−

уровни. Их переходы в основное состояние сопровождаются испусканием γ- квантов.

7.2.РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД ЯДЕР

7.2.1.Явление радиоактивности

Явление радиоактивности заключается в самопроизвольном превращении одних ядер в другие. При этом образуется новый атом, отличающийся по химическим свойствам от исходного. Радиоактивность обусловлена только внутренним строением ядра и не зависит от внешних условий. Это явление было открыто в 1896 г. А.Беккерелем, изучением его занимались Пьер и Мария Кюри, Э.Резерфорд и др.

Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, встречающихся в естественных условиях, называемых естественной (92U238, 19Ca40, 90Th332 b др.), а

радиоактивность изотопов, полученных искусственным путем (с помощью ядерных реакций), называется искусственной радиоактивностью. Радиоактивные ядра содержат избыток нейтронов или протонов по сравнению со стабильными ядрами того же элемента. В природе открыты радиоактивные ядра, испускающие α-, β-, γ-лучи. К естественной радиоактивности относят также самопроизвольное деление тяжелых ядер (А ≈ 240) на два средних (А ≈ 120).

α-частица имеет заряд +2е, масса ее mα = 4,0026 а.е.м., это ядра атома

гелия 2Не4, β-частицы – это электроны ядерного происхождения, по свойствам не отличающиеся от атомных электронов. Они образуются в процессе радиоактивного распада, а не входят в состав ядра. γ-лучи являются потоком квантов коротковолнового электромагнитного излучения, близкого по свойствам к рентгеновскому. Если кванты видимого излучения имеют энергию 1,3÷3 эВ, кванты рентгеновского излучения - 102÷105 эВ, то γ-кванты – 0,1÷5 МэВ. Процесс радиоактивного распада записывают в виде уравнения

тица. Например,

94 Pu238 →92 U238 + α.

Если дочернее ядро возникает в возбужденном состоянии, то после распада испускаются γ-кванты. При радиоактивном распаде выполняются законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда, числа нуклонов.

Закон сохранения энергии при радиоактивном распаде покоящегося ядра

где ЕР – полная энергия распада. Она равна части энергии покоя материнского ядра, преобразующейся в кинетическую энергию дочернего ядра испускаемой частицы и γ-квантов. Например,

Отдельные радиоактивные ядра испытывают распад независимо друг от друга, поэтому количество распавшихся ядер dN за время dt пропорциональ-

где λ − постоянная распада, характерная величина для данного вещества. Знак минус указывает на убыль радиоактивных ядер. Из (36.2) находим урав-

где N0 – начальное количество ядер, N – количество нераспавшихся ядер к моменту времени r.

Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада Т. Оно находится из условия

Так как акт распада ядра носит случайный характер, то постоянная распада λ характеризует вероятность распада. Обратная же ей величина называется средним временем жизни радиоактивного ядра:

Периоды полураспада известных в настоящее время изотопов находятся в пределах от 3 10-7 с до 5 1015 лет. Например:

За единицу активности принят 1 распад/с. Часто пользуются внесистемной единицей 1 Кu (кюри) = 3,7 1010 расп/с. Активность радиоактивного вещества массой m равна

a = λ N = λmNA A ,

где NA – число Авогадро, А – атомная масса. Для получения активности в 1 Кu масса вещества m = 8,61 10−17 AT ,

Из экспериментов были найдены две особенности α-распада.

Сопоставление длины пробега (кинетической энергии) α-частицы с вероятностью распада λ альфа-излучателя (период полураспада) позволило Г.Гейгеру и Дж.Неттолу установить зависимость – закон Гейгера-Неттола:

ln λ = A ln Eα + B,

где Еα − энергия α-частиц, А и В – постоянные.

Энергия α-частиц значительно меньше той, что должна бы она получить после распада. Так, в приведенном выше α-распаде потенциальная энергия от-

руется в ядре и находится там в потенциальной

яме с энергией Е’α (рис. 7.2.1). Обладая волновыми свойствами часть α- частиц отражается от стенок потенциального барьера, а часть проникает сквозь

нее и уходит с энергией Еα = Е’α − U0, что и наблюдается на опыте. Эффект просачивания α-частиц через потенциальный барьер называют туннельным

эффектом. Им объясняются закономерности α-распада. С ростом Е’α уменьшается ширина потенциального барьера и увеличивается вероятность распада, что находится в согласии с законом Гейгера-Неттола.

−

7.2.4. Бета−распад

Бета-распад объединяет три вида ядерных превращений: электронный (β-) распад, позитронный (β+) распад и электронный захват. При излучении β- распада пришлось столкнуться со следующими, необъяснимыми, на первый взгляд, фактами.

После открытия нейтрона стало ясно, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов и в их состав не входят ни электроны, ни позитроны. Возникает вопрос: откуда берутся электроны (позитроны) при β-распаде?

Электроны или позитрон, вылетающие при β-распаде уносят с собой соб-

ственный момент количества движения (спин), равный h2 . Следовательно, яд-

ра с четным числом нуклонов, обладающие целым спином, после β-распада должны были бы иметь полуцелый спин при четном числе нуклонов. Экспери-

мент не подтверждал этого. Например, 19 K40 →20 Ca40 +β− .

Для преодоления указанных трудностей В.Паули в 1932 г. предложил гипотезу нейтрино. Согласно этой гипотезе в каждом акте β-распада наряду с β-

h

частицей испускается еще другая незаряженная частица со спином 2 и мас-

сой mv = 0. Эту частицу по предложению Э.Ферми назвали нейтрино. Она была экспериментально обнаружена в 1955 г. Ф.Рейнесом и К.Коуэном. При позитронном распаде испускается нейтрино v, при электронном – антинейтрино ν. Они отличаются направлением спина (рис. 7.2.3). Энергия Emax, уносимая электроном и антинейтрино при β-распаде, является суммой энергий

Eβ + Eν) = Emax .

Так как разделение энергий может быть любым, то β-частица при распаде может иметь любую энергию от 0 до Emax. Введение нейтрино автоматически устранило и третье несоответствие. По современным представлениям элек-

направление движения Рис. 7.2.3