Cum se schimbă masa și viteza de dezintegrare atomică. Tipuri de transformări nucleare, dezintegrare alfa și beta. Izotopi: stabili și radioactivi

Dezintegrarea alfa(a-decay) - un tip de dezintegrare radioactivă a nucleelor ​​atomice, atunci când este emisă o particulă alfa, sarcina nucleului scade cu 2 unități, numărul de masă cu 4. Dezintegrarea alfa este caracteristică elementelor radioactive cu un număr atomic mare Z.

Orez. 1. Reprezentarea schematică a dezintegrarii a.

Dezintegrarea alfa este transformarea spontană a unui nucleu atomic cu numărul de protoni Zși neutroni N către un alt nucleu (fiică) care conține numărul de protoni Z-2 și neutroni N- 2. În acest caz, este emisă o particulă alfa - nucleul unui atom de heliu 4//^+.

În timpul dezintegrarii a nucleului original, numărul atomic al nucleului rezultat scade cu două unități, iar numărul de masă scade cu 4 unități, conform schemei:

Exemple de descompunere a includ descompunerea izotopului uraniu-238:

(în timpul acestei dezintegrare, nucleul de toriu și particula alfa zboară cu energii cinetice de 0,07 MeV și 4,18 MeV) și radiu-226:

Aici intră în joc regula de schimbare formulată de Faience și Soddy: un element format dintr-un alt element prin emisia de raze a ocupă un loc în tabelul periodic două grupe la stânga elementului original.

Gradul de instabilitate al nucleelor ​​este caracterizat de valoarea timpului de înjumătățire - perioada de timp în care jumătate din nucleele unui anumit izotop radioactiv se descompun. Majoritatea izotopilor radioactivi au modele complexe de descompunere. În astfel de cazuri, diagramele indică procentul acestui tip de radiație în raport cu numărul total de tranziții (Fig. 1 și 2).

Orez. 2. Schema decăderii lui 230 mii.

Energia totală de dezintegrare a:

Unde E a- energia particulei a, E tl este energia atomului de recul și R„shb este energia de excitație a nucleului fiu.

Pentru nuclizii pari mai ușori (L

Energia cinetică a particulelor alfa în timpul dezintegrarii alfa (E și) este determinată de masele nucleului inițial și final și ale particulei alfa. Această energie poate scădea oarecum dacă nucleul final se formează într-o stare excitată și, dimpotrivă, crește ușor dacă nucleul care emite particula alfa a fost excitat (astfel de particule alfa cu energie crescută se numesc cu rază lungă). Cu toate acestea, în toate cazurile, energia dezintegrarii a este întotdeauna legată de diferența de mase și nivelurile de excitație ale nucleelor ​​inițiale și finale și, prin urmare, spectrul particulelor a emise nu este întotdeauna continuu, ci căptușit.

Energia eliberată în timpul dezintegrarii a

Unde Ma și M A -4 - mase ale nucleelor ​​mamă și fiică, M a - masa unei particule. Energie E este împărțit între particula a și nucleul fiu în proporție inversă cu masele lor, de unde energia particulelor a:

Energia recul:

Energia de recul a nucleului fiu este de obicei în regiunea de aproximativ 1 MeV, ceea ce corespunde unei lungimi de călătorie în aer de câțiva milimetri.

În condiții terestre, există aproximativ 40 de izotopi a-radioactivi. Ele sunt combinate în trei serii radioactive, care încep cu 2 3 6 U ( A = 477), 2 3 8 U (A = 477+2), 2 35U ( A = 477+3). Acestea pot include în mod condiționat (întrucât izotopii acestei serii au reușit să se degradeze în timpul existenței Pământului) să includă a patra serie, care începe cu 2 3?Np (A = 477+1). După o serie de dezintegrari succesive, se formează nuclee stabili cu un număr de protoni și neutroni apropiat sau egal cu numerele magice (Z = 82, N = 126), respectiv 2o8 Pb, 2o6 Pb, 2° 7 Pb, 2° 9Bi. Durata de viață a nucleelor ​​active variază de la Yu 17 ani (2 °4Рь) până la al 3-lea* 7 s (212 Rho). Nuclizii cu viață lungă sunt 2 Ce, *44Ne, 17 4Hf, ale căror timpi de înjumătățire sunt

(2+5) 10*5 ani.

Orez. 3. Fascicule plate de raze a dintr-o sursă mică: a - sursă 210 Po, un grup de raze a; b - sursa 227 Th, două grupuri cu poteci apropiate în lungime; c - sursa 2u Bi+ 2n Po, sunt vizibile două particule a 211Р0; d - sursa de ~ 8 Th cu produșii săi de descompunere ^Ra, 2 3-Th, 21b Po, 212 Bi+ 212 Po 6 grupe.

Dezintegrarea alfa este posibilă dacă energia de legare a particulei alfa în raport cu nucleul părinte este negativă. Pentru ca nucleul să fie a-radioactiv, trebuie îndeplinită o condiție, care este o consecință a legii conservării energiei

M(Huh?) >M(L-4^-2) + M a, (9)

Unde M(A,Z)Și M(A- 4,Z-2) sunt masele de repaus ale nucleelor ​​inițiale și, respectiv, finale, M a- masa particulei a. În acest caz, ca urmare a dezintegrarii, nucleul final și particula alfa dobândesc o energie cinetică totală E.

Energiile cinetice ale particulelor alfa variază de la 1,83 MeV (*44Nd) la 11,65 MeV (izomer Po 212m). Energia particulelor alfa emisă de ramia grea din stările fundamentale este de 4+9 MeV, iar cea emisă de elementele pământurilor rare este de 2+4,5 MeV. Intervalul unei particule a cu energie tipică E a =6 MeV este -5 cm în aer în condiții normale și ~0,05 mm în A1.

Orez. 4. Spectrul a experimental al izotopilor de plutoniu.

Spectrul de particule care apar în timpul dezintegrarii nucleului mamă constă adesea din mai multe linii monoenergetice corespunzătoare tranzițiilor cuantice la diferite niveluri de energie ale nucleului fiu.

Deoarece particula a nu are spin, regulile de selecție pentru momentul unghiular I-L iar paritatea, care rezultă din legile de conservare corespunzătoare, se dovedesc a fi simple. Impuls unghiular L sau-particulele pot lua valori în intervalul:

unde /, și Dacă- momentele unghiulare ale stărilor inițiale și finale ale nucleelor ​​(mamă și fiică). În acest caz, sunt permise numai valorile pare ale lui L dacă paritățile ambelor state coincid, iar valorile impare dacă paritățile nu coincid.

Orez. 5. dependenta de lg T din E a "1/2 pentru izotopi uniformi ai poloniului, radonului și radiului.

