Что вызывает радиоактивность? Это квантово-механический эффект?

Радиоактивность является результатом слияния специальной теории относительности и квантовой механики.

Специальная теория относительности вводит обобщенную энергию,$E=mc^2$, что позволяет закону сохранения энергии учесть в сумме массы покоя частиц, составляющих ядро. В этом релятивистском законе сохранения энергии мы находим некоторые ядерные изотопы, которые находятся на более высоком энергетическом уровне, чем возможная реорганизация составляющих.

В классической физике также, если для системы существует более низкое энергетическое состояние, оно метастабильно , система в конце концов окажется с самой низкой энергией. При работе с размерами ядра квантовая механика должна использоваться для оценки вероятностей перехода в более низкое энергетическое состояние. Кроме того, открытые нижние энергетические каналы должны сохранять квантовые числа системы.

Распады могут быть альфа-, бета- или гамма- (фотоны) в зависимости от типа ядра, типа связи и квантовых чисел энергетических состояний.

Альфа возможна, потому что это сильно связанное ядро, и расщепление на альфа и остальные имеет хорошую вероятность, пока уровень энергии выше, чем уровень энергии состояний конечных ядер. Избыток уходит в кинетическую энергию.

Бета исходит от ядер, которые имеют либо большое количество нейтронов, либо большое количество протонов. Отталкивание слишком большого количества протонов делает состояние с более низкой энергией более благоприятным, а возможности распада слишком большого количества нейтронов учитывают вероятность распада нейтронов, чтобы увеличить число протонов. Время жизни в целом связано с вероятностью , рассчитанной на основе квантово-механических моделей.

Гамма более прямолинейна и возникает потому, что ядро ​​было обнаружено в возбужденном состоянии (обычно потому, что это фрагмент другого распада), и оно переходит в более низкое энергетическое состояние, испуская гамма.

Большинство изотопов изучено, и их времена жизни согласуются с квантово-механическими ядерными моделями.

Вы делаете много вопросов в одном, на каждый из них есть свой ответ.

• Просто чтобы уточнить, ядерный распад и ядерная реакция — это две совершенно разные вещи. Радиоактивность возникает естественным образом, спонтанно. Вы должны сидеть и ждать, пока ядро ​​не распадется. Ядерная реакция является принудительной, это то, что вы получаете, например, стреляя пучком частиц в цель. Я собираюсь объяснить радиоактивность, потому что ядерные реакции — это что-то широкое и огромное.

Да, все становится «квантовым», когда вы обращаетесь к очень маленьким контекстам (микроскопическим контекстам, таким как атомы, ядра, частицы и т. д.).

Нуклоны внутри ядра (т. е. протоны и нейтроны) представляют собой связанные частицы (связанные ядерным потенциалом), организованные в квантовых оболочках подобным (но не одинаковым) образом, как электроны организуются внутри атома. Нуклоны хорошо описываются квантовыми волновыми функциями и связанными с ними квантовыми числами (энергия, спин, угловые моменты ядра и частицы и т. д.). Энергии, разделяющие эти оболочки, квантуются , что означает, что вы можете перемещаться через оболочки (или энергетические уровни), только поглощая или излучая энергию (или частицы) в дискретных значениях.. В некоторых контекстах вы можете рассматривать частицу как форму дискретной энергии, наиболее распространенным примером является фотон (частица) = гамма-луч (энергия). При ядерных распадах всегда происходит некоторое гамма-излучение (если только вы не распадаетесь непосредственно в более низкое состояние дочернего ядра). Эти энергии обычно являются решениями гамильтониана системы, если вы в состоянии решить гамильтониан в первую очередь, что является непростой задачей, особенно для экзотических и неизвестных ядер.

Эти значения энергий, разделяющих оболочки, неодинаковы для одних и тех же оболочек в разных ядрах, так как при добавлении и удалении нуклонов взаимодействия между ними меняются, а это влияет на ядерный потенциал, который, в свою очередь, влияет на энергетическое разделение уровней ( положение, в котором лежат раковины, говоря «человеческим» языком, которые толкаются вверх или вниз). Когда энергетическое расстояние между оболочками увеличивается, это может быть признаком более высокой стабильности (потому что вам нужно больше энергии, чтобы перейти от одной оболочки к другой), в то время как при коротких энергетических расстояниях так легко перейти на следующий энергетический уровень.

Радиоактивность возникает из-за того, что ядро ​​становится нестабильным . Есть много причин, по которым ядро ​​может стать нестабильным, и оно попытается избавиться от этой нестабильности и достичь самого низкого энергетического состояния системы (в данном случае системой является ядро), как и все в Природе.

Обычный сценарий: у вас есть нестабильное родительское ядро, которое распадается. В зависимости от случая, он испускает некоторые частицы.

