Радиохимия. Предмет и задачи радиохимии. История развития радиохимии. Особенности радиохимии

• Название: Предмет и задачи радиохимии. История развития радиохимии. Особенности радиохимии
• Анкор: Радиохимия
• Дата: 19.11.2019
• Размер: 0.49 Mb.
• Имя файла: Radiokhimia.docx
• Тип: Документы; #95990
• страница: 4 из 5

Кла́стерная радиоакти́вность, кластерный распад — явление самопроизвольного испускания ядрами ядерных фрагментов (кластеров) тяжелее, чем α-частица.

В настоящее время экспериментально обнаружено 25 ядер от ¹¹⁴Ba до ²⁴¹Аm (почти все они — тяжёлые), испускающих из основных состояний кластеры типа ¹⁴С, ²⁰О, ²⁴Ne, ²⁶Ne, ²⁸Mg, ³⁰Mg, ³²Si и ³⁴Si.

Кластерный распад можно рассматривать как процесс, в некотором смысле промежуточный между альфа-распадом и спонтанным делением ядра.

Кластерный распад кинематически разрешён для гораздо большего числа тяжёлых изотопов, однако вероятность в большинстве случаев настолько мала, что находится за пределами достижимости для реальных экспериментов. Это вызвано экспоненциальным уменьшением проницаемости потенциального барьера при росте его ширины и/или высоты.

Для понимания природы кластерной радиоактивности естественно сравнить это явление с α-распадом и сильно ассимметричным делением ядер. При делении атомных ядер происходит сильная перестройка ядра в процессе его развала на пару осколков. При этом деление возможно в тех случаях, когда перед разрывом оно оказывается сильно деформированным - вытянутым.

Альфа-распад принципиально отличается от деления несколькими признаками.

1. 
   Процесс α-распада существенно подбарьерный.
   
2. 
   При развале исходного ядра на α-частицу и ядро-продукт последнее как правило образуется в основном или слабовозбужденном состоянии.
   
3. 
   В результате α-распада не происходит сильной перестройки исходного ядра.
   

    Константа кластерного распада λ или период полураспада T_1/2  определяется вероятностью образования кластера на поверхности остаточного ядра в единицу времени w и вероятностью прохождения сквозь потенциальный барьер D

λ  = ln2/T1/2 = wD

9

Закон радиоактивного распада. Кривая радиоактивного распада. Абсолютная ра-диоактивность, единицы её измерения. Среднее время жизни нуклида. Период полу-распада. Коэффициент счета. Статистика распада.

Для каждого радиоактивного вещества существует характерный интервал времени, называемый периодом полураспада.Период полураспада - это промежуток времени, за который распадается ровно половина всех ядер.



Среднее время жизни нуклида τ=1/λ - промежуток времени, в течение которого число имевшихся атомов уменьшается в е раз

Исследования показали, что радиоактивные элементы могут иметь самые различные периоды полураспада - от десятимиллионных долей секунды, до миллиардов лет. Но период полураспада для каждого данного вещества определенный, и не изменяется при изменении внешних условий (давлении, температуры и т.д.)



Число ядер в радиоактивном образце, распадающихся в данный интервал времени, экспоненциально уменьшается во времени. Поскольку ядро изолировано окружающим его электронным облаком, скорость распада не зависит от давления, температуры, закона сохранения масс, или каких-то иных скорость ограничивающих факторов, обычно влияющих на химические или физические свойства.

За любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов, т.е с течением времени скорость распада не меняется.

Уравнение радиоактивного распада (основной закон радиоактивного распада) в дифференциальной форме имеет вид:, где N -число атомов, не претерпевших распад к моменту времени t, λ - константа, А – радиоактивность радионуклида.

Коэффициент пропорциональности λ называется константой (постоянной) радиоактивного распада (радиоактивной постоянной) и равен вероятности распада каждого отдельного ядра за единицу времени. Константа λ характеризует неустойчивость ядер радиоактивного изотопа.

Скорость радиоактивного распада называется абсолютной радиоактивностью в интегральной форме: А = А_оe^(-λt) или 

В соответствии с определением - радиоактивность измеряется числом распадов в 1с.

Единица активности – беккерель (Бк). Наиболее употребимой единицей является кюри (Ки) - активность одного грамма изотопа радия-226 или активность препарата, в котором происходит 3,7*10¹⁰ актов распада в секунду.

1 Ки=3,7*10¹⁰ Бк=3,7*10¹⁰ с^-1; 1 Бк=1расп/с=2,7*10^-11 Ки (используются для α и β изл.)

Внесистемная единица активности – резерфорд (Рд) - концентрация радиоактивного вещества в воздухе, в воде и тд. 1 Рд=1/3700Ки=10⁶ Бк.

Эман = 10^-13 Ки/см³; Махе=3,64Эман

Для γ-излучения используется Рентген - такое количество γ-излучени, которое вызывает образвание 2,082*10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха (при нормальных условиях)

В практической работе с радиоактивными веществами абсолютная активность препаратов, как правило, не определяется непосредственно. Измерительные приборы, использующие различные свойства излучений, обычно дают величину, пропорциональную А; эту величину называют регистрируемой активностью I. При работе со счетчиками ядерных частиц регистрируемой активностью является скорость счета, выражаемая в импульсах в минуту (имп/мин), а коэффициент пропорциональности, связывающий величину абсолютной и регистрируемой активности, называется коэффициентом счета (ϕ): I=ϕA
Законы радиоактивного распада носят статистический характер. Они верны лишь в тех случаях, когда числа атомов, распадающихся за единицу времени, достаточно велики, так что можно пренебречь относительно незначительными отклонениями

от средних значений рассматриваемых статистических величин. При малых скоростях распада статистические отклонения от среднего могут сыграть существенную роль.

Статистические отклонения при радиоактивном распаде подчиняются определённым закономерностям:

-Вероятность появления малых отклонений больше вероятности больших отклонений от среднего, иначе говоря, вероятность Рn появления статистических отклонений есть убывающая функция их величины.

-Вероятность появления случайных отклонений не зависит от их знака, т.е. статистические отклонения, равные по абсолютной величине, но противоположные по знаку, встречаются одинаково часто. Значение истинной скорости распада может быть получено лишь как среднее при достаточно большой продолжительности наблюдений (если, конечно, можно пренебречь уменьшением количества радиоактивного изотопа за выбранное время). Различия в скоростях распада за равные промежутки времени при постоянной средней скорости распада называются радиоактивными флуктуациями.

Нестабильные ядра в радиоактивном образце не распадаются одновременно. Распад конкретного ядра - полностью случайное событие. Следовательно, изучение радиоактивных событий распада требуют использования статистических методов. Эти методы требуют наблюдения большого количества радиоактивных ядер. Они предсказывают с хорошей гарантией, что, после данного отрезка времени, определённая доля ядер распадётся. Но какой именно атом распадётся и когда это произойдёт сказать невозможно.

10

Радиоактивные ряды. Цепочки из двух, трех и более изотопов.

Радиоактивные ряды (семейства) — цепочки радиоактивных превращений.

Выделяют три естественных радиоактивных ряда и один искусственный.

Естественные ряды:

• 
  ряд тория (4n) — начинается с нуклида Th-232;
  
• 
  ряд радия (4n+2) — начинается с U-238;
  
• 
  ряд актиния (4n+3) — начинается с U-235.
  

Искусственный ряд:

• 
  ряд нептуния (4n+1) — начинается с Np-237.
  

Радиоактивный ряд – это последовательность радионуклидов, образующихся в результате альфа – или бета-распада предыдущего элемента. Наиболее долгоживущие изотопы называются начальными для каждого из радиоактивных рядов.

Существует 4 радиоактивных ряда и, соответственно, 4 их родоначальника:

1) Ториевый ряд– наиболее долгоживущий изотоп – торий-232 (Th-232), период полураспада – 1,4*1010 лет;

2,3) 2 урановых ряда – наиболее долгоживущие изотопы – уран-238 (U-238), период полураспада – 4,5*109 лет и уран-235 (U-235), период полураспада – 7*108 лет;

4) Нептуниевый ряд – наиболее долгоживущий изотоп – нептуний-237 (Np-237), период полураспада – 2,2*106 лет.

В настоящее время Th-232 почти весь сохранился, U-238 распался лишь частично, а U-235 распался большей частью (в земной коре U-238 больше, чем U-235 в 140 раз), Np-237 распался практически весь. В процессе превращения этих элементов в качестве промежуточных продуктов распада образуются радиоактивные изотопы Радия, радона, полония, висмута, свинца, которые формируют значительную дозу облучения человека.

