Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
этих изотопов сравнимы с геологическим возрастом Земли, равным ~ 4,6 млрд
лет. Среди членов семейств встречаются как o'-активные, так и -активные
изотопы. Их периоды полураспада варьируются от тысяч лет до долей
секунды; все они находятся в состоянии радиоактивного равновесия со
своими родоначальниками (см. формулу 14.24). В каждом ряду есть один из
изотопов эманации радия (Z = = 86), существующих только в газообразном
состоянии (изотоп §§2Ет называется радоном, его другое обозначение -
|g2Rn). Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца - элемента с
магическим числом Z = 82, причем ряд, начинающийся с go2Th, заканчивается
дважды магическим изотопом 828РЬ(126)-
В естественных радиоактивных рядах в результате распада массовое число А
или уменьшается на 4 ед. (при а-распаде), или остается без изменения (при
-распаде). Поэтому массовые числа в каждом из трех семейств описываются
формулами 4п + 2, 4п + 3 и 4п, соответственно. Искусственным путем с
помощью ядерных реакций был получен 4-й радиоактивный ряд с А = 4п+1. У
его родоначальника - изотопа нептуния 2fNp период полураспада равен 2,1 •
106 лет. Он сам и продукты его распада сохранились в земной коре лишь в
очень небольшом количестве. Кроме изотопов, входящих в радиоактивные
ряды, в земной коре сохранилось еще около 10 долгоживущих радиоактивных
изотопов. Это изотоп igK(2i), несколько a-активных изотопов
редкоземельных элементов, о которых упоминалось выше, и некоторые другие.
Кроме этого, в атмосфере Земли постоянно присутствуют изотопы fТ, \АС,
f2P и ряд др. изотопов, получающихся в результате ядерных реакций,
происходящих под действием космических частиц. Некоторые из них
используются в "радиоизотопных" методах при различного рода
исследованиях.
Например, /3-активный изотоп I4С частично замещает изотоп \2С в молекулах
С02. Эти молекулы поглощаются растениями, а затем и животными,
питающимися этими растениями. Весь живой растительный и животный мир
содержит небольшое количество изотопа Если же обмен с внешней средой
заканчивается (срублено дерево, погибло животное и т. п.), то
концентрация изотопа е4С уменьшается по обычному закону 14.17). По
уменьшению относительной концентрации этого изотопа можно судить о
возрасте исследуемого объекта (до ^ 30 тыс. лет).
Спонтанное деление ядер. Самые тяжелые ядра (g^U, g25U и др.) способны
самопроизвольно делиться на сравнимые по массе фрагменты (их число чаще
всего равно двум), которые называют "осколками". Из формулы Вайцзеккера
следует, что тяжелым ядрам делиться
386
Глава 14
энергетически выгодно. При делении происходит изменение кулонов-ской (она
уменьшается) и поверхностной (она растет) энергии. Для ядер с А > 100
рост уменьшение кулоновской энергии превалирует над ростом поверхностной
энергии (AQnoB~ А(^кул ^ 0), и деление ядер становится энергетически
выгодным. У самых тяжелых ядер с А = 230 240
энергия, выделяющаяся при делении, достигает ~ 200 МэВ. Осколки деления,
как правило, несимметричны: один из них (легкий) имеет А\ " 90 100,
а другой (тяжелый) А2 ~ 140 150. Эта несим-
метричность в оболочечной модели ядра объясняется тем, что энергия
делящегося ядра недостаточна для разрушения внутренних, наиболее прочных
оболочек, и они не делятся, а входят целиком в один из осколков
(тяжелый).
Т.к. у самых тяжелых ядер отношение Nn/Np " 1,6, а у ядер с вдвое меньшей
массой это отношение равно ~ 1,3, то при делении, кроме осколков,
испускаются 2-1-3 нейтрона, а сами осколки -активны и образуют
радиоактивные цепочки из нескольких звеньев.
Делению препятствует потенциальный барьер, аналогичный барьеру, мешающему
вылету а-частиц из a-активных ядер (рис. 155), и процесс спонтанного
деления, как и а-распад, происходит в результате туннельного эффекта.
Периоды полураспада для спонтанного деления тяжелых ядер, существующих в
природе, существенно больше периодов полураспада для а-распада этих же
ядер (у 928U т^?еЛш = 1,3-1016 лет). Однако, у искусственно получаемых
изотопов с Z > 92 и А > 240 высота потенциального барьера уменьшается с
ростом А, и вероятность спонтанного деления растет. Именно этот процесс,
по-видимому, ограничивает получение сверхтяжелых элементов с Z > 110.
Запаздывающие нейтроны (нейтронная активность). Ядра - осколки,
образующиеся при делении, перегружены нейтронами и, как уже указывалось
выше, оказываются /3~- активными. При распаде они образуют цепочки, в
некоторых из которых находятся ядра, способные испытывать "нейтронный
распад", т. е. самопроизвольно испускать нейтроны. Рассмотрим одну из
таких цепочек. Среди ядер-осколков с довольно большой вероятностью (~ 3%)
образуется -активный изотоп 35ВГ (Т1/2 = 55,6 с); его дочернее ядро
3gKr(51) образуется и в основном и в возбужденном состояниях. Число
нейтронов в этом ядре равно 51, т. е. на 1 ед. больше магического числа
50. Энергия связи "лишнего" нейтрона в возбужденном ядре оказывается
отрицательной,
и нейтрон почти мгновенно покидает его. Однако, изотоп ЦКг* образуется в
