1.3. Désintégrations alpha, désintégrations bêta et émissions gamma de noyaux radioactifs
La désintégration alpha est l'émission spontanée de particules alpha, représentant les noyaux d'un atome d'hélium, par un noyau radioactif. La décomposition se déroule selon le schéma
AmZ X → AmZ − − 42 Y + 2 4He . |
DANS Dans l'expression (1.13), la lettre X désigne le symbole chimique du noyau (mère) en décomposition, et la lettre Y désigne le symbole chimique du noyau (fille) résultant. Comme le montre le diagramme (1.13), le numéro atomique du noyau fille est deux et le nombre de masse est inférieur de quatre unités à celui du noyau d'origine.
La particule alpha a une charge positive. Les particules alpha caractérisent deux-
par paramètres de base : longueur de déplacement (dans l'air jusqu'à 9 cm, dans les tissus biologiques jusqu'à 10-3 cm) et énergie cinétique de l'ordre de 2...9 MeV.
La désintégration alpha n'est observée que dans les noyaux lourds avec Am>200 et un nombre de charge Z>82. À l'intérieur de ces noyaux, se produit la formation de particules isolées de deux protons et de deux neutrons. La séparation de ce groupe de nucléons est facilitée par la saturation des forces nucléaires, de sorte que la particule alpha formée est soumise à moins de forces d'attraction nucléaire que les nucléons individuels. Dans le même temps, la particule alpha subit des forces de répulsion coulombiennes plus importantes de la part des protons du noyau que des protons individuels. Ceci explique l'émission de particules alpha du noyau, et non de nucléons individuels.
DANS Dans la plupart des cas, une substance radioactive émet plusieurs groupes particules alpha d'énergies similaires mais différentes, c'est-à-dire les groupes ont un spectre d’énergie. Cela est dû au fait qu’un noyau fille peut apparaître non seulement dans l’état fondamental, mais également dans des états excités avec différents niveaux d’énergie.
La durée de vie des états excités pour la plupart des noyaux se situe entre
affaires de 10 - 8 à 10 - 15 s. Pendant ce temps, le noyau fille passe à l'état fondamental ou excité inférieur, émettant un quantum gamma de l'énergie correspondante égale à la différence entre les énergies des états précédent et suivant. Un noyau excité peut également émettre n’importe quelle particule : un proton, un neutron, un électron ou une particule alpha. Il peut également transférer un excès d’énergie à l’un des électrons de la couche interne entourant le noyau. Le transfert d'énergie du noyau vers l'électron le plus proche de la couche K se produit sans émission de quantum gamma. L'électron qui reçoit l'énergie s'envole hors de l'atome. Ce processus est appelé conversion interne. La position vacante qui en résulte est remplie d’électrons provenant de niveaux d’énergie plus élevés. Les transitions électroniques dans les couches internes de l'atome conduisent à l'émission de rayons X ayant un spectre d'énergie discret (rayons X caractéristiques). Au total, environ 25 isotopes radioactifs alpha naturels et environ 100 artificiels sont connus.
La désintégration bêta combine trois types de transformations nucléaires : électronique (β−)
et la désintégration du positron (β+), ainsi que la capture d'électrons ou capture de K. Les deux premiers types de transformations consistent dans le fait que le noyau émet un électron et un antineutrino (lors de la désintégration β−) ou un positron et un neutrino (lors de la désintégration β+). Elek-
Le tron (positron) et l'antineutrino (neutrino) n'existent pas dans les noyaux atomiques. Ces processus se produisent en convertissant un type de nucléon dans le noyau en un autre - un neutron en proton ou un proton en neutron. Le résultat de ces transformations sont des désintégrations β dont les schémas ont la forme :
Am Z X→ Z Am + 1 Y+ − 1 e0 + 0 ~ ν0 (β− – désintégration), |
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Am Z X→ Am Z − 1 Y+ + 1 e0 + 0 ν0 (β+ – désintégration), |
où − 1 e0 et + 1 e0 sont la désignation de l'électron et du positon,
0 ν0 et 0 ~ ν0 – désignation des neutrinos et antineutrinos.
Avec une désintégration bêta négative, le nombre de charges du radionucléide augmente de un, et avec une désintégration bêta positive, il diminue de un.
La désintégration électronique (désintégration β −) peut être subie par les radionucléides naturels et artificiels. C'est ce type de désintégration qui est caractéristique du grand nombre de radionucléides les plus dangereux pour l'environnement rejetés dans l'environnement à la suite de l'accident de Tchernobyl. Parmi eux
134 55 Cs, 137 55 Cs, 90 38 Sr, 131 53 I, etc.
La désintégration des positons (désintégration β + –) est caractéristique principalement des radionucléides artificiels.
Puisque lors de la désintégration bêta, deux particules sont émises par le noyau et la distribution
entre eux l'énergie totale se produit statistiquement, alors le spectre énergétique des électrons (positons) est continu de zéro jusqu'à la valeur maximale Emax appelée limite supérieure du spectre bêta. Pour les noyaux radioactifs bêta, la valeur Emax se situe dans la plage d'énergie de 15 keV à 15 MeV. La longueur du trajet d'une particule bêta dans l'air peut atteindre 20 m et dans les tissus biologiques jusqu'à 1,5 cm.
La désintégration bêta s'accompagne généralement de l'émission de rayons gamma. La raison de leur apparition est la même que dans le cas de la désintégration alpha : le noyau fille apparaît non seulement dans l'état fondamental (stable), mais également dans un état excité. Passant alors dans un état d’énergie inférieure, le noyau émet un photon gamma.