При распаде естественно радиоактивных элементов продукты распада сами оказываются радиоактивными, так что атомные ядра, каждое из которых возникает из предыдущего в результате альфа - или бета-распада, вместе с исходным ядром образуют цепочки, называемые радиоактивными семействами. Цепочка распадов продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Как известно, при β-распаде массовое число A не меняется, зарядовое число Z изменяется на 1, то есть разница между протонами и нейтронами изменяется на 2: 𝑛𝑛 → 𝑝𝑝 + 𝑒𝑒− + 𝜈𝜈̅ 𝑒𝑒 или 𝑛𝑛 → 𝑝𝑝 + 𝑒𝑒+ + 𝜈𝜈𝑒𝑒 то есть распад ядра: (𝐴𝐴, 𝑍𝑍) → (𝐴𝐴, 𝑍𝑍 ± 1) + 𝑒𝑒−(𝑒𝑒+) + 𝜈𝜈̅ 𝑒𝑒(𝜈𝜈𝑒𝑒)

При α-распаде A уменьшается на 4, а Z уменьшается на 2, а разность между числом протонов и нейтронов остаётся неизменной.

Таким образом при α и β-распадах тип массового числа сохраняется, то есть: либо 𝐴𝐴 = 4 ∗ 𝑛𝑛 + 𝑛𝑛1, где 𝑛𝑛1=0, 1, 2, 3. Получаем 4 возможных радиоактивных ряда, или семейства.

Радиоактивными семействами называют генетически связанные последовательным радиоактивным распадом цепочки (ряды) ядер естественного происхождения. В природе, помимо долгоживущих (миллиарды лет) встречаются и короткоживущие изотопы (например – радий 226Ra, период полураспада 1,6 тыс. лет). Они возникают в результате распада долгоживущих элементов.

11

Радиоактивные равновесия: отсутствие равновесия, подвижное, вековое. Разветв-ленный распад.

Радиоактивное равновесие – состояние, которое с течением наступает, когда при радиоактивном распаде ядер исходного нуклида А образуются также радиоактивные ядра дочернего нуклида В, причем скорость радиоактивного распада дочернего радионуклида значительно превышает скорость радиоактивного распада материнского радионуклида. Если обозначить период полураспада А через Т_{½ А}, а период полураспада В – через Т_{½ В}, то состояние радиоактивного равновесия может наступить, если Т_½А > Т_{½ В}. Если в препарате исходного радионуклида А с исходной радиоактивностью а_А первоначально ядер В не было, то с течением времени ядра В начнут появляться за счет распада ядер А. В конце концов (примерно через 10 Т_½В) наступит состояние  радиоактивного равновесия, при котором на каждый акт распада А будет приходиться акт радиоактивного распада В. При этом радиоактивность дочернего радионуклида В а_В станет равна радиоактивности материнского радионуклида В, т.е. а_А = а_В. Далее радиоактивность В будет изменяться так же, как радиоактивность А. Через интервал времени, равный одному значению Т_{½ А}, радиоактивности А и В уменьшатся в 2 раза, через интервал времени, равный 2Т_{½ А} – в 4 раза и т.д.

Равновесие называют вековым, когда Т_{½ А} >> Т_{½В .}При этом радиоактивности как материнского радионуклида в препарате, так и дочернего остаются неизменными и  равными друг другу в течение большого промежуткам вемени (месяцы, годы, сотни и тысячи лет):

Для векового равновесия справедливо соотношение

λ_А.N_A = λ_В.N_В,

где λ_А.и λ_А – постоянные распада радионуклидов А и В, а N_A и N_В—числа атомов А и В при равновесии.

Так как λТ_½ = ln2, то из приведенного равенства следует, что

N_A : Т_½А = N_В : Т_½В

Если значение Т_½А больше Т_½В незначительно (всего в нескольо раз), а само значение Т_{½ А}  соизмеримо со временем наблюдения за радиоактивным препаратом, то установившееся радиоактивное равновесие называют подвижным. При подвижном равновесии радиоактивности обоих радионуклидов в препарате – и материнского, и дочернего, изменяются с периодом полураспада, отвечающем Т_½А .

В природе радиоактивные равновесия устанавливаются между долгоживущими материнскими радионуклидами урана ²³⁵U (Т_½ 7,1.10⁸ лет),  ²³⁸U(Т_½ 4,5.10⁹ лет) и тория  ²³²Th (Т_½ 1,41.10¹⁰ лет) и дочерними ядрами, образующимися при радиоактивном распаде этих материнских ядер. Конечными продуктами этих превращений выступают стабильные нуклиды свинца.

Разновидностью общей схемы радиоактивного распада является разветвленный распад. Ветвление означает, что при распаде радионуклида образуется не один дочерний нуклид, а два (иногда и несколько) нуклида:

A	λb	(45)
	→B
	λc
	→C

Если число атомов вещества А в данный момент – NA, то скорость этого распада вещества составляет:

	dN A	=−	λ −λ		N	A	=−λ	N	A	(46)
	dt
			b	c			A

При рассмотрении общего процесса распада следует учитывать обе константы λb иλc; при этом изотоп В образуется со скоростьюλbNA, однако веществоА распадается со скоростью (λb+λc)NA. Заметим, чтоА может иметь только один период полураспада, определяемый в этом случае равенствомt1/2=0.693/(λb+λc). При

определении периода полураспада исходят из общей скорости уменьшения количества радиоактивного вещества вне зависимости от механизма процессов, приводящих к уменьшению активности.

Если имеется цепочка радиоактивных превращений, содержащая разветвления, то, применяя к ней общее решение константы λi в числителях слагаемых в точках разветвления следует заменить парциальными

константами λi*; каждую ветвь надо просчитывать самостоятельно. Если вслед за разветвлением цепочки после

ряда распадов снова соединяются (как это наблюдается в естественных радиоактивных семействах), то число атомов ниже этой точки получается суммированием радиоактивных превращений по обеим цепочкам.

При наличии разветвлений общая величина константы радиоактивного распада равняется сумме констант распада в каждом из возможных направлений: λ=Σλi Соответственно, вероятность каждого из возможных путей распада fi=λi/λ, а период полураспада данногоi-говарианта радиоактивного превращения связан с наблюдаемым общим периодом полураспада соотношениемTi=T/fi

Если обозначить постоянную распада некоторого нуклида ряда как λi, то общая постоянная распада

λ ≡λ1 +λ2 +...+ =∑λi

(47)

а общий период полураспада

i=1

1

1

1

N

1

=

+

+...≡ ∑

(48)

Т1/ 2

Т1,1/ 2

Т2,1/ 2

Тi,1/ 2

i=1

Доля распадов, происшедших по i-оймоде задаётся уравнением:

	f	i	≡	λi	=	λi	(49)
				Σλ
						λ
				i

Аналогично, неточность в энергии, связанная с данным состоянием, Е, принципом неопределённости Гайзенберга, может быть рассчитана из времени жизни каждой моды распада. Тогда общая ширина уровня:

N

Г=Г1+Г2+Г3+…=∑Гi (50)

i=1

	где Γ =	1
		τ
	i
		i

Это соотношение особенно полезно в интерпретации состояний распада, сформированных внутриядерными реакциями, в которых конкурируют такие процессы, какα-распад,эмиссия протонов, эмиссия нейтронов и т.п. при снятии возбуждения ядра. В этом случае мы можем выразить общую ширину как

Г=Гα+Гр+Гn (51)

https://studfiles.net/preview/6284241/page:8/ тут формулы, если вдруг съехали

12

Ядерные реакции: два основных типа ядерных реакций. Типы ядерных реакций. Управляемые и неуправляемые ядерные реакции. Характеристики развития ядерной реакции: коэффициент размножения нейтронов, эффективное поперечное сечение.

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция типа , где- легкие частицы – нейтрон, протон,-частица,-квант.

Реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. На первом этапе частицы, приблизившиеся к ядру, захватываются им, образуя промежуточное ядро – компаунд-ядро. Энергия, привнесенная частицей, перераспределяется между нуклонами, и ядро оказывается в возбужденном состоянии. На втором этапе ядро испускает частицу . .

Если , то это не ядерная реакция, а процесс рассеяния. Если- упругое рассеяние, если- неупругое рассеяние.

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами, происходят без образования промежуточного ядра – это прямые ядерные взаимодействия.

Реакции делятся:

1. 
   по роду участвующих в ядерных реакциях частиц.
   
2. 
   По энергии участвующих частиц (холодные, горячие)
   
3. 
   По роду ядер, участвующих в реакции (легкие, средние, тяжелые)
   
4. 
   По характеру продуктов, получаемых в результате реакции (элементарные частицы, протоны, нейтроны)