close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОНТРАКТ №;doc

код для вставкиСкачать
Введение в радиоактивность
Степан Николаевич Калмыков
тел. 939-32-20
[email protected]
http://radiochemistry-msu.ru/leaders/102-kalmykov
http://lanbook.com/
Радиоактивность
• Альфа-распад
• Бета-распад
• Гамма-переход
•
Спонтанное деление
•
•
Испускание протона (147Tm, 151Lu)
Испускание кластеров (223Ra
1 Беккерель=1 распад/с
1 Кюри=3,7х1010 Бк
14C+209Pb)
Стабильные и радиоактивные ядра
Радионуклиды в природе
Природные
Первичные
238U, 235U, 232Th,
40K, и др.
Искусственные
Космогенные
14C, 7Be, 10Be, 32P и др.
Радиоактивность – самопроизвольное изменение энергетического
состояния ядра или его нуклонного состава
Распад – выгодный процесс, его энергия равна разности масс
продуктов распада и исходных ядер
Масса ядра всегда меньше, чем сумма масс составляющих его
нуклонов
Дефект массы (Δm) соответствует энергии связи ядра.
Если дефект массы выражен в атомных единицах, а энергия связи
в МэВ, то: ΔE=931.5Δm
Пример
Рассчитаем энергию связи ядра 16O.
Масса 8 протонов: 8×1,00727 а.е.м.=8,05816 а.е.м.
Масса 8 нейтронов 8×1,00866 а.е.м.=8,06928 а.е.м.
Масса 8 электронов 8×0,00055 а.е.м.=0,00440 а.е.м.
Итого – 16,13184 а.е.м.
Масса атома 16O (экспериментально определенная величина) –
15,99492 а.е.м.
Дефект массы = 16,13184 - 15,99492 = 0,13692 (а.е.м.)
Энергия связи 16O = 0,13692 а.е.м. × 931,5 МэВ/а.е.м. = 127,5 МэВ.
В пересчете на один нуклон 127,5 МэВ/16=7,97 МэВ.
Определенное соотношение N/Z:
N/Z ≈ 0,98 + 0,015A2/3
легкие ядра: N/Z ≈ 1,
Модель жидкой капли
Eb  k1 A  k2 A
2/3
объем
поверхность
1/ 3
 k3 Z A
2
Кулоновское
отталкивание
протонов
Спонтанное деление - один из видов радиоактивного распада
1940 г. Флеров и Петржак
252Cf
Массовое распределение осколков деления различных ядер
О. Ган, Ф. Штрасман
235U
+ nтепл → [236U]*
Компаунд ядро:
T1/2 ≈ 10-14 c
[236U]* → 2 осколка + n
[236U]* → 236U + γ
Наблюдение
Среди стабильных ядер:
60 % с четным числом протонов и четным числом нейтронов в ядрах (четно-четные),
40 % четно-нечетные или нечетно-четные,
2
6
14
10
лишь 4 нечетно-нечетных ядра стабильны: 1 H 3 Li 5 B 7 N
Элементы с четными атомными номерами имеют больше стабильных изотопов, чем
элементы с нечетными атомными номерами:
Число
стабильных
изотопов
47Ag
48Cd
49In
2
8
1
50Sn
10
51Sb
52Te
2
8
53I
1
35%
Д оля в природ ной см ес и
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124
A
Содержание изотопов олова в природной смеси. Видно, что четных изотопов
в природе больше
Оболочечная теория строения ядра
Нуклоны в ядре движутся
свободно, ядро представляется
потенциальной ямой (потенциал
трехмерного гармонического
осциллятора, либо прямоугольная
яма с бесконечными стенками).
Спин-орбитальное
взаимодействие приводит к
расщеплению энергетических
состояний начиная с p- на два
подуровня. Уровни заполняются
отдельно протонами и
нейтронами.
Магические числа:
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126
магические ядра:
4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 208Pb
Кларки земной коры и каменных
метеоритов по А.П.Виноградову
O
100
Fe
Si
K Ca
Ti
1
земная кора
Кларк
каменные метеориты
Ba
Sr
0,01
Pb
Th
0,0001
U
Se
0,000001
Te
Re
Преобладают легкие элементы, у четных кларки выше, чем у
нечетных соседей (Г.Оддо (1914) – В.Гаркинс (1915-1928)). Ядра
типа 4N составляют 86,3% земной коры (А.Е.Ферсман)
Общее содержание элемента на Земле определяется
строением ядра атома.
Ac
At
Tl
Ir
Ta
Tm
Tb
Pm
La
I
In
Rh
Nb
Rb
As
Cu
Mn
Sc
Cl
Al
F
B
H
0,00000001
Поиск острова стабильности
ЛАБОРАТОРИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ им. Г.Н.ФЛЕРОВА
Основана в 1957 году
17
ЦИКЛОТРОН У400
18
Слайд С.Н. Дмитриева
Число протонов
КАРТА НУКЛИДОВ
Число нейтронов
Слайд С.Н. Дмитриева
Compound Hg(Au)
Reaction:
242Pu(48Ca,3n)287114[0.5s]→α→283112[3.6s]
and 112(Au)
Слайд С.Н. Дмитриева
Element 112 is a noble metal – like Hg
room temperature
Слайд С.Н. Дмитриева
The Bk-249 was produced
at ORNL (USA) by irradiation:
of Cm and Am targets for
approximately 250 days
by thermal-neutron flux of
2.5  1015 neutrons/cm²·s
in the HFIR
(High Flux Isotope Reactor).
Слайд С.Н. Дмитриева
Альфа-распад
Характерный для ядра в целом – испускается кластер – альфа-частица, ядро гелия , 24 He
1,00E+16
Po
T1/2, с
1,00E+13
1,00E+10
Pu
1,00E+07
Ra
241Am
95
1,00E+04
1,00E+01
1,00E-02
1,00E-05
1,00E-08
3000
5000
7000
9000
E, кэВ
5389 (1,0%)
0,156
5443 (12,5%)
5486 (86,0%)
0,102
5545 (0,3%)
0,059
0,00
237Np
93
221
217
Fr
5
3·10
At
213
Po
Импульсы
225
Ac
5
2·10
1·105
221
Fr
0
4000
5000
6000
7000
E, кэВ
8000
9000
10000
Эффект отдачи при альфа-распаде
M
E Я  E
MЯ
Химические последствия альфа-распада
Бета-распад
β- распад:
Характерен для нейтронно-избыточных ядер:
1
0
n p  e  e
1
1

β+ распад и электронный захват:
Характерен для нейтронно-дефицитных ядер
1
1
p01n     e
40K
19
 (89,5%)
Emax=1,33 МэВ
K-захват
(10,5%)
E=1,46 МэВ
40Ar
18
40Ca
20
Паули – придумал нейтрино (Ферми, «нейтрончик»)
Детектирование нейтрино – Коуэн
  p  e  n
аннигиляция
e  e  2


Cd  n Cd  
108
109
«Кто умеет ждать, тот дождется»
История открытия нейтрино описана Фредериком
Райнесом в Нобелевской лекции «The Neutrino:
from poltergeist to particle», прочитанной им 8
декабря 1995, спустя почти сорок лет после
открытия
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/
1995/reines-lecture.pdf
Электронный захват
1
1
p 1eорб 01n  e
Испускание
характеристического
рентгеновского
излучения
Испускание Оже
электронов
Гамма-переход и электронная конверсия
• Обычно время жизни
возбужденного состояния ядра
10-7 – 10-11 с,
Импульсы
100000
• Встречаются долгоживущие
возбужденные состояния –
ядерные изомеры,
1063,7
10000
1000
100
0
200
400
600
800
1000
1200
E, кэВ
976
1000
482
Импульсы
• Переход в основное состояние
может сопровождаться
испусканием орбитального
электрона (с последующим
испусканием характеристического
рентгеновского излучения).
569,7
1048
554
100
10
0
200
400
600
800
1000
E, кэВ
Спектр γ-квантов (вверху) и
конверсионных электронов (внизу)
висмута-207
1200
n
P
+
ЭЗ

N
•
•
•
•
Альфа-распад
Бета-распад
Гамма-переход
Спонтанное
деление
•
•
Испускание протона (147Tm, 151Lu)
Испускание кластеров (223Ra
14C+209Pb)
Радионуклиды
Природные
Космогенные
Искусственные
Первичные
Космогенные радионуклиды
Первичное космическое излучение: протоны (90%), -частицы (около 10%) и
тяжелые ядра (около 1%)
Вторичное излучение: нейтроны, мюоны (80 %)
Зависимость мощности эквивалентной дозы, создаваемой космическим излучением, от
высоты над уровнем моря (для средних широт)
Высота,
км
Мощность эквивалентной
дозы, мкЗв/час
Среднегодовая
доза*, мкЗв
0
0,035
300
4
0,2
1750
10
2,9
20
12,7
Космогенные радионуклиды, образующиеся в атмосфере
Радионуклид
Период
полураспада
Характер распада, энергия
частиц, МэВ
14С
5720 лет
12,25 лет
53 сут
2,6106 лет
 (0,155)
 (0,018)
 (11%)(0,39)
 (0,553)
 (0,48)
 (0,189)
 (1,708)
 (0,208)
+
 (95%)(0,54)
Э.з. (5%);  (1,28)
 (1,37; 4,17)
 (1,37; 2,75)
Э.з.,  (0,815)
 (1,245; 2,55)
Э.з.,  (0,716)
 (1,11; 2,77; 4,81)
 (1,60; 2,12)
 (1,65; 2,90)
 (0,36; 1,31)
 (0,15; 0,7)
 (0,15; 0,54)
3H
7Be
10Be
22Na
87,1 сут
14,3 сут
25 сут
2,6 лет
24Na
14,7 ч
37Ar
38Cl
35 сут
100 мин
4105 лет
37,2 мин
39Cl
55,6 мин
85Kr
10,27 лет
35S
32P
33P
41Ar
36Cl
Удельная
активность
в воздухе,
Бк/103м3
Концентрация
в атмосферных
выпадениях,
Бк/103л
0,02 – 0,200
-
40
200 – 4000
400 – 4000
(4 – 40) 10-5
0,008 – 1,0
0,008 – 1,0
0,008 – 1,0
(2 – 8) 10-4
20 – 200
20 – 200
20 – 200
0,004 – 0,04
(2 – 8) 10-3
4 – 40
-
200 – 3000
-
400 – 4000
-
-
Углерод-14
14N(n,p)14C
Ядра 14С распадаются с испусканием -частиц с максимальной энергией 156 кэВ.
Период полураспада углерода-14 равен 5730  30 лет.
В смеси природных изотопов углерода на долю 14C приходится 1,8х10-10 %, что
соответствует 0,23 Бк/г.
Бериллий-7, Бериллий-10
14N(p,2)7B
Средняя удельная активность 7Ве в дождевой воде
равна 0,7 Бк/л.
Бериллий-10 – реакции скалывания на ядрах кислорода
Скорость образования ядер 10Ве в стратосфере 0,08 ат/(см2с)
Основные первичные радионуклиды
Радионуклид
T1/2, лет
Доля в природной смеси изотопов, %
238U
4,5109
99,27
235U
7,0108
0,72
232Th
1,41010
100
40K
1,3109
0,0117
87Rb
4,91010
27,8
150Nd
51010
5,6
147Sm
1,61011
15,07
176Lu
3,61010
2,6
138La
11011
0,089
Основной закон
радиоактивного распада
dN
 N
dt
dN
 dt
N
N
t
dN
N N   t dt
0
0
N
ln
 t
N0
N  N 0e
 t
N0
ln
 t
N
ln 2  T1/ 2
dN
A
 N
dt
 t
A  A0 e
7Be
и 7BeF2
[email protected]
60
52,680,05 сут
7Li(p,n)7Be
710-4
7Be
53,120,05 сут
Масса --- активность;
Определение периодов полураспада.
Вероятности Р (т) того, что в течение промежутка времени t произойдет т актов
распада, если среднее число актов распада за время t равно μ:
P(m) 
 me 
Распределение Пуассона
m!

2
пуасс

 пуасс ( N )  N  Ni
N
I
t
 пуасс ( I ) 
 пуасс ( N )
t
N


t
I

t
Ii
t
T1/2
Уд. активность, Бк/г
U-238
4,47 млрд лет
12400
Pa-234m
1,17 мин
2,5х1019
Sr-90
28,78 лет
1,9х1012
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа