МГУ им. М. В. Ломоносова Геологический факультет Закон радиоактивного распада Юрий Александрович Костицын yuri.kostitsyn@gmail.com Задачи (*.xlsx) и лекции (*.pptx) – на сайте http://wiki.web.ru/wiki/Геологический_Факультет_МГУ: Геохимия_Изотопов_и_Геохронология Виды радиоактивного распада - – распад. 40 40 Нейтрон распадается 19 K 20 Ca на протон и электрон. + – распад. 40 40 K Протон распадается 19 18 Ar на нейтрон и позитрон. К – захват. Нейтрон образуется из протона и электрона оболочки. a – распад. 1.33 Мэв (89.52%) 0.49 Мэв ( 0.0001%) 40 19 40 K 18 Ar 1.51 Мэв (0.16%) 40 19 40 K 18 Ar 0.05 Мэв (10.32%) 147 62 Sm143 60 Nd a 2.23 Мэв Уравнение радиоактивного распада Ф.Содди и Э.Резерфорд (1902) установили экспериментально: dN N dt dN N dt ln N t C C ln N0 (при t 0) т.е. ln N t ln N0 ln N0 ln N t N0 N exp( t ) N0 N exp( t ) Drad N0 N N N0 exp( t ) Тогда Drad N exp( t ) N или Drad N exp( t ) 1 Прошлое (возраст) t=0 Если t T 1 2 N 0 Drad N 0 Тогда Drad N0 N0 exp( t ) Drad N0 1 exp( t ) или Будущее (время) t=0 Drad N exp( t ) 1 Возраст : t D ln rad 1 N 1 Если имеется некоторое исходное количество изотопа D0 , D D0 N exp(t ) 1; D D0 t ln 1 N Количество Drad от t1 до t2 1 Drad N exp( t1 ) exp( t2 ) (t1 t2 0) : Период полураспада N T1 2 1 N0 Drad при 2 ln(2) 0.693 (T1 2 ) t T1 2 среднее время жизни радионуклида 1 (t )2 (t )3 exp(t ) 1 t ... 2! 3! если t 1, Drad Nt 1 0.9 Количество атомов 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 T1 2 1 0.3 0.2 0.1 0 0 1 2 3 Время 4 5 6 Цепочки радиоактивных превращений 1 2 N1 N2 N3 dN1 1N1 dt dN2 1N1 2N2 dt N1 N10 exp(1t ), где N10 N1 при t 0 dN2 1N10 exp(1t ) 2N2 dt 1 N2 N10[exp(1t ) exp(2t )] N20 exp(2t ) 2 1 0 если N2 0 Частный случай 1. 1 > 2 N3 : T1 2 N1 : T1 2 1 N2 : T1 2 3 Частный случай 1. 1 > 2 N3 : T1 2 N2 : T1 2 3 N1 : T1 2 1 Частный случай 2. 2 > 1 N3 : T1 2 Вековое равновесие: 𝐍𝟐 𝛌𝟏 = 𝑵𝟏 𝛌𝟐 − 𝛌𝟏 N1 : T1 2 1 N2 : T1 2 0.3 𝛌𝟏 𝛌𝟐 − 𝛌𝟏 При вековом равновесии: 𝑵𝟐 𝝀𝟏 = 𝑵𝟏 𝝀𝟐 − 𝝀𝟏 𝑻𝟐 = 𝑻𝟏 − 𝑻𝟐 Если 𝝀𝟏 ≪ 𝝀𝟐 , то 𝑵𝟐 𝑵𝟏 ≈ 𝝀𝟏 𝝀𝟐 Периоды полураспада = 𝑻𝟐 𝑻𝟏 Для цепочки распада в состоянии векового равновесия 𝛌𝟏 𝐍𝟏 = 𝛌𝟐 𝐍𝟐 = 𝛌𝟑 𝐍𝟑 =…= 𝛌𝐧 𝐍𝐧 Тогда Drad = N1 exp 𝛌𝟏 t − 1 Вековое равновесие (стационарное состояние) наступает