Lielākā daļa atomu kodolu ir nestabili. Agrāk vai vēlāk viņi spontāni (vai, kā saka fiziķi, spontāni) sadalās mazākos kodolos un elementārdaļiņās, ko parasti sauc sadalīšanās produkti vai bērnu elementi. Pūstošās daļiņas parasti sauc izejmateriāli vai vecākiem. Visām mums pazīstamajām ķīmiskajām vielām (dzelzs, skābeklis, kalcijs utt.) ir vismaz viens stabils izotops. ( Izotopi sauc par ķīmiskā elementa šķirnēm ar vienādu protonu skaitu kodolā – šis protonu skaits atbilst elementa atomskaitlim –, bet atšķirīgs neitronu skaits.) Tas, ka šīs vielas mums ir labi zināmas, liecina par to stabilitāte - tas nozīmē, ka tie dzīvo pietiekami ilgi, lai dabiskos apstākļos uzkrātos ievērojamos daudzumos, nesadaloties komponentos. Bet katram no dabas elementiem ir arī nestabili izotopi – to kodolus var iegūt kodolreakciju procesā, taču tie nedzīvo ilgi, jo ātri sadalās.

Radioaktīvo elementu vai izotopu kodoli var sadalīties trīs galvenajos veidos, un atbilstošās kodolsabrukšanas reakcijas tiek nosauktas ar pirmajiem trim grieķu alfabēta burtiem. Plkst alfa sabrukšana Atbrīvojas hēlija atoms, kas sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem – to parasti sauc par alfa daļiņu. Tā kā alfa sabrukšanas rezultātā pozitīvi lādēto protonu skaits atomā samazinās par diviem, kodols, kas izstaro alfa daļiņu, periodiskajā tabulā pārvēršas par elementa kodolu, kas atrodas divas pozīcijas zemāk no tā. Plkst beta sabrukšana kodols izstaro elektronu un elements pārvietojas par vienu pozīciju uz priekšu saskaņā ar periodisko tabulu (šajā gadījumā būtībā neitrons ar šī elektrona starojumu pārvēršas par protonu). Visbeidzot, gamma sabrukšana -Šis kodolu sabrukšana ar augstas enerģijas fotonu emisiju, ko parasti sauc par gamma stariem. Šajā gadījumā kodols zaudē enerģiju, bet ķīmiskais elements nemainās.

Taču tikai fakts par viena vai otra ķīmiskā elementa izotopa nestabilitāti nenozīmē, ka, savācot kopā noteiktu skaitu šī izotopa kodolu, jūs iegūsit priekšstatu par to tūlītēju sabrukšanu. Patiesībā radioaktīvā elementa kodola sabrukšana nedaudz atgādina kukurūzas cepšanas procesu, gatavojot popkornu: graudi (nukleoni) pa vienam pilnīgi neparedzamā secībā nokrīt no “vālītes” (kodola), līdz visi nokrīt. Likums, kas apraksta radioaktīvās sabrukšanas reakciju, patiesībā tikai nosaka šo faktu: noteiktā laika periodā radioaktīvais kodols izstaro nukleonu skaitu, kas ir proporcionāls tā sastāvā atlikušo nukleonu skaitam. Tas ir, jo vairāk graudu-nukleonu joprojām paliek “nepietiekami termiski apstrādātā” vālītes kodolā, jo vairāk to izdalīsies noteiktā “cepšanas” laika intervālā. Kad mēs tulkojam šo metaforu matemātisko formulu valodā, mēs iegūstam vienādojumu, kas apraksta radioaktīvo sabrukšanu:

d N = λN d t

kur d N— kodola emitēto nukleonu skaits ar kopējo nukleonu skaitu N laikā d t, A λ - eksperimentāli noteikts radioaktivitātes konstante testa viela. Iepriekš minētā empīriskā formula ir lineārs diferenciālvienādojums, kura atrisinājums ir šāda funkcija, kas apraksta kodolā vienā reizē atlikušo nukleonu skaitu t:

N = N 0 e - λt

Kur N 0 ir nukleonu skaits kodolā sākotnējā novērošanas brīdī.

Tādējādi radioaktivitātes konstante nosaka, cik ātri kodols sadalās. Taču eksperimentālie fiziķi parasti mēra nevis to, bet gan t.s Pus dzīve kodols (tas ir, periods, kurā pētāmais kodols izstaro pusi no tajā esošajiem nukleoniem). Dažādiem dažādu radioaktīvo vielu izotopiem pussabrukšanas periodi atšķiras (pilnībā saskaņā ar teorētiskajām prognozēm) no sekundes miljarddaļām līdz miljardiem gadu. Tas ir, daži kodoli dzīvo gandrīz mūžīgi, un daži sadalās burtiski uzreiz (šeit ir svarīgi atcerēties, ka pēc pussabrukšanas perioda paliek puse no sākotnējās vielas kopējās masas, pēc diviem pussabrukšanas periodiem - ceturtā daļa no tās masas. , pēc trim pusperiodiem - viena astotā daļa utt. .d.).

Kas attiecas uz radioaktīvo elementu rašanos, tie dzimst dažādos veidos. Jo īpaši Zemes jonosfēru (atmosfēras plāno augšējo slāni) pastāvīgi bombardē kosmiskie stari, kas sastāv no lielas enerģijas daļiņām ( cm. Elementārās daļiņas). To ietekmē ilgstoši dzīvojošie atomi tiek sadalīti nestabilos izotopos: jo īpaši no stabilā slāpekļa-14 zemes atmosfērā pastāvīgi veidojas nestabilais izotops oglekļa-14 ar 6 protoniem un 8 neitroniem kodolā ( cm. Radiometriskā iepazīšanās).

Bet iepriekš minētais gadījums ir diezgan eksotisks. Daudz biežāk tajā veidojas radioaktīvie elementi reakcijas ķēdes kodola skaldīšana . Šādi tiek nosaukta notikumu virkne, kuras laikā sākotnējais (“mātes”) kodols sadalās divās “meitās” (arī radioaktīvos), kas savukārt sadalās četros “mazmeitas” kodolos utt. Process turpinās līdz plkst. līdz tiek iegūti stabili izotopi. Kā piemēru ņemsim urāna-238 izotopu (92 protoni + 146 neitroni), kura pussabrukšanas periods ir aptuveni 4,5 miljardi gadu. Šis periods, starp citu, ir aptuveni vienāds ar mūsu planētas vecumu, kas nozīmē, ka aptuveni puse urāna-238 no Zemes veidošanās primārās vielas sastāva joprojām ir atrodama zemes elementu kopumā. daba. Urāns-238 pārvēršas par toriju-234 (90 protoni + 144 neitroni), kura pussabrukšanas periods ir 24 dienas. Torijs-234 pārvēršas par pallādiju-234 (91 protons + 143 neitroni) ar pussabrukšanas periodu 6 stundas utt. Pēc vairāk nekā desmit sabrukšanas stadijām beidzot tiek iegūts stabils svina-206 izotops.

Par radioaktīvo sabrukšanu var teikt daudz, taču daži punkti ir pelnījuši īpašu pieminēšanu. Pirmkārt, pat ja mēs par izejmateriālu ņemam jebkura viena radioaktīvā izotopa tīru paraugu, tas sadalīsies dažādās sastāvdaļās, un drīz mēs neizbēgami iegūsim veselu dažādu radioaktīvo vielu “buķeti” ar atšķirīgu kodolmasu. Otrkārt, atomu sabrukšanas dabiskās reakciju ķēdes mūs pārliecina tādā nozīmē, ka radioaktivitāte ir dabiska parādība, tā pastāvēja ilgi pirms cilvēka, un nav vajadzības to uzņemties uz sevi un vainot cilvēka civilizāciju vien par to, ka pastāv fons. starojums uz Zemes. Urāns-238 pastāv uz Zemes kopš tā pirmsākumiem, ir satrūdējis, sairst – un turpinās sabrukt, un kodolspēkstacijas paātrina šo procesu faktiski par vienu procentu; tāpēc tiem nav nekādas īpaši kaitīgas ietekmes uz tevi un mani papildus dabas sniegtajam.