O proprietate a dezintegrarii a este prezența unei dependențe clare și, în plus, foarte puternice între energia particulelor „-emise” și timpul de înjumătățire al nucleelor ​​„-radioactive. Cu o mică modificare a energiei particulelor alfa, timpii de înjumătățire (T) se modifică cu multe ordine de mărime. Deci 2 з 2 ТЪ?„=4,08 MeV, 7=1,41 10 yu l și 2l8 Th E a = 9,85 MeV, T=yu μs. O dublare a energiei corespunde unei schimbări a timpului de înjumătățire de 24 de ordine de mărime.

Pentru izotopii pari-pari ai unui element, dependența timpului de înjumătățire de energia de descompunere a este bine descrisă prin relația (legea Geiger-Nettall):

unde Ci și c 2 sunt constante care depind slab de Z.

Pentru constanta de dezintegrare, legea Geiger-Netall are forma:

Unde binb 2 - constante și b 2 - generală, și b- individual pentru fiecare serie naturală, R- lungimea traseului unei particule alfa în aer, E a - energie a particulelor a.

O dependență de acest fel a fost stabilită empiric în 1912 de G. Geiger și J. Netall și fundamentată teoretic în 1928 de G. Gamow ca urmare a unei considerații mecanice cuantice a procesului de dezintegrare a care are loc printr-o tranziție de tunel. Teoria descrie bine tranzițiile dintre stările fundamentale ale nucleelor ​​pare-pare. Pentru nucleele impar-pare, par-impar și impar-impar tendința generală rămâne, dar timpul de înjumătățire al acestora este de 2-1000 de ori mai lung decât pentru nucleele pare-pare cu Z și dat dat. E a.

Prevalența α-radioactivității este determinată în mare măsură de dependența puternică a duratei de viață a unor astfel de nuclee de energia lor de descompunere. Această energie este pozitivă dacă timpul de înjumătățire este în intervalul kg 12 secT = 10 1v ani activitatea a 1 g de izotop c A=200 este doar 1.810 m2 Ci).

Pentru izotopii elementelor cu Z

Se cunosc peste 200 de nuclee a-active, situate în principal la capătul tabelului periodic, în spatele plumbului (Z>82), care completează umplerea învelișului nuclear de proton cu Z=82. Dezintegrarea alfa este asociată cu

Repulsia coulombiană, care crește pe măsură ce dimensiunea nucleelor ​​crește mai repede (ca Z 2) decât forțele de atracție nucleare, care cresc liniar odată cu creșterea numărului de masă A.

Orez. 6. Dependența energiei de descompunere a a izotopilor elementelor de la poloniu (Z=84) la fermiu (Z=ioo) de numărul de neutroni din nuclee.

Există, de asemenea, aproximativ 20 de izotopi a-radioactivi ai elementelor pământurilor rare (A=i40-ri6o). Aici a-decay este cel mai tipic pentru nucleele cu N= 84, care, atunci când emit particule alfa, se transformă în nuclee cu o înveliș de neutroni umplut (N= 82). Există, de asemenea, un grup mic de emițători α în decalajul dintre pământurile rare și nucleele grele și există mai multe nuclee cu deficit de neutroni care emit α cu A~.

Durata de viață a nucleelor ​​a-active variază foarte mult: de la 3-10-" sec (pentru 2,2 Po) la (2-5)-10*5 l (izotopi naturali '4 2 Ce, * 44 Nd, OMS. Energie a- dezintegrarea se află în intervalul de 44-9 MeV (cu excepția cazului particulelor a cu rază lungă) pentru toate nucleele grele și 24-4,5 MeV pentru elementele pământurilor rare de elemente cu Z = 84. -100 este prezentat în Fig. 6.

În teoria dezintegrarii α, se presupune că nucleul mamă este un put de potențial pentru particulele α, care este limitat de o barieră potențială. Energia particulei alfa din nucleu nu este suficientă pentru a depăși această barieră. Evadarea unei particule alfa din nucleu este posibilă numai datorită unui fenomen mecanic cuantic numit efect de tunel. Conform mecanicii cuantice, există o probabilitate diferită de zero ca o particulă să treacă printr-o barieră de potențial. Fenomenul tunelului este de natură probabilistică.

Efect de tunel(tunele) - depășirea unei bariere potențiale de către o microparticulă în cazul în care energia sa totală (care rămâne neschimbată în timpul tunelului) este mai mică decât înălțimea barierei. Efect de tunel - un fenomen de natură cuantică, imposibil în mecanica clasică; Un analog al efectului de tunel în optica undelor poate fi pătrunderea unei unde luminoase într-un mediu reflectorizant în condițiile în care, din punctul de vedere al opticii geometrice, are loc o reflexie internă totală. Fenomenul efectului de tunel stă la baza multor procese importante din fizica atomică și moleculară, V fizica nucleului atomic, starea solidă etc. În cele din urmă, tunelul se explică printr-o relație de incertitudine.

Orez. 7.

Principalul factor care determină probabilitatea dezintegrarii α și dependența acesteia de energia particulei α și de sarcina nucleului este bariera Coulomb. Cea mai simplă teorie a dezintegrarii α se reduce la descrierea mișcării unei particule α într-un puț de potențial cu o barieră (Fig. 7). Deoarece energia particulelor alfa este de 5-6 MeV, iar înălțimea barierei Coulomb pentru nucleele grele este de 254-30 MeV, evadarea unei particule alfa din nucleu poate avea loc numai datorită efectului de tunel, a cărui probabilitate. este determinată de permeabilitatea barierei. Probabilitatea dezintegrarii α depinde exponențial de energia particulei α.

În fig. Figura 7 arată dependența energiei potențiale de interacțiune a unei particule alfa cu un nucleu rezidual în funcție de distanța dintre centrele acestora. Potențialul coulombian este întrerupt la distanță R, care este aproximativ egală cu raza miezului rezidual. Înălțimea barierei Coulomb este direct proporțională cu sarcina nucleului, sarcina particulei alfa și invers proporțională R=r(A 1/s, r 0 - raza miezului. Este destul de semnificativ, de exemplu, pentru 2 g bariera Coulomb are o înălțime de 30 MeV, prin urmare, conform conceptelor clasice, o particulă alfa cu o energie de 4,5 MeV nu poate depăși o astfel de barieră. Cu toate acestea, datorită proprietăților sale de undă, particula a încă depășește o astfel de barieră.

În diagrama energiei nucleare pot fi distinse trei regiuni:

i" - potenţial sferic bine cu adâncimea V.În mecanica clasică, o particulă a cu energie cinetică E a +V 0 se poate deplasa în această zonă, dar nu o poate părăsi. În această regiune există o interacțiune puternică între particula alfa și nucleul rezidual.

R este regiunea barierei de potențial în care energia potențială este mai mare decât energia particulei alfa, adică. Aceasta este o regiune interzisă pentru o particulă clasică.

7*>r e - zona din afara barierei de potential. În mecanica cuantică, este posibil ca o particulă alfa să treacă printr-o barieră (tunnel), dar probabilitatea ca aceasta este foarte mică.

