2.11. Трансурандық элементтер.
1940
жылдан
бастап,
ол
трансурандық
элементтер,
яғни
қабылдау
басталды,
элементтері
.
Қазірде трансурандық мынадай элементтер белгілі:
нептуний
,
плутоний
және т.б.
Барлық
трансурандық элементтер - адам үшін улы
металдар. Барлық оңай олардың кейбіреулері
ядролық қаруды материал ретінде
практикалық маңызы бар, бөлінген -
.
Олар реакторларда негізінен алынған.
Трансурандық элементтердің көптеген
изотоптары өндірілген.
5 Дәріс
Дәріс жоспары:
4. Радиоактивті ядролық трансформация.
4.1. α- ыдырау.
4.2. α-ыдыраудың негізгі ерекшеліктері.
4.3. α-спектрлердің нәзік құрылымы.
4.4. α-бөлшектердің ұзақ толқыны.
4. Радиоактивті ядролық трансформация.
Радиоактивті сәулелер үш түрлі болып табылады: -, - және -сәулелер. Толық зерттеу олардың сипаты мен негізгі қасиеттерін білуге мүмкіндік берді.
-сәулелер
электр және магнит өрістерінде ауытқиды,
ол жоғары иондаушы қабілетіне және
төмен өткізгіштік қасиетіне ие (Мысалы,
шамамен 0,05 мм алюминий қабаты қалыңдығында
жұтылады). -сәулелер
гелий ядроларының
ағыны; -бөлшектер
заряды +2е
тең, ал
массасы гелийдің
изотопының
массасымен сәйкес келеді. Электр
және магнит
өрістерінде ауытқуы
бойынша -сәулелердің
меншікті заряды
анықталады Q/m
, бұл шама
олардың табиғаты
туралы түсінікті
растайды.
- сәулелер -сәулелеріне қарағанда электр және магнит өрістерінде ауытқиды; иондаушы қабілеті төменірек (шамамен екі реттік), ал өткізгіштік қасиеті жоғарырақ (2 мм алюминий қабаты қалыңдығында жұтылады). -сәулелер тез электрондардың ағыны (бұл олардың меншікті заряды анықтамасынан туындайды).
Бірыңғай заттарда бір жылдамдықпен электрондардың ағынының жұтылуы экспоненциалды заңға бағынады N=N0e– x, мұндағы N0 және N —x қалыңдығы зат қабатына кіретін және шығатын электрондардың саны, — жұтылу коэффициенті. -сәулелер заттарда қатты шағылысады, сондықтан тек қана затқа байланысты емес, сондай-ақ заттың өлшемі мен формасынада тәуелді.
- сәулелер қарағанда электр және магнит өрістерінде ауытқымайды; иондаушы қабілеті төмен, ал өткізгіштік қасиеті жоғары ( 5 мм алюминий қабаты қалыңдығында жұтылады), өту кезінде кристаллдарда дифракция пайда болады. -сәулелер толқын ұзындығы <10–10 м кіші қысқатолқынды электромагнитті сәулелер және осыдан — айқын корпускулалық қасиеттері, яғни бөлшектер ағыны — -кванттар болып табылады (фотондар).
Радиоактивті ыдырау аналық ядро нәтижесі ыдырауы болып табылатын ядро айқындауға мүмкіндік беретін араласу ережелеріне сәйкес орын алады. Араласу ережелері:
ыдырау
үшін,
ыдырау
үшін,
мұндағы
Х
— аналық ядро, Y — туыстық ядро символы,
— гелий ядросы (-бөлшектер),
е—электрондардың
символдық белгіленуі (оныі заряды –1,
массалық саны — нөлге тең). Араластыру
ережесі радиоактивті ыдыраулар кезінде
орындалатын екі заңның салдары болып
табылады, — заряд сақталу заңы және
массалық сан сақталу заңы: ядрода
туындайтын зарядтар қосындысы (массалық
сандар) және бастапқы ядро зарядына тең
(массалық санына).
α-ыдырау:
,
.
β-ыдырау:
,
,
,
.
