0 кэВ	70 см
131 И.	600 , 0 кэВ	250 см	2,6 мм
32 P	1710 , 0 кэВ	710 см	7,2 мм	4 мм

Для β-излучателей может быть определен зависящий от материала максимальный диапазон , поскольку β-частицы отдают свою энергию (подобно альфа-частицам ) во многих одиночных столкновениях с атомными электронами; поэтому излучение не затухает экспоненциально, как гамма-излучение . Выбор защитных материалов основан на этих знаниях. Для некоторых широко используемых в исследованиях β-излучателей диапазоны значений в воздухе, оргстекле и стекле рассчитаны в таблице справа. Экран из оргстекла толщиной 1 см может обеспечить надежное экранирование при указанной энергии.

В случае β + излучения следует отметить, что частицы β + аннигилируют с электронами (см. Выше), в результате чего высвобождаются фотоны. Они имеют энергию около 511 кэВ (что соответствует массе электрона) и, следовательно, находятся в диапазоне гамма-излучения.

Разновидности излучения, свойства и характеристики

Ученые выделили 3 вида излучения:

• альфа-излучение (α) — поток ядер гелия (их называют альфа-частицами);
• бета-излучение (β) — поток электронов;
• гамма-излучение (γ) — электромагнитное излучение с большой проникающей способностью.

На основе излучения выделяют 3 основных типа радиоактивного распада:

• альфа-распад;
• бета-распад;
• гамма-распад, или изомерный переход.

Известны также распады с испусканием протонов (одного или двух), нейтрона и кластерная радиоактивность.

Процесс радиоактивного распада может быть продолжительным. Если дочернее ядро, полученное в результат радиоактивного распада, также является радиоактивным, то со временем и оно распадается. Так продолжается, пока не образуется стабильное нерадиоактивное ядро.

При этом некоторые изотопы могут одновременно испытывать более одного вида распада.

Альфа-распад 

Альфа-распад, т.е. поток положительно заряженных частиц, характерен для изотопов всех тяжелых элементов, начиная с висмута. 

Альфа-частицы покидают ядро со скоростью от 9400 до 23700 км/с. При этом в воздухе при нормальных условиях альфа-излучение способно преодолеть лишь расстояние от 2,5 до 7,5 см. 

Эффективно задержать радиоактивное излучение альфа-частиц можно несколькими десятками микрометров плотного вещества. К примеру, листом бумаги или даже ороговевшим слоем кожи — человеческим эпидермисом. Это делает его относительно безопасным для человека. 

Однако если источник альфа-излучения все же попадет в организм (например, в виде пыли), это может привести к серьезным последствиям. Альфа-частицы наносят примерно в 20 раз больше повреждений, чем бета- и гамма-частицы той же энергии. 

Рассмотрим правило смещения Содди для α-распада:

X ZA→Y Z-2A-4+H 24e

ПримерКак уже было описано ранее, процесс радиоактивного распада продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро. Рассмотрим такую цепочку на основе альфа-распада урана-238:

U 92238→α-распадT 90234h+H 24e→αR 88230a+H 24e→αR 86226n+H 24e→αP 84222o+H 24e→αP 82218b+H 24e

Бета-распад 

Бета-излучение как отрицательное излучение малой массы обладает большей проникающей способностью, нежели альфа-частицы. Задержать его можно алюминиевой фольгой.

Среди всех видов радиоактивного распада бета-распад является наиболее распространенным. Он особенно характерен для искусственных радионуклидов.

Выделяют несколько подвидов бета-распада:

• бета-минус распад;
• бета-плюс распад;
• электронный захват.

Бета-минус распад представляет собой испускание из ядра электрона, образовавшегося в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон. Такой электрон называют бета-минус частицей.

Правило смещения Содди для β—распада:

X ZA→Y Z+1A+e -1+ν¯e

Бета-плюс распад, или позитронный распад сопровождается испусканием из ядра позитрона (античастицы электрона), образовавшегося в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон. Получившуюся частицу называют бета-плюс частицей.

Правило смещения Содди для β+-распада:

X ZA→Y Z-1A+e++νe

Позитронный распад всегда сопровождается электронным захватом. Ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино. Заряд ядра также уменьшается на единицу.

Правило смещения Содди для электронного захвата:

X ZA+e-→Y Z-1A+νe

Гамма-распад

Гамма-распад чаще называют изомерным переходом. Такое название обосновано существованием изомерных состояний ядер. Большинство ядер способны существовать в возбужденном состоянии очень малое количество времени — менее наносекунды. Некоторые ядра способны существовать дольше — микросекунды, сутки или даже года. Такие долгоживущие состояния и называют изомерными.

При гамма-распаде изомерные состояния ядер переходят в основное состояние с излучением одного или нескольких гамма-квантов. 

Гамма-излучение обладает намного большей проникающей способностью, чем альфа- и бета-излучение. Оно не имеет электрического заряда, обладает огромной энергией и может быть остановлено только толстым слоем железобетона, стали, свинца или другого серьезного препятствия.

Высвобождение энергии

Q значение определяются как суммарная энергия , выделяемой в данном ядерном распаде. Таким образом, в бета-распаде Q также является суммой кинетических энергий испускаемой бета-частицы, нейтрино и ядра отдачи. (Из-за большой массы ядра по сравнению с бета — частицы и нейтрино, кинетическая энергия ядра отдачи обычно можно пренебречь.) Таким образом , Бета — частицы могут излучаться с любой кинетической энергией в диапазоне от 0 до Q . Типичное значение Q составляет около 1  МэВ , но может варьироваться от нескольких кэВ до нескольких десятков МэВ.

Поскольку масса покоя электрона составляет 511 кэВ, наиболее энергичные бета-частицы являются ультрарелятивистскими , их скорости очень близки к скорости света . В случае 187 Re максимальная скорость бета-частицы составляет всего 9,8% скорости света.

В следующей таблице приведены некоторые примеры:

Примеры энергий бета-распада

Изотоп	Энергия ( кэВ )	Режим распада	Комментарии
свободный нейтрон	782,33	β —
003 H (тритий)	0018,59	β —	Второй самый низкий известный бета — энергия, используется в KATRIN эксперименте.
11 С	960,4 1982,4	β + ε+
14 С	156,475	β —
20 F	5390,86	β —
37 К	5125,48 6147,48	β + ε+
163 Ho	0002,555	ε+
187 Re	0002,467	β —	Самая низкая известная β — энергия, используются в массивах микрокалориметра для эксперимента рения эксперимента
210 Би	1162,2	β —

β — распад

Рассмотрим общее уравнение для бета-распада

А _ЯИкс → А _{Я +1}ИКС’ + е- + ν_е.

Значение Q для этого распада составляет

Qзнак равномN(ИксZА)-мN(ИксZ+1А′)-ме-мν¯еc2{\ displaystyle Q = \ left c ^ {2}},

где — масса ядрамN(ИксZА){\ displaystyle m_ {N} \ left ({\ ce {^ {\ mathit {A}} _ {\ mathit {Z}} X}} \ right)}А _ЯИксатома, — масса электрона, — масса электронного антинейтрино. Другими словами, полная выделенная энергия — это массовая энергия исходного ядра за вычетом массовой энергии конечного ядра, электрона и антинейтрино. Масса ядра m _N связана со стандартной атомной массой m соотношением
ме{\ displaystyle m_ {e}}мν¯е{\ displaystyle m _ {{\ overline {\ nu}} _ {e}}}

м(ИксZА)c2знак равномN(ИксZА)c2+Zмеc2-∑язнак равно1ZBя{\ displaystyle m \ left ({\ ce {^ {\ mathit {A}} _ {\ mathit {Z}} X}} \ right) c ^ {2} = m_ {N} \ left ({\ ce { ^ {\ mathit {A}} _ {\ mathit {Z}} X}} \ right) c ^ {2} + Zm_ {e} c ^ {2} — \ sum _ {i = 1} ^ {Z} Б_ {i}}.

То есть полная атомная масса — это масса ядра плюс масса электронов минус сумма всех энергий связи электронов B _i для атома. Это уравнение перестраивается, чтобы найти , и находится аналогично. Подставляя эти ядерные массы в уравнение Q- значения, пренебрегая почти нулевой массой антинейтрино и разницей в энергиях связи электронов, которая очень мала для атомов с высоким Z , мы имеем
мN(ИксZА){\ displaystyle m_ {N} \ left ({\ ce {^ {\ mathit {A}} _ {\ mathit {Z}} X}} \ right)}мN(ИксZ+1А′){\ displaystyle m_ {N} \ left ({\ ce {^ {\ mathit {A}} _ {{\ mathit {Z}} + 1} X ‘}} \ right)}

Qзнак равном(ИксZА)-м(ИксZ+1А′)c2{\ displaystyle Q = \ left c ^ {2}}

Эта энергия уносится как кинетическая энергия электроном и нейтрино.