Teoria tunelului lui Gamow a explicat dependența puternică a timpului de înjumătățire al nuclizilor care emit α de energia particulei α. Cu toate acestea, timpii de înjumătățire pentru multe nuclee au fost prezise cu erori mari. Prin urmare, teoria lui Gamow a fost îmbunătățită de mai multe ori. Au fost luate în considerare atât posibilitatea dezintegrarii nucleelor ​​cu impuls orbital diferit de zero, cât și deformarea puternică a nucleelor ​​(particulele a scapă mai ușor de-a lungul axei majore a elipsoidului, iar probabilitatea medie de scăpare diferă de cea pentru un nucleu sferic ), etc. Teoria lui Gamow nu a ținut cont de structura stărilor nucleelor ​​inițiale și finale și de problema formării unei particule alfa în nucleu, a cărei probabilitate a fost presupusă a fi egală cu 1. Pentru nucleele pare-pare, această aproximare descrie destul de bine experimentul. Cu toate acestea, dacă restructurarea structurii nucleelor ​​inițiale în cele finale este vizibil dificilă, atunci valorile calculate ale timpilor de înjumătățire se pot schimba cu două ordine de mărime.

O particulă alfa nu există tot timpul în nucleul în descompunere α, dar cu o probabilitate finită să apară pe suprafața sa înainte de a pleca. În stratul de suprafață al nucleelor ​​grele există grupuri a-particule de nucleoni, formate din doi protoni și doi neutroni (a-clusters). Se știe că dezintegrarea a are loc cu 2-4 ordine de mărime mai rapid atunci când o particulă a se formează din perechi de neutroni și protoni, în comparație cu dezintegrarea atunci când o particulă a este formată din nucleoni nepereche. În primul caz, dezintegrarea a se numește favorabilă și toate tranzițiile a între stările fundamentale ale nucleelor ​​pare-pare se dovedesc a fi astfel. În al doilea caz, dezintegrarea a se numește nefavorabilă.

Conform conceptelor chimice moderne, un element este un tip de atom cu aceeași sarcină nucleară, care se reflectă în numărul de serie al elementului din tabelul D.I. Mendeleev. Izotopii pot diferi în ceea ce privește numărul de neutroni și, în consecință, masa atomică, dar deoarece numărul de particule încărcate pozitiv - protoni - este același, este important să înțelegem că vorbim despre același element.

Un proton are o masă de 1,0073 amu. (unități de masă atomică) și sarcină +1. Unitatea de sarcină electrică este sarcina unui electron. Masa unui neutron neutru din punct de vedere electric este de 1,0087 amu. Pentru a desemna un izotop, este necesar să se indice masa atomică a acestuia, care este suma tuturor protonilor și neutronilor, și sarcina nucleului (numărul de protoni sau, ceea ce este același lucru, numărul atomic). Masa atomică, numită și numărul de nucleon sau nucleon, este de obicei scrisă în partea stângă sus a simbolului elementului, iar numărul atomic este scris în stânga jos.

O formă similară de notație este utilizată pentru particulele elementare. Astfel, razelor β, care sunt electroni și au o masă neglijabil de mică, li se atribuie o sarcină de -1 (jos) și un număr de masă de 0 (sus). Particulele α sunt ioni de heliu cu încărcare dublă pozitivă, prin urmare sunt desemnați prin simbolul „He” cu o sarcină nucleară de 2 și un număr de masă de 4. Masele relative ale protonului p n sunt luate ca 1, iar sarcinile lor sunt: respectiv, 1 și 0.

Izotopii elementelor de obicei nu au nume separate. Singura excepție este hidrogenul: izotopul său cu numărul de masă 1 este protiu, 2 este deuteriu, 3 este tritiu. Introducerea denumirilor speciale se datorează faptului că izotopii de hidrogen diferă cât mai mult unul de celălalt ca masă.

Izotopi: stabili și radioactivi

Izotopii sunt stabili și radioactivi. Primele nu suferă degradare, prin urmare se păstrează în natură în forma lor originală. Exemple de izotopi stabili sunt oxigenul cu masa atomica 16, carbonul cu masa atomica 12, fluorul cu masa atomica 19. Majoritatea elementelor naturale sunt un amestec de mai multi izotopi stabili.

Tipuri de dezintegrare radioactivă

Izotopii radioactivi, naturali și artificiali, se descompun spontan prin emiterea de particule α sau β pentru a forma un izotop stabil.

Ei vorbesc despre trei tipuri de transformări nucleare spontane: α-decay, β-decay și γ-decay. În timpul dezintegrarii α, nucleul emite o particulă α formată din doi protoni și doi neutroni, în urma căreia numărul de masă al izotopului scade cu 4 și sarcina nucleului cu 2. De exemplu, radiul se descompune în radon. și ion de heliu:

Ra(226, 88)→Rn(222, 86)+He(4, 2).

În dezintegrarea beta, un neutron dintr-un nucleu instabil se transformă într-un proton, iar nucleul emite o particulă beta și un antineutrin. Numărul de masă al izotopului nu se modifică, dar sarcina nucleului crește cu 1.

În timpul dezintegrarii γ, nucleul excitat emite radiații γ cu o lungime de undă scurtă. În acest caz, energia nucleară scade, dar sarcina nucleară și numărul de masă rămân neschimbate.

Timpurile de înjumătățire ale nucleelor ​​α-radioactive cunoscute variază foarte mult. Astfel, izotopul de wolfram 182 W are un timp de înjumătățire T 1/2 > 8,3·10 18 ani, iar izotopul de protactiniu 219 Pa are T 1/2 = 5,3·10 -8 s.

Orez. 2.1. Dependența timpului de înjumătățire al unui element radioactiv de energia cinetică a unei particule α a unui element radioactiv natural. Linia întreruptă este legea Geiger-Nattall.

Pentru izotopii pari-pari, dependența timpului de înjumătățire de energia de descompunere α Q α descrise empiric Legea Geiger-Nettall

unde Z este sarcina nucleului final, timpul de înjumătățire T 1/2 este exprimat în secunde, iar energia particulei α E α este în MeV. În fig. Figura 2.1 prezintă valorile experimentale ale timpilor de înjumătățire pentru izotopii α-radioactivi pari-pari (Z variază de la 74 la 106) și descrierea acestora folosind relația (2.3).
Pentru nucleele impar-pare, par-impar și impar-impar tendința generală a dependenței
log T 1/2 din Q α este păstrat, dar timpii de înjumătățire sunt de 2-100 de ori mai lungi decât pentru nucleele pare-pare cu același Z și Q α .
Pentru ca dezintegrarea α să aibă loc, este necesar ca masa nucleului inițial M(A,Z) să fie mai mare decât suma maselor nucleului final M(A-4, Z-2) și a particulei α. M α:

unde Q α = c 2 este energia de dezintegrare α.
Deoarece M α<< M(A-4, Z-2), partea principală a energiei de dezintegrare α este dusă de către α ‑ particulă și doar ≈ 2% - nucleul final (A-4, Z-2).
Spectrele de energie ale particulelor α ale multor elemente radioactive constau din mai multe linii (structura fină a spectrelor α). Motivul apariției structurii fine a spectrului α este dezintegrarea nucleului inițial (A,Z) în starea excitată a nucleului (A-4, Z-2). Măsurând spectrele particulelor alfa se pot obține informații despre natura stărilor excitate
miezuri (A-4, Z-2).
Pentru a determina intervalul de valori ale nucleelor ​​A și Z pentru care dezintegrarea α este posibilă din punct de vedere energetic, se folosesc date experimentale privind energiile de legare ale nucleelor. Dependența energiei de dezintegrare α Q α de numărul de masă A este prezentată în Fig. 2.2.
Din fig. 2.2 este clar că dezintegrarea α devine posibilă energetic începând de la A ≈ 140. În regiunile A = 140–150 și A ≈ 210, valoarea lui Q α are maxime distincte, care se datorează structurii învelișului nucleului. Maximul la A = 140–150 este asociat cu umplerea învelișului de neutroni cu numărul magic N = A – Z = 82, iar maximul la A ≈ 210 este asociat cu umplerea învelișului de protoni la Z = 82. Datorită structurii învelișului nucleului atomic prima regiune (pământuri rare) a nucleelor ​​α-active începe cu N = 82, iar nucleele α-radioactive grele devin deosebit de numeroși începând de la Z = 82.

Orez. 2.2. Dependența energiei de descompunere α de numărul de masă A.

Gama largă de timpi de înjumătățire, precum și valorile mari ale acestor perioade pentru multe nuclee α-radioactive, se explică prin faptul că o particulă α nu poate părăsi „instantaneu” nucleul, în ciuda faptului că acesta este energetic. favorabil. Pentru a părăsi nucleul, particula α trebuie să depășească bariera de potențial - regiunea de la limita nucleului, formată din cauza energiei potențiale a respingerii electrostatice a particulei α și a nucleului final și a forțelor atractive dintre nucleonii. Din punctul de vedere al fizicii clasice, o particulă alfa nu poate depăși o barieră potențială, deoarece nu are energia cinetică necesară pentru aceasta. Cu toate acestea, mecanica cuantică permite o astfel de posibilitate - α ‑ particula are o anumită probabilitate de a trece prin bariera de potențial și de a părăsi nucleul. Acest fenomen mecanic cuantic se numește „efect de tunel” sau „tunnel”. Cu cât înălțimea și lățimea barierei sunt mai mari, cu atât probabilitatea tunelului este mai mică, iar timpul de înjumătățire este în mod corespunzător mai lung. Gamă largă de timpi de înjumătățire
Emițătorii α sunt explicați prin diferite combinații de energii cinetice ale particulelor α și înălțimi ale barierelor potențiale. Dacă bariera nu ar exista, atunci particula alfa ar lăsa nucleul în spatele nuclearului caracteristic
timp ≈ 10 -21 – 10 -23 s.
Cel mai simplu model de dezintegrare α a fost propus în 1928 de G. Gamow și, independent, de G. Gurney și E. Condon. În acest model, s-a presupus că particula α există în mod constant în nucleu. În timp ce particula alfa se află în nucleu, asupra ei acționează forțele nucleare de atracție. Raza acţiunii lor este comparabilă cu raza nucleului R. Adâncimea potenţialului nuclear este V 0 . În afara suprafeței nucleare la r > R potențialul este potențialul de respingere Coulomb

V(r) = 2Ze2/r.

Orez. 2.3. Energiile particulelor α E α în funcție de numărul de neutroni N
în nucleul original. Liniile conectează izotopii aceluiași element chimic.

O diagramă simplificată a acțiunii combinate a potențialului atractiv nuclear și a potențialului repulsiv Coulomb este prezentată în Figura 2.4. Pentru a părăsi nucleul, o particulă α cu energie E α trebuie să treacă printr-o barieră de potențial conținută în regiunea de la R la Rc. Probabilitatea dezintegrarii α este determinată în principal de probabilitatea D ca o particule α să treacă printr-o barieră de potențial

În cadrul acestui model, a fost posibilă explicarea dependenței puternice a probabilității α ‑ dezintegrarea din energia particulei α.

Orez. 2.4. Energia potențială a unei particule α. Bariera potențială.

Pentru a calcula constanta de dezintegrare λ, este necesar să se înmulțească coeficientul de trecere al unei particule α prin bariera de potențial, în primul rând, cu probabilitatea w α ca particula α să se formeze în nucleu și, în al doilea rând, prin probabilitatea ca acesta să se afle la limita centrală. Dacă o particulă alfa dintr-un nucleu cu raza R are o viteză v, atunci se va apropia de graniță în medie ≈ v/2R ori pe secundă. Ca rezultat, pentru constanta de dezintegrare λ obținem relația

(2.6)

Viteza unei particule α din nucleu poate fi estimată pe baza energiei sale cinetice E α + V 0 din interiorul puțului de potențial nuclear, ceea ce dă v ≈ (0,1-0,2) s. De aici rezultă deja că, dacă există o particulă alfa în nucleu, probabilitatea ca aceasta să treacă prin bariera D<10 -14 (для самых короткоживущих относительно α‑распада тяжелых ядер).
Rugozitatea estimării factorului pre-exponenţial nu este foarte semnificativă, deoarece constanta de dezintegrare depinde de aceasta incomparabil mai puţin decât de exponent.
Din formula (2.6) rezultă că timpul de înjumătățire depinde puternic de raza nucleului R, întrucât raza R este inclusă nu numai în factorul pre-exponențial, ci și în exponent, ca limită de integrare. Prin urmare, din datele despre dezintegrarea α este posibil să se determine razele nucleelor ​​atomice. Razele obținute în acest fel se dovedesc a fi cu 20–30% mai mari decât cele găsite în experimentele de împrăștiere a electronilor. Această diferență se datorează faptului că în experimentele cu electroni rapizi se măsoară raza distribuției sarcinii electrice în nucleu, iar în dezintegrarea α se măsoară distanța dintre nucleu și particula α, la care forțele nucleare încetează să mai funcționeze. act.
Prezența constantei lui Planck în exponentul (2.6) explică dependența puternică a timpului de înjumătățire de energie. Chiar și o mică modificare a energiei duce la o schimbare semnificativă a exponentului și, prin urmare, la o schimbare foarte bruscă a timpului de înjumătățire. Prin urmare, energiile particulelor α emise sunt foarte limitate. Pentru nucleele grele, particulele α cu energii de peste 9 MeV zboară aproape instantaneu, iar cu energii sub 4 MeV trăiesc în nucleu atât de mult încât dezintegrarea α nici măcar nu poate fi detectată. Pentru nucleele α-radioactive de pământuri rare, ambele energii sunt reduse prin reducerea razei nucleului și a înălțimii barierei de potențial.
În fig. Figura 2.5 arată dependența energiei de dezintegrare α a izotopilor Hf (Z = 72) de numărul de masă A în intervalul numerelor de masă A = 156–185. Tabelul 2.1 prezintă energiile de dezintegrare α, timpii de înjumătățire și canalele principale de dezintegrare ale izotopilor 156–185 Hf. Se poate observa cum, pe măsură ce numărul de masă A crește, energia de dezintegrare α scade, ceea ce duce la o scădere a probabilității de dezintegrare a α și la o creștere a probabilității de dezintegrare β (Tabelul 2.1). Izotopul 174 Hf, fiind un izotop stabil (în amestecul natural de izotopi este de 0,16%), se descompune totuși cu un timp de înjumătățire T 1/2 = 2·10 15 ani cu emisia unei particule α.