Часть энергии, высвобождаемой при распаде, используется в качестве кинетической энергии остатками распада, но часть энергии может сохраняться в качестве энергии возбуждения в дочернем ядре. Поскольку нуклоны в дочернем ядре организованы определенным образом в соответствии с оболочками, квантовыми числами, энергиями и т. д., это ядро ​​будет иметь набор энергетических уровней, который является как бы следом, и нуклоны этого ядра будут продвигаться к более высокие энергетические уровни, используя энергию возбуждения, о которой мы упоминали выше.

Изображение стоит тысячи слов, поэтому, пожалуйста, посмотрите на эту диаграмму хорошо известного эталонного радиоактивного источника, ⁶⁰ Co, где вы можете увидеть, как исходный ( ⁶⁰ Co) распадается на Ni, а Ni имеет набор уровней возбуждения, на которых вы можете заканчиваются при выходе из ⁶⁰ Co (его полная схема уровней намного сложнее, но если вы приходите из распада, вы можете получить доступ или «заселить» только определенные энергетические уровни, в то время как другие запрещены законами квантовой физики).

^{Источник изображения: Национальный центр ядерных данных.}

Когда дочернее ядро ​​окажется в возбужденном состоянии (одно при 1332 кэВ, а другое при 2158 кэВ), оно попытается избавиться от нестабильности, испуская частицы, в данном случае гамма-лучи с точными (квантованными) энергиями . (826 кэВ, 2158 кэВ и 1332 кэВ). Это след Ni для этого распада.

Нестабильность в ядре может быть вызвана дисбалансом между числом протонов и числом нейтронов.. Поскольку протоны отталкиваются друг от друга, так как у них одинаковый заряд, когда у вас есть огромные ядра с огромным количеством протонов, вам нужно увеличить количество нейтронов, чтобы добавить больше ядерного потенциала в систему и сохранить его ограниченным. Вот почему легкие ядра имеют такое же количество нейтронов, как и протонов, а тяжелые ядра имеют некоторое количество протонов и кучу нейтронов. Некоторые из экспериментов, которые проводят исследователи, состоят в изменении этого баланса путем добавления или удаления частиц. Если вы начнете добавлять протоны или удалять нейтроны из ядра, кулоновское отталкивание сделает его нестабильным, и оно начнет распадаться, выплевывая протоны, нейтроны, электроны, позитроны, все, от чего ему нужно избавиться. Но интересен тот факт, что если в систему добавить нейтроны, она тоже станет нестабильной!Предел, до которого вы можете добавлять протоны или нейтроны к ядру до тех пор, пока оно не перестанет быть стабильным и не начнет распадаться, испуская нуклоны того же типа, что вы добавляете, называется «линии протонов и нейтронов» .

В предыдущем примере ⁶⁰ Co имеет 27 протонов и 33 нейтрона, эти 33 нейтрона делают ядро ​​нестабильным, поэтому оно избавляется от одного из них посредством процесса бета-минус-распада, где нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино:

Образовавшееся дочернее ядро ​​с 28 протонами и 32 нейтронами представляет собой ⁶⁰ Ni. Часть доступной конечной энергии делится в виде кинетической энергии на электрон и антинейтрино, а часть энергии будет использоваться для возбуждения Ni, который в конечном итоге подвергнется гамма-распаду. Если эта конфигурация из 28 протонов и 32 нейтронов все еще была нестабильной, Ni найдет способ распада, и у вас может получиться распадающаяся цепочка, как у тория, радия и т. д.

Альфа-, бета- и гамма-распады — это всего лишь способ избавиться от этой нестабильности, и они никоим образом не являются единственными модами распада во Вселенной. Есть много экзотических режимов распада, когда вы производите экзотические ядра в ускорителе (или в звезде, где они производятся ежедневно). Испускание протонов, испускание нейтронов, деление, двойной бета-распад, двухпротонный распад, кластеризация, гало-ядра — вот лишь некоторые из способов, которыми ядро ​​справляется с этими нестабильными ситуациями. Режим распада, который будет иметь место, зависит от ряда факторов, энергии, числа нуклонов, спинов и т. д. Даже температура может играть роль (например, в звездах я могу думать о цикле CNO). Различные режимы распада могут также конкурируют друг с другом (например, альфа и бета, бета и эмиссия частиц и т. д.).

Ядерный потенциал описывает это поведение. Однако мы очень далеки от единой ядерной модели или теории . Сегодня у нас есть модель, описывающая стабильные ядра и их изотопы (те самые, которые вы можете найти в периодической таблице элементов). Они давно изучены и хорошо изучены. Модель жидкой капли и модель оболочки — две первые попытки объяснить, что происходит в ядре. Например, проверьте полуэмпирическую формулу массы, которая учитывает не только квантовые эффекты, но и кулоновские эффекты, возникающие из-за того, что протоны являются заряженными частицами.