Поскольку реакция будет протекать только тогда , когда Q  значение положительное, β — распад может произойти , когда масса атомаА _ЯИкс больше массы атома А _{Я +1}ИКС’.

β + распад

Уравнения для β + -распада аналогичны с общим уравнением

А _ЯИкс → A _{Z −1}ИКС’ + е+ + ν_е

давая

Qзнак равномN(ИксZА)-мN(ИксZ-1А′)-ме-мνеc2{\ displaystyle Q = \ left c ^ {2}}.

Однако в этом уравнении массы электронов не сокращаются, и мы остаемся с

Qзнак равном(ИксZА)-м(ИксZ-1А′)-2меc2{\ displaystyle Q = \ left c ^ {2}}

Поскольку реакция будет протекать только при  положительном значении Q , β + распад может произойти, когда масса атомаА _ЯИкс превосходит А _{Я -1}ИКС’ как минимум вдвое больше массы электрона.

Электронный захват

Аналогичный расчет для электронного захвата должен учитывать энергию связи электронов. Это связано с тем, что атом останется в возбужденном состоянии после захвата электрона, а энергия связи захваченного самого внутреннего электрона значительна. Использование общего уравнения для захвата электронов

А _ЯИкс + е- → A _{Z −1}ИКС’ + ν_е

у нас есть

Qзнак равномN(ИксZА)+ме-мN(ИксZ-1А′)-мνеc2{\ displaystyle Q = \ left c ^ {2}},

что упрощает

Qзнак равном(ИксZА)-м(ИксZ-1А′)c2-Bп{\ displaystyle Q = \ left c ^ {2} -B_ {n}},

где B _n — энергия связи захваченного электрона.

Поскольку энергия связи электрона намного меньше массы электрона, ядра, которые могут подвергнуться β + -распаду, всегда могут также подвергнуться захвату электрона, но обратное неверно.

История

Открытие и первые результаты

В 1896 году Анри Беккерель обнаружил радиоактивность, наблюдая следы, оставленные, вероятно, β-лучами, испускаемыми урановой рудой и которые проходят через ее упаковку, чтобы запечатлеть фотографическую пластинку. В 1898 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что радиоактивность, излучаемая урановой рудой, представляет собой смесь двух явлений, отличающихся своей способностью проникать и ионизировать материю: он назвал их α- радиоактивностью и β-радиоактивностью. В 1899 году Фридрих Гизель , Стефан Мейер  (en) , Эгон Швайдлер  (en) и Анри Беккерель независимо друг от друга показали, что определенные излучения могут быть отклонены магнитным полем. Пьер и Мария Кюри показывают, что отклоняемые излучения — это β-лучи, и что их заряд отрицательный. Затем Беккерель, в 1902 году, Вальтер Кауфманн независимо измерил соотношение между зарядом и массой β-частиц и обнаружил, что оно равно полученному для электронов  : мы делаем вывод, что β-излучение — это испускание электронов с большой скоростью. .

Характеристики β-спектра

Энергетический спектр бета-частицы.

Физики в начале XX — го  века , стремящихся изучить характеристики бета — излучения, в частности , скорость вылетающих электронов. Первые статьи, опубликованные на эту тему Лизой Мейтнер и Отто Ханом, приводят к выводу, что энергия и, следовательно, скорость испускаемого электрона зависят от излучающего вещества. Однако этот вывод был поставлен под сомнение в 1911 году Джин Даниш, а затем Джеймс Чедвик , которые пришли к выводу, что энергия электронов, испускаемых одним веществом, может быть переменной, причем происхождение расхождения объясняется апостериори тем, как экспериментаторы создают фотографические пластинки, на которые воздействуют электроны. Спор заключен после первой мировой войны по Чарльз Drummond Эллис  (в) , который показывает , что нагревание образца радий под действием бета радиоактивности соответствует средней энергии электронов , испускаемых совместимы с выводами Chadwick и Даныш , но не Мейтнер и Хан. Справедливость эксперимента впоследствии не оспаривается, но, похоже, он подразумевает случай несохранения энергии .

