Энергия ядерных превращений. Схемы распада

Содержание

Слайд 2

Схемы распада

Что нужно cделать в задаче:
Построить схему распада.
Определить энергию распада.
Определить энергии и

Схемы распада Что нужно cделать в задаче: Построить схему распада. Определить энергию
выход на распад испускаемых при распаде частиц (α, β, нейтрино).
Определить спектр (энергия и выход на распад) регистрируемых фотонов.

Слайд 3

Схемы распада

На схеме:
Распадающийся нуклид (MA).
Тип распада. Обозначен видом и наклоном стрелки.
Продукты распада

Схемы распада На схеме: Распадающийся нуклид (MA). Тип распада. Обозначен видом и
(M−4B, MC, MD).
Энергия испускаемых при распаде частиц (Eα, Eβ+,max, Eβ−,max). Энергия при электронном захвате уносится нейтрино, но его энергия на схеме не обозначается.
Вероятность каждой моды распада (выход на распад). Все вероятности определяются по отношению к исходному нуклиду. pα + pЭЗ + pβ+ + pβ− = 1.

Слайд 4

Схемы распада

Если распад происходит на возбужденное состояние, то на схеме обозначается структура

Схемы распада Если распад происходит на возбужденное состояние, то на схеме обозначается
уровней, маршрут переходов и их вероятности (выход на распад). Все вероятности определяются по отношению к исходному нуклиду.
Для данной схемы:
p1 = pα
p2 = p3 = pЭЗ + pβ+
p5 = p6 p4 + p5 = p4 + p6 = pβ−

Слайд 5

Энергия распада

Radioactivity. The property of certain nuclides showing radioactive decay.
Radioactive decay.

Энергия распада Radioactivity. The property of certain nuclides showing radioactive decay. Radioactive
Nuclear decay (a spontaneous nuclear transformation) in which particles or electromagnetic radiation are emitted or the nucleus undergoes spontaneous fission or electron capture.
Радиоактивность – способность некоторых ядер подвергаться радиоактивному распаду.
Радиоактивный распад – это ядерный распад (спонтанное ядерное превращение одного нуклида в другой), при котором происходит излучение частиц или электромагнитного излучения, деление ядра или захват электрона.

Q = −Δmc2, c2 ≈ 931.5 МэВ/а.е.м.

Выделяющаяся при распаде энергия распределяется между испускаемыми частицами и ядрами отдачи в виде их кинетической энергии и фотонами электромагнитного излучения (если таковые присутствуют).

Слайд 6

α-распад

MA

M−4B

Eα1, p1

Eα2, p2

0

E

Здесь c – скорость света, mA – масса ядра MA,

α-распад MA M−4B Eα1, p1 Eα2, p2 0 E Здесь c –
mB – масса ядра M−4B, mα – масса ядра 4He, M и Z – массовое и зарядовое число нуклида MA.

Здесь MA – масса атома MA, MB – масса атома M−4B, MHe – масса атома 4He, me – масса электрона.

c2 ≈ 931.5 МэВ/а.е.м.

Слайд 7

α-распад

239Pu → 235U + α
239Pu – 239.05216 а.е.м.
235U – 235.04393 а.е.м.
4He –

α-распад 239Pu → 235U + α 239Pu – 239.05216 а.е.м. 235U –
4.00260 а.е.м.
Qα = 931.5 × (239.05216 − 235.04393 − 4.00260) = 5.244 МэВ
Eα ≈ 5.244 × 235 / 239 = 5.156 МэВ
Er ≈ 5.244 × 4 / 239 = 0.088 МэВ

Слайд 8

β+-распад

MA

MC

Eβ+,max1, p1

Eβ+,max2, p2

0

E

Здесь c – скорость света, mA – масса ядра MA,

β+-распад MA MC Eβ+,max1, p1 Eβ+,max2, p2 0 E Здесь c –
mC – масса ядра MC, me – масса электрона или позитрона, M и Z – массовое и зарядовое число нуклида MA.