Эксперименттік түрде, -сәулелер радиоактивтіліктің бірі түрі болып табылмайтындығы анықталған, ол тек қана - және -ыдыраулармен қатар жүреді, сондай-ақ ядролық реакцияларда, зарядталған бөлшектер тоқтағанда, олардың ыдырауында және т.б. кезінде туындайды -сәулелер спектрі сызықтық болып табылады. -спектрі — бұл энергия бойынша -квант сандарының таралуы. -спектрінің дискреттілігі атомдық ядроның энергетикалық жағдайы дискреттілігінің дәлелі болатын шамаға ие.
Ол
қазір -сәуле
еншілес компаниясы
(аналық емес)
ядро шығаратын
деп белгіленеді.
оның қалыптасу
кезінде, алдында
тұрған-нұқсанды
қозған, біраз
уақыт 10-13-10-14
үшін қозғалған
атомы (шамамен
10-8 с) қарағанда
айтарлықтай қысқа
отырып Core еншілес,
-сәулелену
эмиссиясы жер
мемлекетке барады.
Артқа жер
мемлекетке Going, қозғалған
ядро аралық
мемлекеттердің бірқатар
арқылы өту
мүмкін, сондықтан
сол радиоактивті
изотоптың -сәулелер,
олардың энергиясы
бар бір-бірінен
ерекшеленетін, -кванттардың
бірнеше топтарын
қамтуы мүмкін.
.
4.1. α- ыдырау.
α-ыдырау құбылысы ядро өздігінен -бөлшектерін таратады, және басқа ядрода массалық саны 4 бірлікке кіші және атомдық нөмірі 2 бірлікке кіші ядроға ауысады:
.
Ядро
өздігінен
2 бөлікке
бөліне
алады,
егер
олардың
байланыс
энергиясы
салыстырмалы
түрде
оның
құрамдас
бөліктеріне
теріс
болады.
Басқа
сөзбен
айтқанда,
бастапқы
ядро
массасы
түзілетін
ядролардың
массасының
қосындысынан
артық
болады.
Сонымен,
өздігінен
-ыдыраудың
энергетикалық
жағдайы
мынадай
түрде
жазылады:
.
Тыныш күйдегі бастапқы ядро мен ыдырау өнімдері энергияларының айырмасы, байланыс энергиясының абсолютті шамасына тең, - бөлшектердің кинетикалық энергиясы және ядроның берілуі түрінде бөлінеді:
Бірінші шама екіншісінен артық екенін көрсетейік. Энергия және импульс сақталу заңы -ыдырау үшін:
.
Ыдырайтын ядро тыныш күйде болады деп санап, мынаны аламыз
,
бұдан
.
Сонымен,
.
-бөлшектердің кинетикалық энергиясы үшін мынаны аламыз
.
Сонымен
Мысалы
ядросының
-ыдырауындағы
байланыс энегриясы
4.2. α-ыдыраудың негізгі артықшылықтары
Көптеген
жағдайларда
элемент
ядросындағы
ыдырауда
шығатын
α-бөлшектер,
бірдей
энергияға
ие,
яғни
моноэнергетикалық
болып
табылады.
Мысалы,
,
ыдырағанда,
кинетикалық
энергиясы
болатын
α-бөлшектер
бөледі.
Дегенмен
кейбір
ядролар
моноэнергетикалық
α –бөлшектердің
бірнеше
типтерін
бөледі,
бұл
α-спектрлерінің
нәзік
құрылымы
деп
аталады.
Мысалы,
екі
энергиялы
α –бөлшектерін
бөледі.
=4,88
МэВ
(96%);
=4,68
МэВ
(4%);
Аз энергиялы α –бөлшектер аз интенсивтілікпен түседі. Егер осындай ядролар үшін α –сәулелену спектрін тұрғызсақ, абсцисса осіне α – бөлшектерінің энегиясын, ал ордината осіне α –бөлшектерінің берілген энергиясын қойсақ, онда дискретті сызықтар қатары алынады (1-сурет). Жолақ ені (дискретті) ретте 0,1 эВ, бұл α –бөлшектерінің монохроматтылық дәрежесін көрсетеді. α –бөлшектерінің энегриясы барлығы үшін α -активті изотоптары 2000 белгілі
Энергияның
орташа мәні 6 МэВ. α
–ыдыраудың екі жағдайы белгілі,
α-бөлшектерінің
негізгі тобымен бірге ,
ядролары жоғары энергиялы(
10,5
МэВ) α
–бөлшектерінің аздаған санын бөледі.