Visbeidzot, radioaktīvā atomu sabrukšanas neizbēgamība rada gan potenciālas problēmas, gan potenciālas iespējas cilvēcei. Jo īpaši urāna-238 kodolu sabrukšanas reakciju ķēdē veidojas radons-222 - cēlgāze bez krāsas, smaržas un garšas, kas neietilpst ķīmiskās reakcijās, jo nespēj veidot ķīmiskas vielas. obligācijas. Šis inertā gāze, un tas burtiski izplūst no mūsu planētas dzīlēm. Parasti tas uz mums nekādi neietekmē – tas vienkārši izšķīst gaisā un paliek tur nelielā koncentrācijā, līdz sadalās vēl vieglākos elementos. Taču, ja šis nekaitīgais radons ilgstoši atrodas nevēdināmā telpā, tad ar laiku tur sāks uzkrāties tā sabrukšanas produkti – un tie ir kaitīgi cilvēka veselībai (ieelpojot). Tādā veidā mēs iegūstam tā saukto "radona problēmu".

No otras puses, ķīmisko elementu radioaktīvās īpašības sniedz ievērojamu labumu cilvēkiem, ja mēs tām pieietam saprātīgi. Jo īpaši tagad tiek injicēts radioaktīvais fosfors, lai iegūtu kaulu lūzumu radiogrāfisku attēlu. Tā radioaktivitātes pakāpe ir minimāla un nerada kaitējumu pacienta veselībai. Iekļūstot ķermeņa kaulaudos kopā ar parasto fosforu, tas izstaro pietiekami daudz staru, lai tos ierakstītu gaismjutīgās iekārtās un nofotografētu lauztu kaulu burtiski no iekšpuses. Ķirurgiem attiecīgi ir iespēja sarežģītu lūzumu operēt nevis akli un nejauši, bet gan iepriekš izpētot lūzuma uzbūvi, izmantojot šādus attēlus. Kopumā lietojumprogrammas radiogrāfija zinātnē, tehnoloģijā un medicīnā ir neskaitāmi skaitļi. Un tie visi darbojas pēc viena principa: atoma ķīmiskās īpašības (būtībā ārējā elektronu apvalka īpašības) dod iespēju vielu attiecināt uz noteiktu ķīmisko grupu; tad, izmantojot šīs vielas ķīmiskās īpašības, atoms tiek nogādāts “pareizajā vietā”, pēc tam, izmantojot šī elementa kodolu īpašību sabrukt stingri saskaņā ar fizikas likumos noteikto “grafiku”, tiek reģistrēti sabrukšanas produkti.

Daļiņu un atomu kodolu struktūra un īpašības ir pētītas apmēram simts gadus sabrukšanas un reakcijas laikā.
Sabrukšana ir jebkura mikropasaules fizikas objekta (kodola vai daļiņas) spontāna pārvēršanās vairākos sabrukšanas produktos:

Gan sabrukšana, gan reakcijas ir pakļautas vairākiem saglabāšanas likumiem, starp kuriem, pirmkārt, ir jāmin šādi likumi:

Nākotnē tiks apspriesti citi saglabāšanas likumi, kas darbojas sabrukšanā un reakcijās. Iepriekš minētie likumi ir vissvarīgākie un, kas ir īpaši nozīmīgi, tiek veiktas visu veidu mijiedarbībās.(Iespējams, ka bariona lādiņa saglabāšanas likumam nav tādas universāluma kā saglabāšanas likumiem 1-4, taču tā pārkāpums vēl nav atklāts).
Mijiedarbības procesi starp mikropasaules objektiem, kas atspoguļojas sabrukšanā un reakcijās, ir varbūtības raksturlielumi.