Гипотеза существования нейтрино

Энергетическое распределение β-частиц для данного типа распада подчиняется закону вероятности (в отличие от α-излучения). Средняя энергия бета-частицы составляет примерно 40% от этой максимальной энергии, что противоречит первому принципу термодинамики . Чтобы разрешить этот парадокс, Вольфганг Паули в 1931 году предположил, что «недостающая» энергия уносится другой, еще не открытой частицей, которую он окрестил нейтроном, но которая позже будет переименована в нейтрино . Экспериментально нейтрино не будут наблюдаться до 1956 года.

Пояснительная модель β-радиоактивности

В году Энрико Ферми создал теоретическую основу для β-радиоактивности и существования нейтрино, придумав концепцию слабого ядерного взаимодействия . Это позволяет, в частности, количественно связать период полураспада изотопа и максимальную энергию испускаемых электронов.

Вот что объясняет присутствие нейтрино:

• Эмиссии Энергетический спектр бета — частиц является непрерывным. Это легко объяснить, если энергия распределяется между тремя телами.
• Импульс должен сохраняться , но из — за системы трех тел, бета — частиц не начинается напротив ядра.
• Нейтрино позволяет сохранить лептонное число  : образование лептона сопровождается образованием антилептона (пары электрон / антиэлектронное нейтрино; нейтрино позитрон / электрон).

Физическая природа радиоактивности и виды радиоактивных излучений

Изучением радиоактивного излучения также занимался английский физик Эрнест Резерфорд. Он первый поставил эксперимент, который позволил обнаружить сложный состав этого излучения. Ученый собрал установку, изображенную на рисунке ниже.

Резерфорд поместил препарат радия на дно узкого канала в куске свинца. Напротив открытого конца канала он расположил фоточувствительную пластинку. В результате излучение от радия исходила из канала и попадало на эту пластинку. Но ученый расположил магнит так, что излучающимся частицам приходилось проходить сквозь созданное им магнитное поле. Для чистоты эксперимента вся установка помещалась в сосуд с откачанным воздухом (в вакуум).

Если магнит убрать, то на фотопластинке обнаруживалось лишь одно темное пятно напротив канала. Но если вернуть магнит на место, то пучок распадается на 3 части. Причем одна часть первичного потока сохранила свое направление (пятно получилось напротив пластинки), а две другие его составляющие отклонялись в противоположные стороны.

Как это можно объяснить? Известно, что в магнитом поле меняют свое направление движения только заряженные частицы. Следовательно, опыт продемонстрировал наличие электрических зарядом у двух пучков (у одного из них заряд оказался нейтральным, так как направление изменено не было). Узнать знак этих пучков можно, применив правило левой руки. Так, один из них оказался положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным.

Дальнейшие исследования радиоактивного излучения позволили выяснить природу этих видов излучения. Их разделили на 3 вида и дали им следующие названия:

• Альфа-излучение — поток положительно заряженных α-частиц. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия (ядра гелия), летящие со скоростью 14–20 тыс. км/с.
• Бета-излучение — поток отрицательно заряженных β-частиц, или электронов. Они летят со скоростью, приближенной к скорости света (около 0,999c).
• Гамма-излучение — электромагнитное излучение с длиной волны менее 10-10 м, имеющее ярко выраженные корпускулярные свойства, то есть являющееся потоком γ-квантов.

В чем же заключается физическая сущность явления радиоактивности? Чтобы ответить на вопрос, нужно провести исследование самого радиоактивного вещества.

Опыты по изучению радиоактивности, проводимые Резерфордом вместе с английским ученым Ф. Содди, дали понять, что во время радиоактивного излучения исходный химический элемент превращается в другое химический элемент. Такое превращение ученые назвали радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад — превращение радиоактивного вещества в другой химический элемент, сопровождающееся радиоактивным излучением.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.

Виды распадов:

α-распад. Ядро теряет одну α-частицу, в результате чего оно теряет массу, равную 4 атомным единицам массы (а.е.м.). При этом из исходного вещества образуется новый химический элемент, смещенный на 2 клетки к началу периодической системы Менделеева.

Символически α-распад можно записать так:

M.ZX→M−4.Z−2Y+42He

M.ZX — распадающееся радиоактивное вещество с массовым числом M и зарядовым числом Z, M−4.Z−2Y — новый химический элемент с массовым числом (M–4) и зарядовым числом (Z–2), 42He — излучаемая α-частица.

β-распад. Ядро теряет одну β-частицу (электрон), в результате чего он меняет заряд на 1 единицу, а его масса почти не изменяется. При этом из исходного вещества образуется новый химический элемент, смещенный на 1 клетку к концу периодической системы Менделеева.