Lors de la capture électronique, l'un des protons du noyau est transformé en neutron :
1 p 1+ − 1 e 0 → 0 n 1+ 0 ν 0 .
Avec cette transformation, l'un des électrons les plus proches du noyau (l'électron de la couche K de l'atome) disparaît. Un proton, se transformant en neutron, « capture » un électron. C'est de là que vient le terme « capture électronique ». Fonctionnalité
Ce type de désintégration β est l'émission d'une particule du noyau - un neutrino. Le circuit de capture électronique ressemble à
Am Z X+ − 1 e0 → Am Z − 1 Y+ 0 ν 0 . (1.16)
La capture électronique, contrairement aux désintégrations β±, est toujours accompagnée de caractères
rayonnement X bactérien. Ce dernier se produit lorsqu'un électron plus éloigné du noyau se déplace vers une place vacante émergente dans
Couche K. La longueur d'onde des rayons X est comprise entre 10 − 7 et 10 − 11 M. Ainsi, lors de la désintégration bêta, le nombre de masse du noyau est conservé et son
la charge change de un. Demi-vies des noyaux radioactifs bêta
se situent dans une large plage de temps allant de 10 − 2 s à 2 1015 ans.
À ce jour, environ 900 isotopes radioactifs bêta sont connus. Parmi ceux-ci, seulement une vingtaine sont naturels, le reste est obtenu artificiellement. La grande majorité de ces isotopes subissent
β− -désintégration, c'est-à-dire avec l'émission d'électrons.
Tous les types de désintégration radioactive sont accompagnés de rayonnement gamma. Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques à ondes courtes, qui ne constituent pas un type indépendant de radioactivité. Il a été établi expérimentalement que les rayons gamma sont émis par un noyau fille lors des transitions nucléaires d'un état d'énergie excité à un état fondamental ou moins excité. L'énergie des rayons gamma est égale à la différence entre les énergies des niveaux d'énergie initial et final du noyau. La longueur d'onde des rayons gamma ne dépasse pas 0,2 nanomètre.
Le processus de rayonnement gamma n'est pas un type indépendant de radioactivité, puisqu'il se produit sans modification du Z et de l'Am du noyau.
Questions de contrôle :
1. Qu'entend-on par nombres de masse et de charge dans le tableau périodique de Mendeleïev ?
2. Le concept d'« isotopes » et d'« isobares ». Quelle est la différence entre ces termes ?
3. Forces nucléaires du noyau et leurs caractéristiques les plus importantes.
4. Pourquoi la masse d'un noyau est-elle inférieure à la somme des masses de ses nucléides constitutifs ?
5. Quelles substances sont dites radioactives ?
6. Qu'est-ce qui caractérise et montre la constante de désintégration radioactive ?
7. Définir la demi-vie d'une substance.
8. Énumérez les unités de mesure pour l’activité volumétrique, surfacique et spécifique.
9. Les principaux types de rayonnement des noyaux radioactifs et leurs paramètres.
2.3 Modèlesα - Etβ -pourriture
ActivitéUNnucléidedans une source radioactive, le nombre de désintégrations se produisant avec les noyaux d'un échantillon en 1 s est appelé :
Unité d'activité — becquerel (Bq): 1Bq - activité d'un nucléide, à laquelle un événement de désintégration se produit en 1 s.Unité d'activité non systèmenucléide dans une source radioactive -curie (Ku): 1Ku=3,7·1010 Livre.
Désintégration alpha. La désintégration alpha est la transformation spontanée d'un noyau atomique avec le nombre de protons Z et de neutrons N en un autre noyau (fille) contenant le nombre de protons Z – 2 et de neutrons N – 2. Dans ce cas, une particule alpha est émise - le noyau d'un atome d'hélium. Un exemple d’un tel processus est la désintégration α du radium :
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Les particules alpha émises par les noyaux des atomes de radium ont été utilisées par Rutherford dans des expériences sur la diffusion par les noyaux d'éléments lourds. La vitesse des particules α émises lors de la désintégration α des noyaux de radium, mesurée à partir de la courbure de la trajectoire dans un champ magnétique, est approximativement égale à 1,5 · 107 m/s, et l'énergie cinétique correspondante est d'environ 7,5 · 10–13 J (environ 4,8 MeV). Cette valeur peut être facilement déterminée à partir des valeurs connues des masses des noyaux mère et fille et du noyau d'hélium. Bien que la vitesse de la particule α qui s'échappe soit énorme, elle ne représente encore que 5 % de la vitesse de la lumière, donc lors du calcul, vous pouvez utiliser une expression non relativiste pour l'énergie cinétique.
Des recherches ont montré qu'une substance radioactive peut émettre des particules alpha avec plusieurs énergies discrètes. Cela s'explique par le fait que les noyaux peuvent être, comme les atomes, dans différents états excités. Le noyau fille peut se retrouver dans l’un de ces états excités lors de la désintégration α. Lors de la transition ultérieure de ce noyau vers l'état fondamental, un quantum γ est émis. Un diagramme de la désintégration α du radium avec émission de particules α avec deux valeurs d'énergies cinétiques est présenté à la figure 2.4.
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Figure 2.4 - Diagramme énergétique de la désintégration α des noyaux de radium. L'état excité du noyau de radon est indiquéLe passage de l'état excité du noyau de radon à l'état fondamental s'accompagne de l'émission d'un quantum γ d'une énergie de 0,186 MeV |
Ainsi, la désintégration α des noyaux s’accompagne dans de nombreux cas d’un rayonnement γ.
Dans la théorie de la désintégration α, on suppose que des groupes constitués de deux protons et de deux neutrons, c'est-à-dire une particule α, peuvent se former à l'intérieur des noyaux. Le noyau mère est un puits de potentiel pour les particules α, limité par une barrière de potentiel. L'énergie de la particule α dans le noyau n'est pas suffisante pour surmonter cette barrière (Figure 2.5). La sortie d’une particule alpha du noyau n’est possible que grâce à un phénomène de mécanique quantique appelé effet tunnel. Selon la mécanique quantique, il existe une probabilité non nulle qu’une particule passe sous une barrière de potentiel. Le phénomène de tunneling est de nature probabiliste.
Désintégration bêta. Lors de la désintégration bêta, un électron est éjecté du noyau. Les électrons ne peuvent pas exister à l'intérieur des noyaux (voir § 1.2) ; ils naissent lors de la désintégration bêta suite à la transformation d'un neutron en proton. Ce processus peut se produire non seulement à l’intérieur du noyau, mais également avec des neutrons libres. La durée de vie moyenne d'un neutron libre est d'environ 15 minutes. Quand un neutron se désintègrese transforme en protonet électron
Des mesures ont montré que dans ce processus, il y a une violation apparente de la loi de conservation de l'énergie, puisque l'énergie totale du proton et de l'électron résultant de la désintégration d'un neutron est inférieure à l'énergie du neutron. En 1931, W. Pauli a suggéré que lors de la désintégration d'un neutron, une autre particule de masse et de charge nulles est libérée, ce qui lui enlève une partie de l'énergie. La nouvelle particule est nomméeneutrino(petit neutron). En raison du manque de charge et de masse d'un neutrino, cette particule interagit très faiblement avec les atomes de la matière, elle est donc extrêmement difficile à détecter expérimentalement. La capacité ionisante des neutrinos est si faible qu’un événement d’ionisation dans l’air se produit à environ 500 km du trajet. Cette particule n’a été découverte qu’en 1953. On sait désormais qu’il existe plusieurs types de neutrinos. Lors de la désintégration d'un neutron, une particule est créée, appelée électron.antineutrino. Il est indiqué par le symbolePar conséquent, la réaction de désintégration des neutrons s’écrit sous la forme
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Un processus similaire se produit à l’intérieur des noyaux lors de la désintégration β. Un électron formé à la suite de la désintégration de l'un des neutrons nucléaires est immédiatement éjecté de la « maison parentale » (noyau) à une vitesse énorme, qui peut différer de la vitesse de la lumière d'une fraction seulement d'un pour cent. Étant donné que la répartition de l'énergie libérée lors de la désintégration β entre l'électron, le neutrino et le noyau fille est aléatoire, les électrons β peuvent avoir des vitesses différentes sur une large plage de valeurs.
Lors de la désintégration β, le nombre de charges Z augmente de un, mais le nombre de masse A reste inchangé. Le noyau fille s'avère être le noyau de l'un des isotopes de l'élément, dont le numéro de série dans le tableau périodique est supérieur d'un numéro au numéro de série du noyau d'origine. Un exemple typique de désintégration β est la transformation de l'isotone du thoriumrésultant de la désintégration α de l'uraniumau palladium
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Parallèlement à la désintégration électronique β, la désintégration dite β du positron a été découverte.+ -désintégration dans laquelle un positron est émis par le noyauet les neutrinos. Un positron est une particule jumelle d’un électron, qui n’en diffère que par le signe de sa charge. L'existence du positron a été prédite par l'éminent physicien P. Dirac en 1928. Quelques années plus tard, le positron a été découvert dans les rayons cosmiques. Les positrons résultent de la réaction de conversion d'un proton en neutron selon le schéma suivant :
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Désintégration gamma. Contrairement aux radioactivités α et β, la radioactivité γ des noyaux n'est pas associée à une modification de la structure interne du noyau et ne s'accompagne pas d'une modification de la charge ou du nombre de masse. Au cours des désintégrations α et β, le noyau fille peut se retrouver dans un état excité et avoir un excès d'énergie. La transition d'un noyau d'un état excité à un état fondamental s'accompagne de l'émission d'un ou plusieurs quanta γ dont l'énergie peut atteindre plusieurs MeV.
Selon les types de rayonnements radioactifs, il existe plusieurs types de désintégration radioactive (types de transformations radioactives). Les éléments qui ont trop de protons ou de neutrons dans leur noyau subissent une transformation radioactive. Considérons les types de désintégration radioactive.
1. Désintégration alpha caractéristique des éléments radioactifs naturels avec un grand numéro atomique (c'est-à-dire avec de faibles énergies de liaison). Environ 160 types de noyaux alpha-actifs sont connus, la plupart dont le numéro de série est supérieur à 82 (Z > 82). La désintégration alpha s'accompagne de l'émission depuis le noyau d'un élément instable d'une particule alpha, qui est le noyau d'un atome d'hélium He (il contient 2 protons et 2 neutrons). La charge nucléaire diminue de 2, le nombre de masse de 4.
ZAX → Z-2A-4U + 2 4He ; 92 238U →24He + 90 234Th ;
88 226Ra→2 4He + 86 222Ra + γ émis.
Plus de 10 % des isotopes radioactifs subissent une désintégration alpha.
2. Désintégration bêta. Un certain nombre d'isotopes radioactifs naturels et artificiels subissent une désintégration en émettant des électrons ou des positrons :
a) Désintégration bêta électronique. caractéristique des radionucléides naturels et artificiels qui ont un excès de neutrons (c'est-à-dire principalement pour les isotopes radioactifs lourds). Environ 46 % de tous les isotopes radioactifs subissent une désintégration bêta électronique. Dans ce cas, l'un des neutrons se transforme en et le noyau émet un antineutrino. La charge du noyau et, par conséquent, le numéro atomique de l'élément augmentent de un, mais le nombre de masse reste inchangé.
AZ X → AZ+1 Y + e- + v- ; 24194Pu → 24195Am + e- + v- ; 6429Cu → 6430Zn + e- + v- ; 4019K → 4020Ca + e- + v-.
Lors de l'émission de particules β, les noyaux atomiques peuvent être dans un état excité lorsqu'un excès d'énergie est détecté dans le noyau fille, qui n'est pas capturé par les particules corpusculaires. Cet excès d'énergie est émis sous forme de rayons gamma.
13785Cs → 13756 Ba + e -+ v- + émission γ ;
b) désintégration bêta du positon. On l'observe dans certains isotopes radioactifs artificiels qui présentent un excès de protons dans le noyau. Elle est caractéristique de 11 % des isotopes radioactifs trouvés dans la première moitié du tableau de D.I. Mendeleïev (Z<45). При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в , заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.
AZX → AZ-1У + e+ + v+ ; 3015P → 3014Si + e+ + v+ ; 6428Ni + e+ + v+.
Un positon, s'étant envolé du noyau, arrache le « supplémentaire » de la coquille de l'atome ou interagit avec un électron libre, formant une paire « positon-électron », qui se transforme instantanément en deux quanta gamma avec un équivalent énergétique à la masse des particules (e et e). Le processus de transformation d'une paire positron-électron en deux quanta gamma est appelé annihilation (destruction), et le rayonnement électromagnétique qui en résulte est appelé annihilation. Dans ce cas, il y a une transformation d'une forme de matière (particules de matière) en une autre - les photons gamma ;
c) capture électronique. Il s'agit d'un type de transformation radioactive lorsque le noyau d'un atome capture un électron du niveau d'énergie K le plus proche du noyau (capture K électronique) ou, moins souvent 100 fois, du niveau L. En conséquence, l'un des protons du noyau est neutralisé par un électron et se transforme en. Le numéro de série du nouveau noyau devient un de moins, mais le numéro de masse ne change pas. Le noyau émet des antineutrinos. L'espace libéré qui était occupé au niveau K ou L par celui capturé est rempli d'un électron provenant de niveaux d'énergie plus éloignés du noyau. L’excès d’énergie libéré lors de cette transition est émis par l’atome sous forme de rayonnement X caractéristique.
AZХ + e- → AZ-1 У + v- + rayonnement X ;
4019K + e- → Ar + v-+ rayonnement X ;
6429Сu + e- → 6428 Ni+v- + Rayonnement X.
La capture de l’électron K est caractéristique de 25 % de tous les noyaux radioactifs, mais principalement des isotopes radioactifs artificiels situés dans l’autre moitié du tableau de D.I. Mendeleev et ayant un excès de protons (Z = 45 - 105). Seuls trois éléments naturels subissent une capture du K : potassium-40, lanthane-139, lutécium-176 (4019K, 15957La, 17671Lu).
Certains noyaux peuvent se désintégrer de deux ou trois manières : par désintégration alpha et bêta et par capture K.
Le potassium 40 subit, comme déjà indiqué, une désintégration électronique - 88 % et une capture du K - 12 %. Le cuivre 64 (6428Сu) se transforme en nickel (désintégration des positons - 19 %, capture K - 42 % ; (désintégration électronique - 39 %).
3. L'émission de rayonnement γ n'est pas un type de désintégration radioactive (il n'y a pas de transformation des éléments), mais est un flux d'ondes électromagnétiques résultant de la désintégration alpha et bêta des noyaux atomiques (isotopes radioactifs naturels et artificiels), lorsque le noyau fille contient un excès d'énergie non capté par le rayonnement corpusculaire (particules alpha et bêta). Cet excès est instantanément illuminé sous forme de rayons gamma.
13153I → 13154Xe + e- +v- +2γ quantique ; 22688Ra → 42He + 22286Rn + γ quantique.
4. - émission d'un proton du noyau à l'état fondamental. Ce processus peut être observé dans des noyaux produits artificiellement avec un déficit important en neutrons :
lutétium - 151 (15171Lu) - il contient 24 neutrons de moins que l'isotope stable 17671Lu.
| Le nom du paramètre | Signification |
| Sujet de l'article : | DÉCISION ALPHA |
| Rubrique (catégorie thématique) | Radio |
État de décomposition. La désintégration alpha est caractéristique des noyaux lourds, dans lesquels une croissance UN une diminution de l'énergie de liaison par nucléon est observée. Dans cette région des nombres de masse, une diminution du nombre de nucléons dans le noyau conduit à la formation d'un noyau plus étroitement lié. Dans le même temps, le gain d'énergie avec une diminution UN une est bien inférieure à l'énergie de liaison d'un nucléon dans le noyau ; par conséquent, l'émission d'un proton ou d'un neutron, qui a une énergie de liaison égale à zéro à l'extérieur du noyau, est impossible. L'émission du noyau 4 Ne s'avère énergétiquement favorable, puisque l'énergie spécifique de liaison d'un nucléon dans un noyau donné est d'environ 7,1 MeV. La désintégration alpha est possible si l'énergie de liaison totale du noyau produit et de la particule alpha est supérieure à l'énergie de liaison du noyau d'origine. Ou en unités de masse :
M(A,Z)>M(A-4, Z-2) + Mα (3.12)
Une augmentation de l'énergie de liaison des nucléons signifie une diminution de l'énergie au repos précisément de la quantité d'énergie libérée lors de la désintégration alpha. E α. Pour cette raison, si nous imaginons la particule alpha dans son ensemble au sein du noyau produit, elle devrait alors occuper un niveau d’énergie positive égale à E α(Fig. 3.5).
Riz. 3.5. Schéma du niveau d'énergie d'une particule alpha dans un noyau lourd
Lorsqu'une particule alpha quitte le noyau, cette énergie est libérée sous forme libre, sous forme d'énergie cinétique des produits de désintégration : la particule alpha et le nouveau noyau. L'énergie cinétique est distribuée entre ces produits de désintégration en proportion inverse de leurs masses et, comme la masse de la particule alpha est bien inférieure à la masse du noyau nouvellement formé, presque toute l'énergie de désintégration est emportée par la particule alpha. ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, avec une grande précision E α est l'énergie cinétique de la particule alpha après désintégration.
Dans le même temps, la libération d'énergie est empêchée par la barrière de potentiel coulombienne. Royaume-Uni(voir Figure 3.5), dont la probabilité de passage par une particule alpha est faible et diminue très rapidement avec la diminution E α. Pour cette raison, la relation (3.12) n’est pas une condition suffisante pour la désintégration alpha.
La hauteur de la barrière coulombienne pour une particule chargée pénétrant dans ou sortant du noyau augmente proportionnellement à sa charge. Pour cette raison, la barrière coulombienne constitue un obstacle encore plus grand à la sortie d'autres noyaux légers étroitement liés d'un noyau lourd, comme 12°C ou 16 O. L'énergie de liaison moyenne d'un nucléon dans ces noyaux est encore plus élevée que dans le noyau 4 Non, à cet égard, dans un certain nombre de cas, l'émission d'un noyau 16 O au lieu d’émettre séquentiellement quatre particules alpha, cela serait énergétiquement plus favorable. Dans ce cas, l'émission de noyaux plus lourds que le noyau 4 Non, invisible.
Explication de l'effondrement. Le mécanisme de la désintégration alpha est expliqué par la mécanique quantique, car dans le cadre de la physique classique, ce processus est impossible. Seule une particule ayant des propriétés ondulatoires peut apparaître à l'extérieur du puits de potentiel lorsque E α . De plus, il s’avère que seule une barrière de potentiel de largeur infinie, avec une probabilité égale à un, limite la présence d’une particule au sein du puits de potentiel. Si la largeur de la barrière est finie, alors la probabilité de dépasser la barrière de potentiel est fondamentalement toujours différente de zéro. Certes, cette probabilité diminue rapidement avec l'augmentation de la largeur et de la hauteur de la barrière. L'appareil de mécanique quantique conduit à l'expression suivante pour la barrière de transparence ou de probabilité ω pour qu'une particule soit en dehors de la barrière de potentiel lorsqu'elle entre en collision avec sa paroi :
(3.13)
Si nous imaginons une particule alpha à l’intérieur d’un puits de potentiel sphérique avec un rayon R., se déplaçant à grande vitesse v α, alors la fréquence des impacts sur les parois de la fosse sera v α/R., puis la probabilité qu'une particule alpha quitte le noyau par unité de temps, ou la constante de désintégration, sera égale au produit du nombre de tentatives par unité de temps multiplié par la probabilité de franchir la barrière lors d'une collision avec le mur :
, (3.14)
où est un coefficient indéfini, puisque l'on a accepté des dispositions qui étaient loin de la vérité : la particule alpha ne se déplace pas librement dans le noyau, et en général il n'y a pas de particules alpha dans la composition des noyaux. Il est formé de quatre nucléons lors de la désintégration alpha. La valeur a la signification de la probabilité de formation d'une particule alpha dans le noyau, dont la fréquence de collision avec les parois du puits de potentiel est égale à v α/R..
Comparaison avec l'expérience. Sur la base de la dépendance (3.14), de nombreux phénomènes observés lors de la désintégration alpha peuvent être expliqués. La demi-vie des noyaux alpha-actifs est plus longue, plus l'énergie est faible E αémis lors de la désintégration des particules alpha. De plus, si les demi-vies varient de quelques fractions de microseconde à plusieurs milliards d'années, alors l'ampleur du changement E α très petit et environ 4-9 MeV pour les noyaux avec un nombre de masse A>200. Dépendance régulière de la demi-vie à E α a été découvert il y a longtemps lors d'expériences avec des radionucléides naturels α-actifs et est décrit par la relation :
(3.15)
où et sont des constantes qui diffèrent légèrement selon les différentes familles radioactives.
Cette expression est communément appelée loi de Geiger-Nattall et représente la dépendance de la constante de désintégration selon la loi de puissance. λ depuis E α avec un taux très élevé. Une dépendance si forte λ depuis E α découle directement du mécanisme de passage des particules alpha à travers une barrière de potentiel. Transparence de la barrière, et donc constante de décroissance λ dépend de l'intégrale de zone R1-R augmente de façon exponentielle et rapide avec la croissance E α. Quand E α approche 9 MeV, la durée de vie par rapport à la désintégration alpha est de petites fractions de seconde, ᴛ.ᴇ. À une énergie de particule alpha de 9 MeV, la désintégration alpha se produit presque instantanément. Je me demande quel est le sens E α encore nettement inférieure à la hauteur de la barrière coulombienne Royaume-Uni, ce qui pour les noyaux lourds pour une particule ponctuelle doublement chargée est d'environ 30 MeV. La barrière pour une particule alpha de taille finie est un peu plus basse et devrait être estimée à 20-25 MeV. Or, le passage de la barrière de potentiel coulombienne par une particule alpha est très efficace si son énergie n'est pas inférieure au tiers de la hauteur de la barrière.
La transparence de la barrière coulombienne dépend également de la charge du noyau, car La hauteur de la barrière coulombienne dépend de cette charge. La désintégration alpha est observée parmi les noyaux ayant des nombres de masse UN>200 et dans la région UN~150. Il est clair que la barrière coulombienne à UN~150 la probabilité de désintégration alpha est sensiblement plus faible pour le même E α beaucoup plus grand.
Bien qu'en théorie, à n'importe quelle énergie d'une particule alpha, il existe une possibilité de pénétration à travers la barrière, il existe des limites à la capacité de déterminer expérimentalement ce processus. Il n'est pas possible de déterminer la désintégration alpha des noyaux dont la demi-vie est supérieure à 10 17 – 10 18 ans. Valeur minimale correspondante E α plus élevé pour les noyaux plus lourds et est de 4 MeV pour les noyaux avec UN>200 et environ 2 MeV pour les noyaux avec UN~150. Par conséquent, la réalisation de la relation (3.12) n’indique pas nécessairement l’instabilité du noyau par rapport à la désintégration alpha. Il s’avère que la relation (3.12) est valable pour tous les noyaux ayant un nombre de masse supérieur à 140, mais dans la région UN>140 contient environ un tiers de tous les nucléides stables naturels.
Limites de stabilité. Familles radioactives. Les limites de stabilité des noyaux lourds vis-à-vis de la désintégration alpha peuvent être expliquées à l'aide du modèle d'enveloppe nucléaire. Les noyaux qui n'ont que des coques fermées de protons ou de neutrons sont particulièrement étroitement liés. Pour cette raison, bien que l’énergie de liaison par nucléon pour les noyaux moyens et lourds diminue avec l’augmentation UN, cette décroissance ralentit toujours à l'approche UN au nombre magique et accélère après avoir dépassé UN grâce au nombre magique de protons ou de neutrons. En conséquence, l'énergie E α s'avère être nettement inférieur à la valeur minimale à laquelle la désintégration alpha est observée pour les noyaux magiques, ou le nombre de masse du noyau est inférieur au nombre de masse du noyau magique. Au contraire, l'énergie E α augmente brusquement pour les noyaux dont le nombre de masse dépasse les valeurs UN noyaux magiques, et dépasse le minimum de stabilité pratique en termes de désintégration alpha.
Dans le domaine des nombres de masse UN~150 alpha-actifs sont des nucléides dont les noyaux contiennent deux ou plusieurs neutrons de plus que le nombre magique 82. Certains de ces nucléides ont des demi-vies beaucoup plus longues que l'âge géologique de la Terre et sont donc présentés sous leur forme naturelle - nucléides 144 Nd , 147 Sm, 149 Sm, 152 Gd. D'autres ont été produits par des réactions nucléaires. Ces derniers manquent de neutrons par rapport aux nucléides stables des nombres de masse correspondants, et pour ces nucléides, la désintégration β + entre généralement en compétition avec la désintégration alpha. Le nucléide stable le plus lourd est 209Bi, dont le noyau contient un nombre magique de neutrons de 126. L'élément conduisant au bismuth, le plomb, possède un nombre magique de protons de 82, et 208 Po est un nucléide doublement magique. Tous les noyaux plus lourds sont radioactifs.
Étant donné que le noyau du produit est enrichi en neutrons à la suite de la désintégration alpha, plusieurs désintégrations alpha sont suivies d'une désintégration bêta. Ce dernier ne change pas le nombre de nucléons dans le noyau ; donc, tout noyau ayant un nombre de masse A>209 ne peut devenir stable qu'après un certain nombre de désintégrations alpha. Étant donné que le nombre de nucléons lors de la désintégration alpha diminue de 4 unités à la fois, l'existence de quatre chaînes de désintégration indépendantes est possible, chacune avec son propre produit final. Trois d’entre elles sont présentes dans la nature et sont appelées familles radioactives naturelles. Les familles naturelles terminent leur désintégration par la formation d'un des isotopes du plomb, le produit final de la quatrième famille étant le nucléide. 209Bi(voir tableau 3.1).
L'existence de familles radioactives naturelles est due à trois nucléides alpha-actifs à vie longue - 232 Th, 235 U, 238 U, ayant des demi-vies comparables à l'âge géologique de la Terre (5,10 9 ans). Le représentant le plus ancien de la quatrième famille éteinte est le nucléide 237 Np– isotope de l’élément transuranien neptunium.
Tableau 3.1. Familles radioactives
Aujourd'hui, en bombardant des noyaux lourds avec des neutrons et des noyaux légers, on a obtenu de nombreux nucléides, qui sont des isotopes des éléments transuraniens (Z>92). Tous sont instables et appartiennent à l’une des quatre familles.
La séquence des désintégrations dans les familles naturelles est représentée sur la Fig. 3.6. Dans les cas où les probabilités de désintégration alpha et bêta sont comparables, des fourches se forment qui correspondent à la désintégration des noyaux avec l'émission de particules alpha ou bêta. Dans ce cas, le produit de décomposition final reste inchangé.
Riz. 3.6. Modèles de décomposition dans les familles naturelles.
Les noms donnés sont attribués aux radionucléides lors de l'étude initiale des chaînes de désintégration naturelle.
ALPHA DECAY - concept et types. Classement et caractéristiques de la catégorie "ALPHA DECAY" 2017, 2018.
Dans ce type de désintégration, un noyau de numéro atomique Z et de numéro de masse A se désintègre en émettant une particule alpha, ce qui conduit à la formation d'un noyau de numéro atomique Z-2 et de numéro de masse A-4 :
Actuellement, plus de 200 nucléides émetteurs alpha sont connus, parmi lesquels les noyaux légers et moyens sont quasiment absents. Parmi les noyaux légers, l'exception est le 8 Be ; en outre, environ 20 nucléides émetteurs alpha d'éléments de terres rares sont connus. La grande majorité des isotopes émetteurs de a appartiennent à des éléments radioactifs, c'est-à-dire aux éléments avec Z> 83, dont une partie importante sont des nucléides artificiels. Parmi les nucléides naturels, il existe environ 30 noyaux alpha-actifs appartenant à trois familles radioactives (séries uranium, actinium et thorium), évoquées ci-dessus. Les demi-vies des radionucléides alpha connus vont de 0,298 μs pour le 212 Po à >10,15 ans pour le 144 Nd, 174 Hf. L'énergie des particules alpha émises par les noyaux lourds provenant des états fondamentaux est de 4 à 9 MeV et celle des noyaux d'éléments des terres rares de 2 à 4,5 MeV.
Que la probabilité de désintégration alpha augmente avec l'augmentation Z, est dû au fait que ce type de transformation nucléaire est associé à la répulsion coulombienne qui, à mesure que la taille des noyaux augmente, augmente proportionnellement Z 2, alors que les forces d'attraction nucléaires croissent linéairement avec l'augmentation du nombre de masse UN.
Comme nous l'avons montré précédemment, le noyau sera instable par rapport à la désintégration a si l'inégalité est vérifiée :
où et 
sont les masses au repos des noyaux initial et final, respectivement ;
– la masse de la particule a.
Énergie de désintégration α des noyaux ( Eα) est constitué de l'énergie cinétique de la particule alpha émise par le noyau mère Tα et l'énergie cinétique que le noyau fille acquiert à la suite de l'émission d'une particule alpha (énergie de recul) Département T:
En utilisant les lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement, on peut obtenir la relation :
Où Département M = 
– masse du noyau de recul ;
M.α est la masse de la particule alpha.
En résolvant ensemble les équations (4.3) et (4.4), nous obtenons :
. (4.5)
Et en conséquence,
. (4.6)
D'après les équations (4.5 et 4.6), il est clair que la majeure partie de l'énergie de désintégration alpha (environ 98 %) est emportée par les particules alpha. L'énergie cinétique du noyau de recul est de ≈100 keV (avec une énergie de désintégration alpha de ≈5 MeV). Il convient de noter que même des valeurs apparemment faibles de l'énergie cinétique des atomes de recul sont très significatives et conduisent à une réactivité élevée des atomes ayant des noyaux similaires. À titre de comparaison, notons que l'énergie du mouvement thermique des molécules à température ambiante est d'environ 0,04 eV et que l'énergie des liaisons chimiques est généralement inférieure à 2 eV. Par conséquent, le noyau de recul rompt non seulement la liaison chimique dans la molécule, mais perd également partiellement la couche électronique (les électrons ne peuvent tout simplement pas suivre le noyau de recul) avec la formation d'ions.
Lorsque l’on considère différents types de désintégration radioactive, y compris la désintégration alpha, des diagrammes d’énergie sont utilisés. Le diagramme énergétique le plus simple est présenté sur la figure. 4.1.
Riz. 4.1. Le schéma de désintégration alpha le plus simple.
L’état énergétique du système avant et après la désintégration est représenté par des lignes horizontales. Une particule alpha est représentée par une flèche (gras ou double) descendant de droite à gauche. La flèche indique l'énergie des particules alpha émises.
Il convient de garder à l’esprit que celui représenté sur la Fig. Le diagramme 4.1 est le cas le plus simple où les particules alpha émises par le noyau ont une énergie spécifique. Généralement, le spectre alpha a une structure fine, c'est-à-dire les noyaux d'un même nucléide émettent des particules alpha avec des énergies assez proches, mais néanmoins de magnitude différente. Il a été constaté que si une transition alpha se produit dans l'état excité du noyau fille, alors l'énergie des particules alpha sera donc inférieure à l'énergie inhérente à la transition entre les états fondamentaux des noyaux d'origine et fille des radionucléides. . Et s’il existe plusieurs états excités de ce type, il y aura alors plusieurs transitions alpha possibles. Dans ce cas, des noyaux filles avec des énergies différentes se forment, qui, lors de la transition vers l'état fondamental ou plus stable, émettent des rayons gamma.
Connaissant l'énergie de toutes les particules alpha et des quanta gamma, il est possible de construire un diagramme de désintégration énergétique.
Exemple. Construisez un diagramme de désintégration en utilisant les données suivantes :
· l'énergie des particules α est : 4,46 ; 4,48 ; 4,61 ; et 4,68 MeV,
· énergie des quanta γ – 0,07 ; 0,13 ; 0,20 ; et 0,22 MeV.
L'énergie totale de désintégration est de 4,68 MeV.
Solution. À partir du niveau d’énergie du noyau d’origine, nous dessinons quatre flèches, chacune indiquant l’émission de particules α d’une certaine énergie. En calculant les différences entre les énergies des groupes individuels de particules α et en comparant ces différences avec les énergies des quanta γ, nous trouvons quelles transitions correspondent à l'émission de quanta γ de chaque énergie.
4,48 – 4,46 = 0,02 MeV, il n'y a pas de quanta γ correspondant
4,61 – 4,46 = 0,15 MeV
4,61 – 4,48 = 0,13 MeV les énergies correspondent aux énergies
4,68 – 4,46 = 0,22 MeV de quanta γ émis pendant la désintégration
4,68 – 4,48 = 0,20 MeV 230 Th
4,68 – 4,61 = 0,07 MeV
Riz. 4.2 – Schéma de la désintégration du 230 Th.
Dans le même temps, un deuxième cas est également possible, lorsqu'une transition alpha se produit de l'état excité du noyau parent à l'état fondamental du noyau fille. Ces cas sont généralement classés comme l'apparition de particules alpha à longue portée, dont l'émission provient de noyaux excités formés à la suite d'une désintégration β complexe. Ainsi, à titre d'exemple, la figure 4.3 montre un diagramme de l'émission de particules α à longue portée par le noyau de polonium-212, formées à la suite de la désintégration β du noyau de bismuth-212. On peut voir que, selon la nature de la transition β, le noyau du polonium-212 peut se former dans les états fondamental et excité. Les particules alpha émises par les états excités du noyau du polonium-212 ont une longue portée. Cependant, il convient de garder à l’esprit que pour les noyaux alpha-actifs générés de cette manière, une transition depuis un état excité est plus probable en émettant un quantum γ plutôt qu’une particule alpha à longue portée. Les particules alpha à longue portée sont donc très rares.
De plus, les scientifiques ont établi un schéma très important : lorsque petit augmentant l'énergie des particules a, les demi-vies changent de plusieurs ordres de grandeur. Donc pour le 232 Th T une = 4,08 MeV, T 1/2 = 1,41×10 10 ans, et pour 230 Th – T une = 4,76 MeV, T 1/2 = 1,7∙10 4 ans.
Riz. 4.3. Modèle de désintégration séquentielle : 212 Bi – 212 Po – 208 Pb
On constate qu'une diminution de l'énergie des particules alpha d'environ 0,7 MeV s'accompagne d'une augmentation de la demi-vie de 6 ordres de grandeur. À T α < 2 МэВ период полураспада становится настолько большим, что экспериментально обнаружить альфа-активность практически невозможно. Разброс в значениях периодов полураспада, характерных для альфа-распада, весьма велик:
10 16 ans ≥ T 1/2 ≥ 10 –7 s,
et en même temps, il existe une gamme très étroite d'énergies de particules alpha émises par les noyaux radioactifs :
2 MeV ≤ Tα ≤ 9 MeV.
La relation entre la demi-vie et l'énergie d'une particule alpha a été établie expérimentalement par Geiger et Nattall en 1911-1912. Ils ont montré que la dépendance lg T 1/2 de LG Tα est bien approximé par une droite :
. (4.7)
Cette loi s’applique bien aux noyaux pairs. Alors que pour les noyaux impairs, on observe un écart très important par rapport à la loi.
La forte dépendance de la probabilité de désintégration alpha, et donc de la demi-vie, à l'énergie a été expliquée par G. Gamow et E. Condon en 1928 en utilisant la théorie d'un modèle à particule unique du noyau. Dans ce modèle, on suppose que la particule alpha existe constamment dans le noyau, c'est-à-dire Le noyau mère est constitué d'un noyau fille et d'une particule alpha. On suppose que la particule alpha se déplace dans une région sphérique de rayon R. (R.– rayon du noyau) et est maintenu dans le noyau par les forces nucléaires coulombiennes à courte portée. À des distances r supérieures au rayon du noyau fille R., les forces de répulsion coulombiennes agissent.
En figue. La figure 4.4 montre la dépendance de l'énergie potentielle entre la particule alpha et le noyau de recul sur la distance entre leurs centres.
L'axe des abscisses montre la distance entre le noyau fille et la particule alpha, et l'axe des ordonnées montre l'énergie du système. Le potentiel coulombien est coupé à distance R., qui est approximativement égal au rayon du noyau fille. La hauteur de la barrière coulombienne B, qu'une particule alpha doit franchir pour quitter le noyau, est déterminée par la relation :
Où Z Et z sont respectivement les charges du noyau fille et de la particule alpha.
Riz. 4.4. Modification de l'énergie potentielle du système avec la distance entre le noyau fille et la particule alpha.
L'ampleur de la barrière de potentiel dépasse largement l'énergie des particules alpha émises par les noyaux radioactifs et, selon les lois de la mécanique classique, une particule alpha ne peut pas quitter le noyau. Mais pour les particules élémentaires dont le comportement est décrit par les lois de la mécanique quantique, il est possible que ces particules traversent une barrière de potentiel, appelée transition tunnel.
Conformément à la théorie de la désintégration alpha, dont les débuts ont été posés par G. Gamow et E. Condon, l'état d'une particule est décrit par la fonction d'onde ψ, qui, selon les conditions de normalisation, en tout point de l'espace est différent de zéro, et il existe donc une probabilité finie de détecter une particule alpha à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de la barrière. Autrement dit, le processus de transition dite tunnel d'une particule alpha à travers une barrière de potentiel est possible.
Il a été démontré que la perméabilité de la barrière dépend du numéro atomique, de la masse atomique, du rayon du noyau et des caractéristiques potentielles de la barrière.
Il a été établi que les transitions alpha des noyaux pairs-pairs du niveau principal des nucléides mères au niveau principal des nucléides filles sont caractérisées par les demi-vies les plus petites. Pour les noyaux impair-pair, pair-impair et impair-impair, la tendance générale demeure, mais leurs demi-vies sont 2 à 1 000 fois plus longues que pour les noyaux pairs-pairs avec Z et Tα Il est utile de se rappeler que l'énergie des particules alpha émises par des radionucléides de même nombre de masse augmente avec l'augmentation de la charge nucléaire.