Sairst

Jebkura mikropasaules fizikas objekta (kodola vai daļiņas) spontāna sabrukšana ir iespējama, ja sabrukšanas produktu pārējā masa ir mazāka par primārās daļiņas masu.

Ir raksturoti sabrukumi sabrukšanas varbūtības , vai apgrieztā varbūtība vidējais dzīves ilgums τ = (1/λ). Bieži tiek izmantots arī daudzums, kas saistīts ar šīm īpašībām Pus dzīve T 1/2.
Spontānas sabrukšanas piemēri

; π 0 → γ + γ; π + → μ + + ν μ ;

(2.4)

n → p + e − + e ; μ + → e + + μ + ν e ;

(2.5)

Sadalīšanās gadījumā (2.4) gala stāvoklī ir divas daļiņas. Sabrukumos (2.5) ir trīs.
Mēs iegūstam daļiņu (vai kodolu) sabrukšanas vienādojumu. Daļiņu (vai kodolu) skaita samazināšanās laika intervālā ir proporcionāla šim intervālam, daļiņu (kodolu) skaitam noteiktā laikā un sabrukšanas varbūtībai:

Integrācija (2.6), ņemot vērā sākotnējos nosacījumus, dod sakarību starp daļiņu skaitu brīdī t un to pašu daļiņu skaitu sākotnējā brīdī t = 0:

Pussabrukšanas periods ir laiks, kurā daļiņu (vai kodolu) skaits samazinās uz pusi:

Jebkura mikropasaules fizikas objekta (kodola vai daļiņas) spontāna sabrukšana ir iespējama, ja sabrukšanas produktu masa ir mazāka par primārās daļiņas masu. Sabrukšanu divos produktos un trīs vai vairāk produktos raksturo dažādi sabrukšanas produktu enerģijas spektri. Ja sadalīšanās notiek divās daļiņās, sabrukšanas produktu spektri ir diskrēti. Ja gala stāvoklī ir vairāk nekā divas daļiņas, produktu spektri ir nepārtraukti.

Primāro daļiņu un sabrukšanas produktu masu atšķirība tiek sadalīta starp sabrukšanas produktiem to kinētisko enerģiju veidā.
Enerģijas nezūdamības un sabrukšanas impulsa likumi jāieraksta koordinātu sistēmā, kas saistīta ar sabrukušo daļiņu (vai kodolu). Formulu vienkāršošanai ir ērti izmantot mērvienību sistēmu = c = 1, kurā enerģijai, masai un impulsam ir vienāda dimensija (MeV). Šīs sabrukšanas saglabāšanas likumi:

No šejienes mēs iegūstam sabrukšanas produktu kinētiskās enerģijas

Tādējādi divu daļiņu gadījumā gala stāvoklī tiek noteiktas produktu kinētiskās enerģijas noteikti.Šis rezultāts nav atkarīgs no tā, vai sabrukšanas produktiem ir relatīvi vai nerelativistiski ātrumi. Relativistiskā gadījumā kinētisko enerģiju formulas izskatās nedaudz sarežģītākas nekā (2.10), taču divu daļiņu enerģijas un impulsa vienādojumu risinājums atkal ir unikāls. Tas nozīmē, ka sadalīšanās gadījumā divās daļiņās sabrukšanas produktu spektri ir diskrēti.
Ja gala stāvoklī rodas trīs (vai vairāk) produkti, enerģijas un impulsa nezūdamības likumu vienādojumu atrisināšana nenoved pie nepārprotama rezultāta. Kad, ja gala stāvoklī ir vairāk nekā divas daļiņas, produktu spektri ir nepārtraukti.(Turpmāk, izmantojot -decays piemēru, šī situācija tiks detalizēti aplūkota.)
Aprēķinot kodola sabrukšanas produktu kinētisko enerģiju, ir ērti izmantot faktu, ka nukleonu A skaits ir saglabāts. (Šī ir izpausme bariona lādiņa saglabāšanas likums , jo visu nukleonu barionu lādiņi ir vienādi 1).
Iegūtās formulas (2.11) piemērosim 226 Ra -samazinājumam (pirmais samazinājums (2.4)).

Masu atšķirība starp rādiju un tā sabrukšanas produktiem
ΔM = M(226 Ra) - M(222 Rn) - M(4 He) = Δ(226 Ra) - Δ(222 Rn) - Δ(4 He) = (23,662 - 16,367 - 2,424) MeV = 4,87 MeV. (Šeit mēs izmantojām neitrālu atomu lieko masu tabulas un attiecību M = A + masām utt. liekās masas Δ)
Alfa sabrukšanas rezultātā radušos hēlija un radona kodolu kinētiskās enerģijas ir vienādas ar:

,
.

Kopējā kinētiskā enerģija, kas izdalās alfa sabrukšanas rezultātā, ir mazāka par 5 MeV un ir aptuveni 0,5% no atlikušās nukleona masas. Sabrukšanas rezultātā atbrīvotās kinētiskās enerģijas un daļiņu vai kodolu atlikušās enerģijas attiecība - nerelativistiskās tuvinājuma izmantošanas pieļaujamības kritērijs. Kodolu alfa sabrukšanas gadījumā kinētisko enerģiju mazums salīdzinājumā ar miera enerģijām ļauj mums aprobežoties ar nerelativistisku tuvinājumu formulās (2.9-2.11).

π + mezona sabrukšana notiek divās daļiņās: π + μ + + ν μ. π + mezona masa ir 139,6 MeV, μ miona masa ir 105,7 MeV. Precīza miona neitrīno masas vērtība ν μ vēl nav zināma, taču ir noskaidrots, ka tā nepārsniedz 0,15 MeV. Aptuvenā aprēķinā mēs to varam iestatīt vienādu ar 0, jo tas ir par vairākām kārtām mazāks par starpību starp piona un miona masām. Tā kā starpība starp π + mezona masu un tā sabrukšanas produktiem ir 33,8 MeV, neitrīno enerģijas un impulsa attiecības noteikšanai ir jāizmanto relativistiskas formulas. Turpmākajos aprēķinos zemo neitrīno masu var neņemt vērā un neitrīno var uzskatīt par ultrarelativistisku daļiņu. Enerģijas un impulsa nezūdamības likumi π + mezona sabrukšanas gadījumā:

m π = m μ + T μ + E ν
|p ν | = | p μ |

E ν = p ν

Divu daļiņu sabrukšanas piemērs ir arī -kvanta emisija ierosinātā kodola pārejas laikā uz zemāku enerģijas līmeni.
Visās iepriekš analizētajās divu daļiņu sabrukšanas procesos sabrukšanas produktiem ir “precīza” enerģētiskā vērtība, t.i. diskrēts spektrs. Tomēr, padziļināti aplūkojot šo problēmu, tas liecina pat divu daļiņu sabrukšanas produktu spektrs nav enerģijas funkcija.

.

Sabrukšanas produktu spektram ir ierobežots platums Γ, kas ir lielāks, jo īsāks ir sabrukšanas kodola vai daļiņas kalpošanas laiks.

(Šī attiecība ir viens no enerģijas un laika nenoteiktības attiecības formulējumiem).
Trīs ķermeņu sabrukšanas piemēri ir -sabrukšana.
Neitronam notiek -sabrukšana, pārvēršoties par protonu un diviem leptoniem - elektronu un antineitrīnu: np + e - + e.
Beta sabrukšanu piedzīvo arī paši leptoni, piemēram, mions (vidējais miona dzīves ilgums
τ = 2,2 · 10–6 s):

.

Saglabāšanās likumi mionu sabrukšanai pie maksimālā elektronu impulsa:
Mūona sabrukšanas elektrona maksimālajai kinētiskajai enerģijai iegūstam vienādojumu

Elektrona kinētiskā enerģija šajā gadījumā ir par divām kārtām lielāka par tā miera masu (0,511 MeV). Relativistiskā elektrona impulss faktiski sakrīt ar tā kinētisko enerģiju

p = (T 2 + 2 mT) 1/2 = )