Orez. 2.5. Dependența energiei de descompunere α Q α a izotopilor Hf (Z = 72)
din numărul de masă A.

Tabelul 2.1

Dependența energiei de dezintegrare α Q α, timpul de înjumătățire T 1/2,
diferite moduri de dezintegrare a izotopilor H f (Z = 72) în funcție de numărul de masă A

Izotopii Hf cu A = 176–180 sunt izotopi stabili. Acești izotopi au, de asemenea, energie de descompunere α pozitivă. Cu toate acestea, energia de dezintegrare α ~ 1,3–2,2 MeV este prea mică și dezintegrarea α a acestor izotopi nu a fost detectată, în ciuda probabilității diferite de zero de dezintegrare α. Cu o creștere suplimentară a numărului de masă A > 180, β - dezintegrarea devine canalul de dezintegrare dominant.
În timpul descompunerilor radioactive, nucleul final poate ajunge nu numai în starea fundamentală, ci și într-una dintre stările excitate. Cu toate acestea, dependența puternică a probabilității de dezintegrare α de energia particulei α duce la faptul că descompunerea în niveluri excitate ale nucleului final apar de obicei cu o intensitate foarte scăzută, deoarece atunci când nucleul final este excitat, energia particulei α scade. Prin urmare, pot fi observate experimental doar decăderile la niveluri de rotație cu energii de excitație relativ scăzute. Degradările în nivelurile excitate ale nucleului final duc la apariția unei structuri fine în spectrul energetic al particulelor α emise.
Principalul factor care determină proprietățile dezintegrarii α este trecerea particulelor α printr-o barieră de potențial. Alți factori se manifestă relativ slab, dar în unele cazuri fac posibilă obținerea de informații suplimentare despre structura nucleului și mecanismul dezintegrarii α a nucleului. Unul dintre acești factori este apariția unei bariere centrifuge mecanice cuantice. Dacă o particulă α este emisă dintr-un nucleu (A,Z) cu ​​spin J i , și se formează un nucleu finit
(A-4, Z-2) într-o stare cu spin J f, atunci particula α trebuie să ia impulsul total J, determinat de relația

Deoarece particula α are spin zero, momentul ei unghiular total J coincide cu momentul unghiular orbital l purtat de particula α

Ca urmare, apare o barieră centrifugă cuantică mecanică.

Modificarea formei barierei de potențial din cauza energiei centrifuge este nesemnificativă, în principal datorită faptului că energia centrifugă scade cu distanța mult mai repede decât energia Coulomb (ca 1/r 2, și nu ca 1/r). Cu toate acestea, deoarece această modificare este împărțită la constanta lui Planck și cade în exponent, atunci la mare l, duce la o schimbare a duratei de viață a nucleului.
Tabelul 2.2 arată permeabilitatea calculată a barierei centrifuge B l pentru particulele α emise cu impuls orbital l în raport cu permeabilitatea barierei centrifuge B 0 pentru particulele α emise cu impuls orbital l = 0 pentru un nucleu cu Z = 90, Energia particulelor α E α = 4,5 MeV. Se poate observa că odată cu creșterea impulsului orbital l purtat de particula α, permeabilitatea barierei centrifuge mecanice cuantice scade brusc.

Tabelul 2.2

Permeabilitatea relativă a barierei centrifuge ptα - particule,
plecând cu impulsul orbital l
(Z = 90, E α = 4,5 MeV)

Un factor mai semnificativ care poate redistribui dramatic probabilitățile diferitelor ramuri ale dezintegrarii α poate fi necesitatea unei restructurari semnificative a structurii interne a nucleului în timpul emisiei unei particule α. Dacă nucleul inițial este sferic, iar starea fundamentală a nucleului final este puternic deformată, atunci pentru a evolua în starea fundamentală a nucleului final, nucleul inițial trebuie să se rearanjeze în procesul de emitere a unei particule alfa, schimbându-se foarte mult. forma sa. O astfel de modificare a formei nucleului implică de obicei un număr mare de nucleoni și un sistem cu puțini nucleoni, cum ar fi α ‑ este posibil ca o particulă care părăsește nucleul să nu o poată furniza. Aceasta înseamnă că probabilitatea formării nucleului final în starea fundamentală va fi neglijabilă. Dacă printre stările excitate ale nucleului final există o stare apropiată de sferică, atunci nucleul inițial poate, fără o rearanjare semnificativă, să intre în el ca urmare a α ‑ dezintegrare Probabilitatea populației la un astfel de nivel se poate dovedi a fi mare, depășind semnificativ probabilitatea populației statelor inferioare, inclusiv starea fundamentală.
Din diagramele de dezintegrare α ale izotopilor 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra, dependențe puternice ale probabilității dezintegrarii α în stări excitate de energia particulei α și de impulsul orbital l purtat de particulele α sunt vizibile.
Dezintegrarea α poate apărea și din stările excitate ale nucleelor ​​atomice. Ca exemplu, Tabelele 2.3 și 2.4 arată modurile de dezintegrare ale stărilor de bază și izomerice ale izotopilor 151 Ho și 149 Tb.

Tabelul 2.3

α-degradări ale solului și stări izomerice de 151 Ho

Tabelul 2.4

α-degradări ale solului și stări izomerice de 149 Tb

În fig. Figura 2.6 prezintă diagramele energetice ale dezintegrarii solului și stărilor izomerice ale izotopilor 149 Tb și 151 Ho.

Orez. 2.6 Diagrame energetice ale dezintegrarii solului și stărilor izomerice ale izotopilor 149 Tb și 151 Ho.

Dezintegrarea α din starea izomeră a izotopului 151 Ho (J P = (1/2) + , izomerul E = 40 keV) este mai probabilă (80%) decât captarea e în această stare izomeră. În același timp, starea fundamentală a 151 Ho se descompune în principal ca urmare a capturii electronice (78%).
În izotopul de 149 Tb, dezintegrarea stării izomerice (J P = (11/2) - , izomerul E = 35,8 keV) are loc în cazul copleșitor ca urmare a e-capturii. Caracteristicile observate ale dezintegrarii solului și stărilor izomerice sunt explicate prin mărimea energiei dezintegrarii α și a captării e și a momentului unghiular orbital purtat de particula α sau neutrin.

