Rozpady promieniotwórcze

Transkrypt

1 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

2 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

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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

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

10 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

11 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

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

13 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 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

14 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

15 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

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

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