по прошествии некоторого времени. Какого? Нуклид: T1/2 242Pu 3.73×105 238U 4.468×109 234Th 24.1 дн. 234Pa 6.7 ч 234U 245000 230Th 75380 226Ra 1602 222Rn 3.8235 дн. 218Po 3.05 м 214Pb 26.8 м 214Bi 19.9 м 214Po 1.64×10–4 с 210Pb 22.3 210Bi 5.02 дн. 210Po 138 дн. 206Pb ∞ 1 3 2 n 1 N1 N2 N3 ... Nn при N20 ,...Nn0 0 Nn n C i exp(i t ) i 1 0 1 N где Ci n 1 j j 1 n, j i ( j i ) j Bateman, H. Solution of a System of Differential Equations Occurring in The Theory of Radio-Active Transformation. Proc. Cambridge Phil. Soc. 1910. 15:423-427. 1.E+00 D=1% (T=42млн.лет) 238 Относительное количество 1.E-03 U (0) 206 Pb (14) 1.E-06 234 U (3) 230 Th (4) 1.E-09 226 Ra (5) 210 Pb (11) 1.E-12 210 Po (13) Th (1) 210 Bi (12) 222 Rn (6) 234 Pa (2) 214 Pb (8) 214 Bi (9) 218 Po (7) 234 1.E-15 1.E-18 1.E-21 214 Po (10) 1.E-24 1.E-03 1.E+00 1.E+03 1.E+06 Время, годы 1.E+09 1.E+12 1.E+00 D=1% 207 Pb (T=5 млн.лет) 1.E-03 207 Относительное количество Pb 235 U 1.E-06 231 Pa 1.E-09 227 Ac 1.E-12 227 Th Ra 231 Th 223 1.E-15 211 Pb 207 1.E-18 Tl Bi 211 219 Rn 1.E-21 215 1.E-24 1.E-03 Po 1.E+00 1.E+03 1.E+06 Время, годы 1.E+09 1.E+12 Ядра отдачи (recoil nuclei) 𝑃𝑅2 2 𝑃𝛼,𝛽,𝛾 𝑣𝛼,𝛽,𝛾 𝑃𝑅 = 𝑃𝛼,𝛽,𝛾 или = R a,,g Для частиц с конечной массой: 𝑣𝑅 𝑚 ∙ 𝑣2 𝑃 = m ∙ 𝑣; 𝐸= 𝑣 − скорость; 2 2 𝑃 2𝐸 𝑚 − масса; 2 2 𝑣 = 2= → 𝑃 = 2𝐸 ∙ 𝑚 𝑃 − импульс; 𝑚 𝑚 𝑚𝛼,𝛽 2𝐸𝑅 ∙ 𝑚𝑅 = 2𝐸𝛼,𝛽 ∙ 𝑚𝛼,𝛽 → 𝐸𝑅 = 𝐸𝛼,𝛽 𝐸 − энергия. 𝑚𝑅 При a-распаде ядра отдачи смещаются в решётке минералов на 20 – 40 нм Для фотона: 2 𝐸𝛾 𝐸 𝛾 𝑃𝛾 = → 𝑃𝛾2 = 2 𝑐 𝑐 𝐸𝛾2 𝐸𝛾2 = 2𝐸𝑅 ∙ 𝑚𝑅 → 𝐸𝑅 = 2 𝑐 2𝑚𝑅 ∙ с2 Энергия выбивания ионов из решётки силикатов (Park B., Weber W.J., Coralles L.R. Phys. Rev. B64: 174108-1 – 174108-16.) В цирконе: Zr – 89 eV; Si – 48 eV; O – 28 eV. В керамике Al2O3: Al – 20 eV; O – 50 eV. Типичный диапазон энергий – от 10 до 70 эВ. Задача 2. Рассчитать энергию ядер отдачи Материнский Дочерний Тип распада нуклид нуклид 40 K 40 K 40 K 87 Rb 87 Rb 147 Sm 176 Lu 232 Th 235 U 238 U 40 Ca 40 Ar 40 Ar 87 Sr 87 Sr 143 Nd 176 Hf 228 Ra 231 Th 234 Th g g a a a a Энергия частиц, МэВ 1.311 1.505 1.480 0.283 0.283 2.310 1.193 4.083 4.678 4.270 Масса покоя электрона равна 0.00054858 аем 1 аем = (931.4 МэВ)/с2. Какой из видов распада разрушает решётку минералов?