3. Альфа - распад

Радиоактивное превращение с испусканием л-частицы (₂Не⁴) называют α-распадом. Его уравнение имеет вид

Заряд ядра при этом уменьшается на две единицы, а массо­вое число - на 4. Из закона сохранения энергии (38.1) находим

т.к. Е_р>0, то α-распад возможен, если масса материнского ядра больше суммы масс дочернего ядра и α-частицы. Пример:

Из экспериментов были найдены две особенности α-распада.

1. 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:

где Е_α- энергия α-частиц, А и В - постоянные.

2. Энергия α-частиц значительно меньше той, что должна бы она получить после распада. Так, в приведенном выше α-распаде потенциальная энергия отталкивания α-частицы от ядра ₉₉Th²³⁴ составляет около 30 МэВ, а Е_α=4,2 МэB, т.e. α-частица, вылетая из ядра с меньшей энергией, преодоле­вает значительно больший потенциальный барьер. Это экспериментальный факт объясняется лишь квантовой механикой. Перед началом распада α-частица формируется в ядре и находится там в потенциальной яме с энергией (Рис. 38.1).Обла­дая волновыми свойствами часть α-частиц отражается от сте­нок потенциального барьера, а часть проникает сквозь нее и уходит с энергией , что и наблюдается на опыте. Эффект просачивания α-частиц через потенциальный барьер называют туннельным эффектом. Им объясняется закономерности α-распада. С ростом уменьшается ширина потенциально­го барьера и увеличивается вероятность распада, что находит­ся в согласии с законом Гейгера-Неттола

4. Бета-распад

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

1. В отличие от α-распада, где α-частица имеет опре­деленное значение энергии, при β-распаде кинетические энергии вылетающих электронов (позитронов) лежат в пределах от 0 до Е_max (Рис.38.2), т.е. вылетающие электроны име­ют сплошной спектр. Величина Е_max имеет определенное зна­чение для каждого изотопа. Сплошной β-спектр как бы противоречит закону сохранения энергии, т.к. нет опреде­ленной энергии Е_β у вылетающей частицы.

2 . 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?

3. Электрон или позитрон, вылетающие при β-распаде уносят с собой собственный момент количества движения (спин), равный . Следовательно, ядра с четным числом нукло­нов, обладающие целым спином, после β-распада должны были бы иметь полуцелый спин при четном числе нуклонов. Эксперимент не подтверждал этого. Например, .

Для преодоления указанных трудностей З.Паули в 1932 г. предложил гипотезу нейтрино. Согласно этой гипотезе в каждом акте β-распада наряду с β-частицей испускается еще другая незаряженная частица со спином и массой m_υ=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 υ, при электронном - антинейтрино . Они отличаются направлением спина (Рис. 38.2). Энергия Е_mах, уносимая электроном и анти­нейтрино при β-распаде, является суммой энергий .

Т .к. разделение энергий может быть любым, то β-частица при распаде может иметь любую энергию от 0 до Е_max. Введение нейтрино автоматически устранило и третье несоответствие. По современным представлениям электронный распад ядра

следует рассматривать как превращение одного из нейтронов яд­ра в протон, электрон и антинейтрино:

При этом порядковый номер ядра увеличивается на единицу, а массовое число остается постоянньм, т.к. m_e<<m_p. Например,

Аналогично позитронный β⁺-распад

следует рассматривать как превращение протона ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино:

Такое превращение может происходить только в ядре, т.к. в свободном состоянии протон — стабильная частица.

При таком распаде массовое число не изменяется, а заряд ядра уменьшается на единицу. Например,

В третьем типе β-распада - электронном захвате мате­ринское ядро с избытком протонов захватывает орбитальный элек­трон из атомных оболочек. После захвата, как и в позитронном распаде, один протон превращается в нейтрон:

Электронный захват обозначают как и оболочку: К-зах­ват, L-захват и т.д. Уравнение электронного захвата

где n - обозначение оболочки, например

Энергия К-захвата Е_р=О,864 МэВ.