Символически β -распад можно записать так:

M.ZX→.MZ+1Y+−1e

M.ZX — распадающееся радиоактивное вещество с массовым числом M и зарядовым числом Z, .MZ+1Y — новый химический элемент с массовым числом M и зарядовым числом (Z+1), −1e — излучаемый электрон.

Внимание! Фактически при β-распаде один нейтрон превращается в протон с испусканием электрона. γ-распад

Ядро теряет одну γ-частицу. В результате не образуется нового вещества, и масса ядра практически не изменяется

γ-распад. Ядро теряет одну γ-частицу. В результате не образуется нового вещества, и масса ядра практически не изменяется.

Пример №1. Записать правило α-распада вещества 238.92U.

Для записи формулы используем формулу:

M.ZX→M−4.Z−2Y+42He

Зарядовое число уменьшится на 2: 92–2 = 90. Этому порядковому номеру соответствует вещество торий.

Массовое число уменьшится на 4: 238–4 = 234.

Следовательно:

238.92U→234.90Th+42He

Типы переходов бета-распада

Бета-распады можно классифицировать по угловому моменту (  значение L ) и полному спину (  значение S ) испускаемого излучения. Поскольку должен сохраняться полный угловой момент, включая орбитальный и спиновой угловой момент, бета-распад происходит посредством множества переходов квантового состояния в различные ядерные угловые моменты или состояния спина, известные как переходы «Ферми» или «Гамова – Теллера». Когда частицы бета-распада не имеют углового момента ( L = 0 ), распад называется «разрешенным», в противном случае — «запрещенным».

Другие режимы распада, которые встречаются редко, известны как распад связанного состояния и двойной бета-распад.

Ферми переходы

Ферми переход является бета — распад , в котором вращается излученного электрона (позитрона) и анти-нейтрино (нейтрино) пара к суммарным спином , что приводит к угловому изменению импульса между начальным и конечным состояниями ядра (предполагая , что разрешенный переход ). В нерелятивистском пределе ядерная часть оператора фермиевского перехода имеет вид
Sзнак равно{\ displaystyle S = 0}ΔJзнак равно{\ displaystyle \ Delta J = 0}

ОFзнак равнограммV∑аτ^а±{\ displaystyle {\ mathcal {O}} _ {F} = G_ {V} \ sum _ {a} {\ hat {\ tau}} _ {a \ pm}}

с константой слабого сцепления вектор, в изоспиновой поднятия и опускания операторов , а также работает по всем протонов и нейтронов в ядре.
граммV{\ displaystyle G_ {V}}τ±{\ displaystyle \ tau _ {\ pm}} а{\ displaystyle a}

Переходы Гамова – Теллера

Гамова-Теллера переход является бета — распад , в котором вращается излученного электрона (позитрона) и анти-нейтрино (нейтрино) пара к суммарным спином , что приводит к угловому изменению импульса между начальным и конечным состояниями ядра (предполагая разрешенный переход). В этом случае ядерная часть оператора определяется выражением
Sзнак равно1{\ Displaystyle S = 1}ΔJзнак равно,±1{\ displaystyle \ Delta J = 0, \ pm 1}

ОграммТзнак равнограммА∑аσ^аτ^а±{\ displaystyle {\ mathcal {O}} _ {GT} = G_ {A} \ sum _ {a} {\ hat {\ sigma}} _ {a} {\ hat {\ tau}} _ {a \ pm }}

с слабой аксиальной константой, и на спиновых матрицы Паулей , который может производить спин-флип в затухающем нуклоне.
граммА{\ displaystyle G_ {A}}σ{\ displaystyle \ sigma}

Запрещенные переходы

Когда L > 0 , распад называют « запрещенным ». Правила ядерного отбора требуют, чтобы высокие  значения L сопровождались изменениями ядерного спина  ( J ) и четности  ( π ). Правила выбора L- го запрещенного перехода:

ΔJзнак равно-L-1,L,L+1;Δπзнак равно(-1)L,{\ Displaystyle \ Delta J = -L-1, L, L + 1; \ Delta \ pi = (- 1) ^ {L},}

где Δ π = 1 или -1 соответствует отсутствию изменения четности или изменения четности, соответственно. Частный случай перехода между изобарическими аналоговыми состояниями, где структура конечного состояния очень похожа на структуру начального состояния, называется «сверхразрешенным» для бета-распада и происходит очень быстро. В следующей таблице перечислены значения Δ J и Δ π для первых нескольких значений  L :

Запрет	Δ J	Δ π
Сверхразрешен	Нет
Разрешается	0, 1	Нет
Сначала запрещено	0, 1, 2	да
Второй запретный	1, 2, 3	Нет
Третий запретный	2, 3, 4	да

§ 39. Закон радиоактивного распада

При всем разнообразии реакций самопроизвольного (спонтанного) распада ядер в этом процессе наблюдается общая закономерность, которую можно описать математически. Интересно, что зависимость количества распавшихся ядер от времени задается одной и той же функцией для различных ядер, участвующих в распаде. Перейдем к количественному описанию процессов радиоактивного распада.

Большинство изотопов любого химического элемента превращается в более устойчивые изотопы путем радиоактивного распада. Каждый радиоактивный элемент распадается со своей, присущей только ему «скоростью». При этом для каждого радиоактивного ядра существует характерное время, называемое периодом полураспада , спустя которое в исходном состоянии остается половина имевшихся ядер. Таким образом, периодом полураспада называется промежуток времени, за который распадается половина начального количества  радиоактивных ядер. Другая половина ядер превращается в более устойчивые изотопы посредством распада.Отметим, что период полураспада не зависит от того, в каком состоянии находится вещество: твердом, жидком или газообразном. Кроме того, период полураспада радиоактивного вещества не зависит от его количества, от времени, места и условий, в которых оно находится. Поэтому количество радиоактивных ядер «тогда»  и «сейчас»  непосредственно определяет промежуток времени ,  прошедший с момента уменьшения числа ядер от  до .Невозможно точно предсказать, когда произойдет распад данного ядра. Однако можно оценить среднее число ядер, которые распадутся за данный промежуток времени. Таким образом, закон радиоактивного распада является статистическим и он справедлив только при достаточно большом количестве радиоактивных ядер.

Для записи закона радиоактивного распада будем считать, что в начальный момент времени () число радиоактивных ядер . Через промежуток времени, равный периоду полураспада, это число будет , еще через такой же промежуток времени —  (рис. 218). Спустя промежуток времени, равный n периодам полураспада , радиоактивных ядер останется:

(1)

Это соотношение выражает закон радиоактивного распада, который можно сформулировать следующим образом:

число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает с течением времени по закону, представленному соотношением (1).

Закон радиоактивного распада позволяет найти число нераспавшихся ядер в любой момент времени. Полученное выражение хорошо описывает распад радиоактивных ядер, если их количество достаточно велико.Приведем экспериментальные результаты, которые показывают, что при малом количестве радиоактивных ядер это выражение неприменимо. На рисунке 219 изображен график распада 47 ядер изотопа фермия , период полураспада которого .  Из рисунка 219 видно, что пока ядер было достаточно много — от 47 до 12, то показательная функция хорошо описывала закон распада. Однако при меньшем числе ядер истинная зависимость существенно отличается от показательной функции.Периоды полураспада некоторых радиоактивных изотопов веществ приведены в таблице 11.

Таблица 11. Периоды полураспада радиоактивных изотопов веществ
Вещество	Период полураспада
	30,17 лет
	5,3 года
	8,04 суток
	24 390 лет
	1600 лет
	3,8 суток
	700 млн лет
	4,5 млрд лет

Впервые процесс радиоактивного распада для измерения промежутков времени был использован в 1904 г. Резерфордом. По отношению концентрации урана и его дочернего продукта распада (гелия) он определил возраст урановой породы. Эта работа положила начало ядерной геохронологии — определению возраста различных минералов Земли по радиоактивным долгоживущим веществам. В дальнейшем исследование процессов ядерного синтеза позволило перейти к ядерной космохронологии, т.е. к определению продолжительных промежутков времени, прошедших с момента образования элементов в масштабах Галактики и Вселенной. В основу ядерной космохронологии положена неизменность «скорости» радиоактивного распада. В 1927 г. американский ученый Г. Блюмгарт, используя изотоп  , впервые определил скорость кровотока у людей. В 1934 г. венгерский ученый Дьердь фон Хевеши, используя дейтерий, впервые установил, что в организме человека вода полностью обновляется в течение 14 суток.  В 1943 г. Дьердь фон Хевеши была присуждена Нобелевская премия по химии «за работу по использованию изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов».