pobierz zbiór pdf

Rozpady promieniotwórcze
Przez rozpady promieniotwórcze rozumie się
spontaniczne procesy, w których niestabilne
jądra atomowe przekształcają się w inne jądra
atomowe i emitują specyficzne promieniowanie
α
γ
β
X
rozszczepienie
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 1

Rozpady promieniotwórcze
Rodzaje rozpadów promieniotwórczych:
• Rozpad alfa –emisja α ≡ 4 He (Z=2,N=2)
• Rozpad beta – emisja e ─ i antyneutrina (β ─ ),
e + i neutrina (β + ), wychwyt elektronu z emisją
neutrina
• Rozpad gamma – emisja kwantu gamma (γ)
• Rozpad protonowy – emisja protonu (p)
• Rozpad neutronowy – emisja neutronu (n)
• Rozszczepienie – emisja 2 fragmentów
oraz neutronów
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 2

Tablica nuklidów – schematy rozpadów
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 3

Jądra podlegające rozpadowi alfa
Jądra zaznaczone na żółto na wykresie podlegają
rozpadowi alfa
α
(A,Z) ⎯→ (A–4,Z–2) + (4,2)
Są to jądra ciężkie –położone powyżej ścieżki
stabilności
Widać 3 wyraźne wyspy zaczynające się powyżej liczb
magicznych
• Z>50 i N>50
• N>82
• Z>82
Oczywiście gdy N>82
i Z>82 także obserwuje
się rozpad alfa
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 4

Jądra podlegające rozpadowi beta
Rozpad beta zachodzi dla izobarów, tzn. jądra
początkowe i końcowe mają tę samą liczbę masową A
lecz różnią się ładunkiem (następuje zmiana N/Z)
β ─
(A,Z) ⎯→ (A,Z+1) + e ─ + υ e
β +
(A,Z) ⎯→ (A,Z–1) + e + + υ e
(A,Z) + e ─ ⎯→ (A,Z–1) + υ e
Rozpad beta minus zachodzi dla jąder
położonych poniżej ścieżki stabilności
Rozpad beta plus i wychwyt elektronu
dla jąder powyżej ścieżki stabilności
Procesy te pojawiają się w całym
zakresie liczby masowej
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 5

Jądra podlegające rozpadowi gamma
Emisja kwantów gamma zachodzi dla wszystkich
jąder przy przechodzeniu z wyżej położonych
energetycznie stanów do niższych
γ
(A,Z) ⎯→ (A,Z) + γ
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 6

Jądra emitujące nukleon
Rozpad nukleonowy zachodzi dla jąder poza „linią
odpadnięcia” (drip line) protonów lub neutronów.
Znanych jest obecnie ponad 20 jader emiterów
protonów
p
(A,Z) ⎯→ (A–1,Z–1) + (1,1)
(A,Z) ⎯→
n
(A–1,Z) + (1,0)
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 7

Jądra ulegające rozszczepieniu (fission)
Spontanicznemu rozszczepieniu podlegają tylko
bardzo ciężkie jądra
(A,Z) ⎯→ (A 1 ,Z 1 ) + (A 2 ,Z 2 ) + k⋅n
ignorując ewentualną emisję cząstek innych niż neutrony:
Z 1 + Z 2 = Z i A 1 + A 2 + k = A (k=2-4)
Bariera na rozszczepienie znikałaby dla
parametru rozszczepialności Z 2 /A ~ 47
Neutron Energy
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 8

Rozpady egzotyczne
Marek Pfützner IFD UW – emisja 2 protonów (2002)
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 9

Rozpady egzotyczne
Rozpad z emisją cząstki (klastra) cięższej niż α
(A,Z) ⎯→ (A–A c ,Z–Z c ) + (A c ,Z c )
• znane 10 typów (od 1984)
14
C, 20 O, 23 F, 24 Ne, 25 Ne, 26 Ne, 28 Mg, 30 Mg, 32 Si, 34 Si
• prawdopodobieństwo w stosunku do rozpadu α
mniejsze o 9 ( 14 Cz 223 Ra) do 16 ( 34 Si z 242 Cm)
rzędów wielkości
• preferowane jądro końcowe podwójnie magiczne
(lub bliskie) podwójnie magicznemu
we wszystkich zaobserwowanych dotychczas takich
rozpadach jądrem końcowym był 208 Pb lub bliskie
doń jądro
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 10

Statystyczne prawa rozpadu
Czas życia nietrwałego jądra opisany jest rozkładem
wykładniczym:
gdzie , a średni czas życia
jest ze stałą rozpadu wzorem:
związany
Stała rozpadu występuje w równaniu różniczkowym,
którego rozwiązaniem jest N(t):
Inną wielkością charakteryzującą czas życia jest tzw.
półokres rozpadu po którym połowa jąder
rozpadnie się (a połowa wyjściowych pozostanie), więc
prawo rozpadu można też zapisać:
Średni czas życia to inaczej wartość oczekiwana czasu
życia a czas połowicznego rozpadu to jego mediana.
Związane są wzorem:
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 11

Statystyczne prawa rozpadu c.d.
Zależność liczby radioaktywnych jąder od czasu:
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 12

Aktywność
Radioaktywność charakteryzowana jest przez
liczbę rozpadów w jednostce czasu zwaną
aktywnością „A”:
Jednostkami aktywności są:
• 1 Becquerel (Bq) = 1 rozpad/s
• 1 Curie (Ci) = 3,7 x 10 10 rozpadów/s (jest to stara
jednostka odpowiadająca aktywność 1 g radu 226 Ra)
Jeżeli jądro może rozpadać się
różnymi sposobami to stała rozpadu
(opisująca aktywność) jest sumą
poszczególnych stałych:
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 13

Aktywność c.d.
Zmiana aktywności w czasie jest oczywiście
opisana także funkcją eksponencjalną:
Dla próbki o znanej aktywności A liczba
rozpadów w przedziale czasu Δt jest równa:
Tylko dla Δt « T ½ można przyjąć A jako stałe w ciągu Δt
czyli liczba rozpadów jest:
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 14

Szereg promieniotwórczy A→B→C→
Zmiana liczby radioaktywnych jąder opisana jest przez
równania
Rysunek ilustruje sytuację
gdy
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 15

Rozpad sukcesywny 1→2→3 stabilne
Dla dostaniemy:
⇒ promieniotwórcza równowaga wiekowa
Dla dostaniemy:
⇒ przejściowa równowaga promieniotwórcza
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 16

Podstawy Fizyki Jądrowej
Do zobaczenia za tydzień
Wykład 3 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 17