Здесь MA – масса атома MA, MС – масса атома MС.

c2 ≈ 931.5 МэВ/а.е.м. mec2 ≈ 511 кэВ

β+-частицы:
Eβ+,max1 = Qβ+
Eβ+,max2 = Qβ+ − E

Слайд 9

Электронный захват

MA

MC

p1

p2

0

E

Здесь c – скорость света, mA – масса ядра MA, mC

Электронный захват MA MC p1 p2 0 E Здесь c – скорость
– масса ядра MC, me – масса электрона или позитрона, M и Z – массовое и зарядовое число нуклида MA.

Здесь MA – масса атома MA, MС – масса атома MС.

c2 ≈ 931.5 МэВ/а.е.м. mec2 ≈ 511 кэВ

Моноэнергетические нейтрино:
Eν1 = QЭЗ
Eν2 = QЭЗ − E

Слайд 10

β−-распад

MA

MD

Eβ−,max1, p1

Eβ−,max2, p2

0

E

Здесь c – скорость света, mA – масса ядра MA,

β−-распад MA MD Eβ−,max1, p1 Eβ−,max2, p2 0 E Здесь c –
mD – масса ядра MD, me – масса электрона или позитрона, M и Z – массовое и зарядовое число нуклида MA.

Здесь MA – масса атома MA, MD – масса атома MD.

c2 ≈ 931.5 МэВ/а.е.м. mec2 ≈ 511 кэВ

β−-частицы:
Eβ−,max1 = Qβ−
Eβ−,max2 = Qβ− − E

Слайд 11

Спектр регистрируемых фотонов

MC

Eβ+,max, 0,1

MD

Eβ−,max1, 0,2

0

0

E1

E2

E3

MA

Eβ−,max2

0,3

Спектр регистрируемых фотонов MC Eβ+,max, 0,1 MD Eβ−,max1, 0,2 0 0 E1

Слайд 12

Спектр регистрируемых фотонов

MC

Eβ+,max, 0,1

MD

Eβ−,max1, 0,2

0

0

E1

E2

E3

MA

Eβ−,max2, 0,7

0,3

0,4

0,6

0,1

Сначала дополним схему выходами на распад

Спектр регистрируемых фотонов MC Eβ+,max, 0,1 MD Eβ−,max1, 0,2 0 0 E1

Слайд 13

Спектр регистрируемых фотонов

Фотоны испускаются при переходе из возбужденных состояний. Из этого можно

Спектр регистрируемых фотонов Фотоны испускаются при переходе из возбужденных состояний. Из этого
восстановить часть спектра.
Энергия – E1, выход на распад – 0,1
Энергия – E3, выход на распад – 0,3
Энергия – (E3 − E2), выход на распад – (0,7 − 0,3) = 0,4
Энергия – E2, выход на распад – (0,7 − 0,3) + 0,2 = 0,6
????

MC

Eβ+,max, 0,1

MD

Eβ−,max1, 0,2

0

0

E1

E2

E3

MA

Eβ−,max2, 0,7

0,3

0,4

0,6

0,1

Слайд 14

Спектр регистрируемых фотонов

Фотоны испускаются при переходе из возбужденных состояний. Из этого можно

Спектр регистрируемых фотонов Фотоны испускаются при переходе из возбужденных состояний. Из этого
восстановить часть спектра.
Энергия – E1, выход на распад – 0,1
Энергия – E3, выход на распад – 0,3
Энергия – (E3 − E2), выход на распад – (0,7 − 0,3) = 0,4
Энергия – E2, выход на распад – (0,7 − 0,3) + 0,2 = 0,6
Энергия – 511 кэВ, выход на распад – (2 × 0,1) = 0,2

MC

Eβ+,max, 0,1

MD

Eβ−,max1, 0,2

0

0

E1

E2

E3

MA

Eβ−,max2, 0,7

0,3

0,4

0,6

0,1

e+ + e− → 2hν
На каждый позитрон испускается два фотона по 511 кэВ каждый

Слайд 15

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро
может оказаться в основном состоянии (81,6%) или на первом возбужденном уровне 84,3 кэВ (18,25%) , б) путем электронного захвата с переходом на основное состояние ядра (0,12%) или на первый возбужденный уровень 78,6 кэВ (0,03%). Массы атомов: 170Tm 169,935801 а.е.м., 170Er 169,935464 а.е.м., 170Yb 169,934762 а.е.м. Определите энергии испускаемых при распаде: моноэнергетических нейтрино, γ-квантов и максимальные энергии β-частиц. Постройте схему распада 170Tm.

Слайд 16

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро
может оказаться в основном состоянии (81,6%) или на первом возбужденном уровне 84,3 кэВ (18,25%) , б) путем электронного захвата с переходом на основное состояние ядра (0,12%) или на первый возбужденный уровень 78,6 кэВ (0,03%). Массы атомов: 170Tm 169,935801 а.е.м., 170Er 169,935464 а.е.м., 170Yb 169,934762 а.е.м. Определите энергии испускаемых при распаде: моноэнергетических нейтрино, γ-квантов и максимальные энергии β-частиц. Постройте схему распада 170Tm.

Построим предварительный вариант схемы распада

Слайд 17

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро
может оказаться в основном состоянии (81,6%) или на первом возбужденном уровне 84,3 кэВ (18,25%) , б) путем электронного захвата с переходом на основное состояние ядра (0,12%) или на первый возбужденный уровень 78,6 кэВ (0,03%). Массы атомов: 170Tm 169,935801 а.е.м., 170Er 169,935464 а.е.м., 170Yb 169,934762 а.е.м. Определите энергии испускаемых при распаде: моноэнергетических нейтрино, γ-квантов и максимальные энергии β-частиц. Постройте схему распада 170Tm.

0,03%

0

78,6 кэВ

170Tm

170Er

0,12%

0

84,3 кэВ

170Yb

Со спектром γ-квантов уже все понятно

81,6%

18,25%

0,03%

18,25%

78,6 кэВ (0,03%) и 84,3 (18,25%)

Слайд 18

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро
может оказаться в основном состоянии (81,6%) или на первом возбужденном уровне 84,3 кэВ (18,25%) , б) путем электронного захвата с переходом на основное состояние ядра (0,12%) или на первый возбужденный уровень 78,6 кэВ (0,03%). Массы атомов: 170Tm 169,935801 а.е.м., 170Er 169,935464 а.е.м., 170Yb 169,934762 а.е.м. Определите энергии испускаемых при распаде: моноэнергетических нейтрино, γ-квантов и максимальные энергии β-частиц. Постройте схему распада 170Tm.

Вычислим энергии распада:
Qβ− = c2(M(170Tm) − M(170Yb)) = 931500 × (169,935801 − 169,934762) = 967,8 кэВ
QЭЗ= c2(M(170Tm) − M(170Er)) = 931500 × (169,935801 − 169,935464) = 313,9 кэВ

Слайд 19

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро

Ядро 170Tm распадается по двум механизмам: а) β−-распад, при этом дочернее ядро
может оказаться в основном состоянии (81,6%) или на первом возбужденном уровне 84,3 кэВ (18,25%) , б) путем электронного захвата с переходом на основное состояние ядра (0,12%) или на первый возбужденный уровень 78,6 кэВ (0,03%). Массы атомов: 170Tm 169,935801 а.е.м., 170Er 169,935464 а.е.м., 170Yb 169,934762 а.е.м. Определите энергии испускаемых при распаде: моноэнергетических нейтрино, γ-квантов и максимальные энергии β-частиц. Постройте схему распада 170Tm.

Исходя из схемы распада испускается два сорта β−-частиц – при распаде в основное и возбужденное состояние. Вычислим их и нанесем на схему:
Eβ−,max1 = Qβ− = 967,8 кэВ Eβ−,max2 = Qβ− − 84,3 = 967,8 − 84,3 = 883,5 кэВ