Пример некоторых ядерных уровней с назначенными спинами и четностями. Трудно вычислить, где расположены эти уровни с точки зрения энергии, каковы значения их спинов, четности и т. д. Это проблема, которую квантовые расчеты пытаются решить, пытаясь найти единую модель ядерного потенциала, объясняющую, что происходит. мы видим в данных. (Источник изображения: Свидетельство наличия парной фазы нейтрон-протон, выровненной по спину, из структуры уровней ⁹² Pd, B. Cederwall et al., Nature 469 , 68 (2011) , arXiv:1101.2187 .)

Но что происходит, когда вы ищете за пределами этих областей стабильных ядер? Мы не знаем. Модель оболочки больше не применяется, появляются новые оболочки, новые конфигурации . Все они управляются квантовой механикой и спинами, и энергиями, и волновыми функциями и тому подобным. Мы не нашли модель ядерного потенциала, которая объясняет каждый радиоактивный распад в любой области ядерной карты . Вы можете найти все экзотические ядра, известные на сегодняшний день, в этой обновленной ядерной таблице:

http://www.nndc.bnl.gov/chart/

Люди даже пытались объяснить ядерный потенциал с точки зрения кварков, но потерпели неудачу. Ядро, будучи системой многих тел, представляет собой сложную задачу для решения . В физике элементарных частиц теория говорит вам, где нужно измерять, чтобы найти новую частицу. В ядерной физике вы должны сначала измерить, а затем попытаться найти теорию, объясняющую данные. Это феноменологическое поле.

Альфа-излучение

Как я сказал выше, на положение энергетических уровней в ядре и оболочках также влияет другая сила: кулоновская сила, потому что у вас есть заряженная частица: протон, и у вас будет сила отталкивания, действующая против ядерной силы. который хочет получить протоны вместе . История ядра — это история этих двух сил, действующих друг против друга и в конце концов находящих равновесие. Чем тяжелее ядро, тем больше в нем протонов и чем больше кулоновская сила, тем больше и отталкивание . Если$Z$- число протонов, кулон увеличивается как$Z^2$, а ядерный потенциал возрастает по мере$Z$(проверьте массовую формулу Вайцзекера, объяснение каждого термина даст вам представление о том, что происходит внутри ядра).

Поскольку альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, ядерная сила сильнее, чем кулоновское отталкивание, чтобы эти два протона могли собраться вместе и сформировать альфа-ядро, так что это очень прочная и связанная структура. Выброс его самопроизволен, так как именно продукт распада имеет отношение массы легкости к выделяемой энергии (его масса очень мала по сравнению с суммой масс его составляющих). Если вы посмотрите на график зависимости числа нуклонов от энергии связи, ядро ​​гелия имеет одно из самых высоких соотношений, а также является чрезвычайно стабильным атомом в атомном мире.

Кулон создает энергетический барьер, энергетическую стену, через которую должна пройти альфа-частица, чтобы покинуть ядро. В альфа-распаде это происходит благодаря туннельному эффекту (ищите квантовое туннелирование в Википедии) . Тогда альфа-частица имеет квантовую вероятность пересечения туннеля и испускания. На мой взгляд, книга, которая лучше всего объясняет этот распад, — это «Введение в ядерную физику» Кеннета С. Крейна, где-то на странице 251 . Обсуждение там довольно интересно читать.

Вы не обязаны рассматривать распад как явление квантовой механики (КМ). Считайте это ядерной реакцией, которая происходит самопроизвольно. Подобные реакции есть и в химии, например, распад озона.

Современная КМ не может рассчитать вероятности распада и периоды полураспада, они измеряются только экспериментально. В принципе, можно смоделировать ядро ​​на компьютере в виртуальной реальности на основе QM, но сегодняшние компьютеры недостаточно мощны для этого. Это связано с тем, что ядро ​​склеено сильным взаимодействием, состоящим из множества виртуальных глюонов, которые трудно точно смоделировать.

Ядерные реакции подчиняются энергии связи и закону энтропии (закону минимума энергии).

Точно так же, как химические реакции.

Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью разрушить связанный объект, т.е. отправить все его части в бесконечность.

Закон энтропии говорит, что энергия хочет рассеяться.

Поскольку многие ядра обладают некоторой энергией связи, это означает, что нуклоны хотят связываться. Потому что будучи связанными, они позволяют рассеивать больше энергии.

Ниже приведен график энергии связи стабильных ядер.

Никто не знает, почему этот сюжет выглядит именно так. Если кто-то знает, он / она получит Нобелевскую премию.

Чем выше график, тем более «доходное» ядро ​​он описывает.

Самой связующей энергией является энергия Железа.

Никто не знает почему. Если кто-то знает, он / она получит Нобелевскую премию :)

Это означает, что все ядра хотят быть железными. Это причина того, что все дожелезные ядра склонны к слиянию, а все послежелезные ядра стремятся к делению.

Также обратите внимание на пик альфа-частицы (He4). Вот почему испускание альфа-частицы является самой «популярной» реакцией. Выброс C12 или O16, по-видимому, невозможен.

Никто не знает, почему альфа-частица имеет такую ​​высокую энергию связи. Если кто-то знает, он / она получит Нобелевскую премию :)