Radiațiile alfa și beta se numesc în general descompunere radioactive. Acesta este un proces care este emisie din nucleu, care are loc cu o viteză enormă. Ca urmare, un atom sau izotopul său se poate schimba de la un element chimic la altul. Dezintegrarile alfa și beta ale nucleelor ​​sunt caracteristice elementelor instabile. Acestea includ toți atomii cu un număr de sarcină mai mare de 83 și un număr de masă mai mare de 209.

Condiții pentru ca reacția să apară

Dezintegrarea, ca și alte transformări radioactive, poate fi naturală sau artificială. Acesta din urmă apare din cauza pătrunderii unor particule străine în nucleu. Câtă dezintegrare alfa și beta poate suferi un atom depinde doar de cât de repede este atinsă o stare stabilă.

În circumstanțe naturale, apar descompunere alfa și beta minus.

În condiții artificiale, sunt prezente neutroni, pozitroni, protoni și alte tipuri mai rare de descompunere și transformări ale nucleelor.

Aceste nume au fost date de cineva care a studiat radiațiile radioactive.

Diferența dintre nucleul stabil și instabil

Capacitatea de a se descompune depinde direct de starea atomului. Așa-numitul nucleu „stabil” sau non-radioactiv este caracteristic atomilor care nu se descompun. În teorie, astfel de elemente pot fi observate la infinit pentru a le verifica în final stabilitatea. Acest lucru este necesar pentru a separa astfel de nuclee de cele instabile, care au un timp de înjumătățire extrem de lung.

Din greșeală, un astfel de atom „încetinit” poate fi considerat unul stabil. Cu toate acestea, un exemplu izbitor poate fi telurul și, mai precis, izotopul său cu numărul 128, care are o durată de viață de 2,2·10 24 de ani. Acest caz nu este izolat. Lantanul-138 are un timp de înjumătățire de 10-11 ani. Această perioadă este de treizeci de ori mai mare decât vârsta universului existent.

Esența dezintegrarii radioactive

Acest proces are loc aleatoriu. Fiecare radionuclid în descompunere capătă o viteză constantă pentru fiecare caz. Rata de decădere nu se poate modifica sub influența factorilor externi. Nu contează dacă reacția va avea loc sub influența unei forțe gravitaționale uriașe, la zero absolut, într-un câmp electric și magnetic, în timpul unui fel de reacție chimică etc. Procesul poate fi influențat doar de influența directă asupra interiorului nucleului atomic, ceea ce este practic imposibil. Reacția este spontană și depinde doar de atomul în care are loc și de starea sa internă.

Când vorbim despre degradarea radioactivă, termenul „radionuclid” este adesea folosit. Pentru cei care nu sunt familiarizați cu el, cuvântul se referă la un grup de atomi care au proprietăți radioactive, propriul număr de masă, număr atomic și stare energetică.

Diferiți radionuclizi sunt utilizați în domenii tehnice, științifice și în alte domenii ale activității umane. De exemplu, în medicină, aceste elemente sunt utilizate în diagnosticarea bolilor, procesarea medicamentelor, instrumentelor și a altor articole. Există chiar și o serie de medicamente de radioterapie terapeutice și prognostice.

La fel de importantă este determinarea izotopului. Acest cuvânt se referă la un tip special de atom. Au același număr atomic ca un element obișnuit, dar un număr de masă diferit. Această diferență este cauzată de numărul de neutroni, care nu afectează sarcina, cum ar fi protonii și electronii, ci modifică masa. De exemplu, hidrogenul simplu are până la 3 dintre ele. Acesta este singurul element căruia i s-au dat denumiri izotopi: deuteriu, tritiu (singurul radioactiv) și proțiu. În alte cazuri, denumirile sunt date în funcție de masele atomice și elementul principal.

Dezintegrarea alfa

Acesta este un tip de reacție radioactivă. Caracteristic elementelor naturale din perioadele a șasea și a șaptea din tabelul periodic al elementelor chimice. În special pentru elemente artificiale sau transuraniu.

Elemente supuse dezintegrarii alfa

Metalele care se caracterizează prin această degradare includ toriu, uraniu și alte elemente din perioadele a șasea și a șaptea din tabelul periodic al elementelor chimice, începând de la bismut. Izotopii elementelor grele sunt, de asemenea, supuși procesului.

Ce se întâmplă în timpul reacției?

În timpul dezintegrarii alfa, particulele formate din 2 protoni și o pereche de neutroni încep să fie emise din nucleu. Particula emisă în sine este nucleul unui atom de heliu, cu o masă de 4 unități și o sarcină de +2.

Ca urmare, apare un nou element, care se află la două celule la stânga celui original în tabelul periodic. Acest aranjament este determinat de faptul că atomul original a pierdut 2 protoni și, în același timp, încărcătura inițială. Ca urmare, masa izotopului rezultat scade cu 4 unități de masă față de starea inițială.

Exemple

În timpul acestei dezintegrare, toriu se formează din uraniu. Din toriu vine radiul, de la acesta vine radonul, care în cele din urmă dă poloniu și în cele din urmă plumb. În acest proces, apar izotopi ai acestor elemente, și nu ei înșiși. Deci, obținem uraniu-238, toriu-234, radiu-230, radon-236 și așa mai departe, până când apare un element stabil. Formula pentru această reacție este următoarea:

Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218

Viteza particulei alfa izolate în momentul emisiei variază de la 12 la 20 mii km/sec. Fiind în vid, o astfel de particulă ar înconjura globul în 2 secunde, mișcându-se de-a lungul ecuatorului.

Dezintegrarea beta

Diferența dintre această particulă și un electron este în locul apariției sale. Dezintegrarea beta are loc în nucleul unui atom, nu în învelișul de electroni care îl înconjoară. Cea mai comună dintre toate transformările radioactive existente. Poate fi observată în aproape toate elementele chimice existente în prezent. De aici rezultă că fiecare element are cel puțin un izotop susceptibil de degradare. În cele mai multe cazuri, dezintegrarea beta are ca rezultat descompunerea beta minus.

Progresul de reacție

În timpul acestui proces, un electron este ejectat din nucleu, rezultat din transformarea spontană a unui neutron într-un electron și un proton. În acest caz, protonii, datorită masei lor mai mari, rămân în nucleu, iar electronul, numit particulă beta minus, părăsește atomul. Și deoarece există mai mulți protoni câte unul, nucleul elementului în sine se schimbă în sus și este situat la dreapta celui original în tabelul periodic.

Exemple

Dezintegrarea beta cu potasiu-40 îl transformă în izotopul de calciu, care este situat în dreapta. Calciul radioactiv-47 devine scandiu-47, care poate deveni titan-47 stabil. Cum arată această degradare beta? Formulă:

Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47

Viteza de emisie a unei particule beta este de 0,9 ori viteza luminii, care este de 270 mii km/sec.

Nu există prea mulți nuclizi beta-activi în natură. Există destul de multe semnificative. Un exemplu este potasiul-40, care conține în mod natural doar 119/10.000. De asemenea, radionuclizii activi beta-minus naturali semnificativi sunt produșii descompunerii alfa și beta a uraniului și toriu.

Dezintegrarea beta are un exemplu tipic: toriu-234, care, prin dezintegrare alfa, se transformă în protactiniu-234, iar apoi în același mod devine uraniu, dar cu un izotop diferit numerotat 234. Acest uraniu-234 devine din nou toriu datorită alfa. degradare, dar de altă varietate. Acest toriu-230 devine apoi radiu-226, care se transformă în radon. Și în aceeași secvență, până la taliu, doar cu diferite tranziții beta înapoi. Această degradare beta radioactivă se termină cu formarea plumbului-206 stabil. Această transformare are următoarea formulă:

Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206

Radionuclizii beta-activi naturali și semnificativi sunt K-40 și elementele taliu la uraniu.

Beta plus dezintegrare

Există și transformare beta plus. Se mai numește și degradarea beta a pozitronilor. În ea, o particulă numită pozitron este emisă din nucleu. Rezultatul este transformarea elementului original în cel din stânga, care are un număr mai mic.

Exemplu

Când are loc dezintegrarea electronului beta, magneziul-23 devine un izotop stabil al sodiului. Europiul-150 radioactiv devine samariu-150.

Reacția de descompunere beta rezultată poate crea emisii beta+ și beta-. Viteza de emisie a particulelor în ambele cazuri este de 0,9 ori viteza luminii.

Alte dezintegrari radioactive

În afară de reacții precum dezintegrarea alfa și dezintegrarea beta, a căror formulă este larg cunoscută, există alte procese, mai rare, care sunt caracteristice radionuclizilor artificiali.

Dezintegrarea neutronilor. Este emisă o particulă neutră de 1 unitate de masă. În timpul acestuia, un izotop se transformă în altul cu un număr de masă mai mic. Un exemplu ar fi conversia litiului-9 în litiu-8, heliului-5 în heliu-4.

Când izotopul stabil iod-127 este iradiat cu raze gamma, acesta devine izotopul numărul 126 și dobândește radioactivitate.

Dezintegrarea protonilor. Este extrem de rar. În timpul acesteia, este emis un proton, având o sarcină de +1 și 1 unitate de masă. Greutatea atomică scade cu o valoare.

Orice transformare radioactivă, în special descompunerile radioactive, este însoțită de eliberarea de energie sub formă de radiații gamma. Ele sunt numite cuante gamma. În unele cazuri, se observă raze X cu energie mai mică.

Este un flux de cuante gamma. Este o radiație electromagnetică, mai dure decât razele X, care este folosită în medicină. Ca rezultat, apar cuante gamma sau fluxuri de energie din nucleul atomic. Radiația de raze X este, de asemenea, electromagnetică, dar provine din învelișurile de electroni ale atomului.

Gama de particule alfa

Particulele alfa cu o masă de 4 unități atomice și o sarcină de +2 se mișcă în linie dreaptă. Din acest motiv, putem vorbi despre gama de particule alfa.

Valoarea intervalului depinde de energia inițială și variază de la 3 la 7 (uneori 13) cm în aer. Într-un mediu dens este o sutime de milimetru. O astfel de radiație nu poate pătrunde într-o foaie de hârtie sau în pielea umană.

Datorită propriei sale mase și număr de încărcare, particula alfa are cea mai mare capacitate de ionizare și distruge tot ce este în cale. În acest sens, radionuclizii alfa sunt cei mai periculoși pentru oameni și animale atunci când sunt expuși organismului.

Puterea de penetrare a particulelor beta

Datorită numărului său de masă mic, care este de 1836 de ori mai mic decât un proton, sarcina negativă și dimensiunea, radiația beta are un efect slab asupra substanței prin care zboară, dar zborul este mai lung. De asemenea, calea particulei nu este liniară. În acest sens, ei vorbesc despre capacitatea de penetrare, care depinde de energia primită.

Capacitatea de penetrare a particulelor beta produse în timpul dezintegrarii radioactive ajunge la 2,3 m în aer, în lichide, calculul se efectuează în centimetri, iar în solide - în fracțiuni de centimetru. Țesuturile corpului uman transmit radiații la o adâncime de 1,2 cm. Pentru a proteja împotriva radiațiilor beta, un simplu strat de apă de până la 10 cm poate servi. Fluxul de particule cu o energie de descompunere destul de mare de 10 MeV este aproape în întregime absorbit de următoarele straturi: aer - 4 m; aluminiu - 2,2 cm; fier de călcat - 7,55 mm; plumb - 5,2 mm.

Având în vedere dimensiunea lor mică, particulele de radiații beta au o capacitate de ionizare scăzută în comparație cu particulele alfa. Cu toate acestea, atunci când sunt ingerate, sunt mult mai periculoase decât în ​​timpul expunerii externe.

Radiațiile neutronice și gama au în prezent cele mai mari rate de penetrare dintre toate tipurile de radiații. Gama acestor radiații în aer ajunge uneori la zeci și sute de metri, dar cu caracteristici ionizante mai scăzute.

Majoritatea izotopilor razelor gamma nu depășesc 1,3 MeV ca energie. Rareori sunt atinse valori de 6,7 MeV. În acest sens, pentru a proteja împotriva unor astfel de radiații, pentru factorul de atenuare sunt folosite straturi de oțel, beton și plumb.

De exemplu, pentru a atenua de zece ori radiația gamma de cobalt, este necesară o protecție cu plumb cu o grosime de aproximativ 5 cm pentru o atenuare de 100 de ori, va fi necesară protecția betonului de 33 și 55 cm, iar protecția împotriva apei - 70 și 115 cm.

Proprietățile ionizante ale neutronilor depind de parametrii lor energetici.

În orice situație, cea mai bună metodă de protecție împotriva radiațiilor va fi să stați cât mai departe de sursă și să petreceți cât mai puțin timp posibil într-o zonă cu radiații ridicate.

Fisiunea nucleelor ​​atomice

Prin atomi înțelegem spontan, sau sub influența neutronilor, în două părți, aproximativ egale ca mărime.

Aceste două părți devin izotopi radioactivi ai elementelor din partea principală a tabelului elementelor. Ele pornesc de la cupru la lantanide.

În timpul eliberării, câțiva neutroni în plus scapă și apare un exces de energie sub formă de raze gamma, care este mult mai mare decât în ​​timpul dezintegrarii radioactive. Astfel, în timpul unui act de dezintegrare radioactivă apare o cuante gamma, iar în timpul unui act de fisiune apar 8,10 cuante gamma. De asemenea, fragmentele împrăștiate au energie cinetică mare, care se transformă în indicatori termici.

Neutronii eliberați pot provoca separarea unei perechi de nuclee similare dacă sunt localizați în apropiere și neutronii îi lovesc.

În acest sens, există posibilitatea unei reacții în lanț de ramificare, accelerare a separării nucleelor ​​atomice și crearea unei cantități mari de energie.

Când o astfel de reacție în lanț este sub control, ea poate fi utilizată în anumite scopuri. De exemplu, pentru încălzire sau electricitate. Astfel de procese sunt efectuate în centrale nucleare și reactoare.