Мұндай α
– бөлшектер ұзақ толқынды деп аталады,
солайша олар затта (
)
заңы
бойынша кинетрикалық энергия артқан
сайын арта түседі.
Моноэнергетикалық пен дискреттілік α –спектрлерінің негізгі қасиеті болып табылады, ядроның энергетикалық деңгейін зерттеуде қолданылады.
α –ыдыраудың тағы бір артықшылығы радиоактивті ядроның жартылай ыдырау периоды кең ауқымда өзгереді
жыл.
Гейгер мен Нэттол тәжірибеде α -активті элементтер үшін барлық үш радиоактивті топтарының тәуелділігі ядроның ыдырау тұрақтысы λ және α - бөлшектерінің жолына Rα тәуелді, ол мына түрде жазылады
A және В – тұрақтылар.
2-суретте осы үш топтар үшін Гейгер мен Нэттол заңдары графикалық кескінделген. α –бөлшектер ядрода толық түзілім ретінде болады деп тұжырымдауға болады, нуклон түзетін ядроның потенциалды өрісінде қозғалады. Ыдырау кезінде пайда болған α –бөлшектердің ядромен әрекеттесуінің потенциал энергиясының қашықтыққа тәуелділігі 3-суретте көрсетілген.
CD бөлігі α –бөлшектердің ядромен кулондық әрекеттесуімен анықталады. СВ бөлігіндегі кең қырат қысқа әсерлі ядролық тарту күшінен болады. Ядроның ішінде α –бөлшектердің потенциал энергиясы тұрақты ретінде алынады (АВ бөлігі). Ядро шегіндегі кулондық энергия шамасын бағааймыз, яғни потенциал тосқауыл биіктігін анықтаймыз. Мысалы, ядросы ыдырасын. Онда α –бөлшектер (заряды 2е) ядро шегінде ядромен әрекеттеседі (заряды (92-2)е)
Ядродан ұшып шығатын α –бөлшектер орташа кинетикалық энергиясы 5 МэВ, яғни кулондық тосқауыл биіктігінен сәл төмен, Бұл факты классикалық физика аясында түсіндіру мүмкін емес.
Егер ұшып шыққан α –бөлшектердің энергиясы 5 МэВ, ал тосқауылдың потенциал энергиясы 30 МэВ болса, онда α –бһлшектердің кинетикалық энергиясы теріс мәнді болады,
.
Классикалық
механикаға сәйкес, егер салмағы m
болатын шар
жылдамдықпен кинетикалық энергияға ие
болса, потенциал энергиясы төмен,
тосқауыл шыңында 
онда тосқауылға жақын келе, ол теріс
айналады (4-сурет).
Басқа жағдайлар толқындық қасиеттерге ие бөлшектерге тән. Квантты механика потенциал тосқауылдың соңғы биіктігінде зарядталған бөлшектер төмен түседі, толық энергия оң мәнге ие болады, дегенмен аз болса да тосқауылдан өтеді деп көрсетеді.Мұндай кванты эффектінің болуы «туннельді жол» деп аталады және α-ыдырау негізінде жатыр.
Бөлшектердің бұл квантты механикаға бағыну қасиеті алғаш М.А.Леонтовичь пен Л.И.Мандельштам байқаған болатын және -ыдырау теориясын құру үшін Г.А.Гамов сәтті қолданды.