Dacă pierzi controlul reacției, va avea loc o explozie atomică. Acesta este ceea ce este folosit în armele nucleare.

În condiții naturale, există un singur element - uraniul, care are un singur izotop fisionabil cu numărul 235. Este de calitate pentru arme.

Într-un reactor nuclear obișnuit cu uraniu, un nou izotop numărul 239 se formează din uraniu-238 sub influența neutronilor și din acesta plutoniu, care este artificial și nu apare în mod natural. În acest caz, plutoniul-239 rezultat este folosit în scopuri de arme. Acest proces de fisiune a nucleelor ​​atomice este esența tuturor armelor și energiei atomice.

Fenomene precum dezintegrarea alfa și dezintegrarea beta, a căror formulă este studiată în școală, sunt larg răspândite în timpul nostru. Datorită acestor reacții, există centrale nucleare și multe alte industrii bazate pe fizica nucleară. Cu toate acestea, nu ar trebui să uităm de radioactivitatea multora dintre aceste elemente. Când lucrați cu acestea, este necesară o protecție specială și respectarea tuturor măsurilor de precauție. În caz contrar, ar putea duce la un dezastru ireparabil.

Dispozitivele de stocare cu ioni grei deschid oportunități fundamental noi în studierea proprietăților nucleelor ​​exotice. În special, ele permit acumularea și utilizarea pe termen lung a atomilor complet ionizați - nuclee „goale”. Ca urmare, devine posibil să se studieze proprietățile nucleelor ​​atomice care nu au un mediu electronic și în care nu există nici un efect Coulomb al învelișului electronului exterior cu nucleul atomic.

Orez. 3.2 Schema de e-captură într-un izotop (stânga) și atomi complet ionizați și (dreapta)

Dezintegrarea într-o stare legată a unui atom a fost descoperită pentru prima dată în 1992. S-a observat dezintegrarea β a unui atom complet ionizat în stări atomice legate. Nucleul 163 Dy este marcat cu negru pe diagrama N-Z a nucleelor ​​atomice. Aceasta înseamnă că este un nucleu stabil. Într-adevăr, fiind parte a unui atom neutru, nucleul 163 Dy este stabil. Starea sa fundamentală (5/2 +) poate fi populată ca urmare a captării electronice din starea fundamentală (7/2 +) a nucleului de 163 Ho. Nucleul de 163 Ho, înconjurat de un înveliș de electroni, este β - radioactiv și timpul său de înjumătățire este de ~104 ani. Totuși, acest lucru este adevărat numai dacă luăm în considerare nucleul înconjurat de o înveliș de electroni. Pentru atomii complet ionizați imaginea este fundamental diferită. Acum starea fundamentală a nucleului 163 Dy este mai mare ca energie decât starea fundamentală a nucleului 163 Ho și se deschide posibilitatea dezintegrarii lui 163 Dy (Fig. 3.2)

Electronul rezultat din dezintegrare poate fi captat în învelișul liber K sau L al ionului. Ca urmare, dezintegrarea (3.8) are forma

→ + e - + e (în stare legată).

Energiile dezintegrarii β în învelișurile K și L sunt egale cu (50,3±1) keV și, respectiv, (1,7±1) keV. Pentru a observa dezintegrarea în stările legate ale învelișului K și L, au fost acumulate 108 nuclee complet ionizate în inelul de stocare ESR la GSI. În timpul de acumulare, nucleele s-au format ca urmare a dezintegrarii β + (Fig. 3.3).

Orez. 3.3. Dinamica acumulării ionilor: a - curentul ionilor Dy 66+ acumulat în inelul de stocare ESR în timpul diferitelor etape ale experimentului, β- intensitățile ionilor Dy 66+ și Ho 67+, măsurate prin detectoare externe și respectiv interne sensibile la poziție

Deoarece ionii Ho 66+ au practic același raport M/q ca ionii fasciculului primar Dy 66+, ei se acumulează pe aceeași orbită. Timpul de acumulare a fost de ~30 min. Pentru a măsura timpul de înjumătățire al nucleului Dy 66+, fasciculul acumulat pe orbită a trebuit să fie purificat din amestecul de ioni Ho 66+. Pentru a curăța fasciculul de ioni, s-a injectat în cameră un jet de gaz argon cu o densitate de 6·10 12 atomi/cm2 și un diametru de 3 mm, care a traversat fasciculul de ioni acumulat în direcția verticală. Datorită faptului că ionii Ho 66+ au capturat electroni, aceștia au părăsit orbita de echilibru. Grinda a fost curățată timp de aproximativ 500 s. După care fluxul de gaz a fost blocat și ionii Dy 66+ și ionii Ho 66+, nou formați (după oprirea fluxului de gaz) ca urmare a degradarii, au continuat să circule în inel. Durata acestei etape a variat de la 10 la 85 de minute. Detectarea și identificarea Ho 66+ sa bazat pe faptul că Ho 66+ poate fi ionizat în continuare. Pentru a face acest lucru, în ultima etapă, un jet de gaz a fost din nou injectat în inelul de stocare. Ultimul electron a fost scos din ionul 163 Ho 66+, rezultând ionul 163 Ho 67+. Un detector sensibil la poziție a fost amplasat lângă jetul de gaz, care a înregistrat cei 163 de ioni Ho 67+ care părăsesc fasciculul. În fig. Figura 3.4 arată dependența numărului de 163 de nuclee Ho formate ca urmare a dezintegrarii β de timpul de acumulare. Insertul arată rezoluția spațială a detectorului sensibil la poziție.
Astfel, acumularea a 163 de nuclee Ho în fasciculul de 163 Dy a fost dovada posibilității dezintegrarii.

→ + e - + e (în stare legată).

Orez. 3.4. Raportul dintre ionii fii 163 Ho 66+ la primari 163 Dy 66+ în funcție de timpul de acumulare. Inset: vârf 163 Ho 67+, înregistrat de detectorul intern

Variând intervalul de timp dintre curățarea fasciculului de impuritățile Ho 66+ și momentul înregistrării ionilor Ho 66+ nou formați în fascicul, este posibil să se măsoare timpul de înjumătățire al izotopului Dy 66+ complet ionizat. S-a dovedit a fi egal cu ~ 0,1 an.
O degradare similară a fost descoperită pentru 187 Re 75+. Rezultatul obţinut este extrem de important pentru astrofizică. Faptul este că atomii neutri de 187 Re au un timp de înjumătățire de 4·10 10 ani și sunt folosiți ca ceasuri radioactive. Timpul de înjumătățire al lui 187 Re 75+ este de numai 33±2 ani. Prin urmare, este necesar să se facă corecții corespunzătoare măsurătorilor astrofizice, deoarece În stele, 187 Re este cel mai adesea într-o stare ionizată.
Studiul proprietăților atomilor complet ionizați deschide o nouă direcție de cercetare a proprietăților exotice ale nucleelor, lipsite de influența coulombiană a învelișului exterior al electronilor.