4.3 -спектрінің нәзік құрылымы
Осы уақытқа дейін біз ядро ыдырағанда негізгі жағдайынан жаңа ядро негізгі күйде пайда болады деп болжаған болатынбыз. Тыныш күйдегі ядроның ең төменгі салмағы анықталатын негізгі энергия үшін мүмкіндігінше аз сәйкес келетін, негізгі күй деп аталатынын еске саламыз. Ядроның қалған энергетикалық күйлері қозған деп аталады. Көптеген қозған күйлер бастапқы энергиясымен ғана емес, сонымен қатар басқа да параметрлері- спиндері, нақтылығымен де ерекшеленеді.
Теңдеуді
сипаттау үшін мынадай белгілеулер
енгізіледі:
, мұндағы 
– толық импульс моментінің шамасын
көрсетеді, «
»
белгісі нақтылығы, n – энергетикалық
деңгей нөмірі.
α –бөлшектерінің негізгі тобының шашырауы бастапқы және соңғы ядролар арасындағы энергетикалық ауысуға сәйкес келеді. α –бөлшектерінің басқа моноэнергетикалық топтарының туындауы ядроның α –ыдырауының нәтижесінде түзілетін түрлі қозған күйлермен түсіндіріледі. Бұл α –сызықтарынығ нәзік құрылымының туындауына алып келеді, α –бөлшектері топтарының энергияларының айырмасы, негізгі деңгейден қозған дейңгейге шашырайтын ядро-өнімнің қозу энергиясын анықтайды. (6-сурет).
6-сурет.
α –спектрлерінің нәзік құрылымнан өтуі ұзынтолқынды α - бөлшектер
Егер жаңа ядро қозған күйде болса, онда α -ыдырау γ-сәулелермен жүруі керек, спектр сызығы ядро-өнім деңгейі сызбасынан анықталады.Ыдырау бірден α –бөлшектерінің энергиясының артуымен жоғарылайтыны және импульс моменті артқан сайын төмендейтіні белгілі. Сәйкесінше, нәзік құрылымды α –бөлшектерінің интенсивтілігі олардың энергияларының артуымен жоғарылауы және олырдың импульс моменттерінің артуымен төмендеуі тиіс. Сондықтан осы екі факторды есте ұстаған жөн.
Сонымен, α –спектрлерінің нәзік құрылымын ескере отырып, ядро өнімнің энергетикалық деңгейі туралы мәлімет алуға болады.
4.4. Ұзақтолқынды α - бөлшектер
Ұ
зақтолқынды
α
–бөлшектердің болуын α
–ыдырауды ядро сезінеді, сондықтан
қозған күйде болатындығымен түсіндіріледі.
Мұнда α
– бөлшектер бастапқы ыдырауға дейінгі
күйіне қарағанда үлкен энергияға ие
болады (ядроның қозған энергиясына
дейін). Шындығында да, егер α
–ыдырайтын ядро алдыңғы α
- немесе бета-ыдырау өнімі болса, онды
ол бастапқыда негізгі күйде, сосын
қозған күйде де бола алады. Көбінесе
ядролардың γ-квант шашырауынан негізгі
күйге ауысу ықтималдығы α
–ыдырау кезіндегі ықтималдығынан
көбірек болады. Сондықтан қозған
ядролардың α
–ыдырауы көбіне байқалмайды. Дегенмен,
екі процесс салыстырмалы түрде болса
онда α
-ыдырау негізгі күйдегі және қозған
күйдегі ядрода бақыланады. Бқл ыдыраудың
жоғары энергиясында орын алады, көбіне
аз өмір сүретін элементтерде :
и
.
Осы жылдан бастап ол ұзақ қашықтыққа топтар арасындағы энергетикалық айырмашылық тікелей деңгейлі орналасуын өнім ядросы мен бастапқы ядросы (сур. 7) болып табылмайтын анықтау екенін мынадай.Альфа ыдырау және γ-сәуле шығарындылар: екі бәсекелес процестердің қозғалған ядролардың ыдырауы Сондықтан. Бірақ бір ғана 10000 ядролардың α-бөлшектердің эмиссиясының өнім ядросын γ-сәуле түрінде артық энергиясын беруге уақыт бар, бұрын. Ұзақ толқынды α бөлшектердің спектрін зерттеу арқылы ядро көзінің энергетикалық деңгейлері туралы ақпарат алуға болады.
7 Дәріс