Лекции по оптике и ядерной физике / L3-15

Если -частиц вылетает из ядра, имея орбитальный момент импульса (), то перейдя в систему отсчета, вращающуюся вместе с частицей, необходимо добавить к кулоновской потенциальной энергии E_кул, центробежную потенциальную энергию

, где (L – орбитальный момент импульса). Центробежный барьер создается центробежной силой, а она стремится удалить -частицу от ядра, т.е. эта сила должна способствовать -распаду, что было бы верно, если бы происходил надбарьерный процесс. Однако -распад является подбарьерным процессом. Поэтому центробежная сила повышает потенциальный барьер и увеличивает его ширину, она уменьшает постоянную распада и увеличивает период полураспада.

Современный подход к описанию -распада опирается на методы, используемые в квантовой теории ядерных реакций. Анализ экспериментальных данных показывает, что -частицы не существуют в ядре все время, а с некоторой вероятностью образуются на его поверхности перед вылетом.

Корпускулярные свойства -частиц проявляются вне ядра. Внутри ядра они проявляют волновые свойства, совершая колебания с 410²⁰ с^1 (10^14 м, v10⁶ м/с). Внутри ядра, наталкиваясь на стенки потенциального барьера волны -частиц испытывают “полное внутреннее отражение”, но иногда проникают сквозь барьер. Чем больше энергия -частицы в ядре, тем больше вероятность, что она покинет ядро.

Период полураспада ядер определяется в основном энергией -частиц. Чем больше эта энергия, тем меньше ширина потенциального барьера, который ей необходимо преодолеть, тем больше вероятность просочиться сквозь него и тем меньше период полураспада. Например, для , E4,2 МэВ, 4,510⁹ лет; для полония , E6 МэВ, 3 мин.

Время и место распада радиоактивных ядер являются случайными. Ядро – микрообъект, подчиняющийся законам квантовой механики, в которой действуют вероятностные законы. Момент распада предсказать невозможно.

К-захват. Электронный ^-распад. Позитронный ⁺- распад.

Бета-минус-распад – самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядро-изобар . Например, при ^-распаде нейтрон превращается в протон, с испусканием антинейтрино (электронное)

. Другим примером электронного ^-распада является распад трития

.

Бета-плюс-распад – самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядро-изобар и сопровождается, например, превращением протона в нейтрон, с испусканием позитрона и нейтрино (электронное)

. Другим примером ⁺-распада является распад радиоактивного ядра

.

-распад не внутриядерный, а внутринуклонный процесс. Спектр излучения –сплошной. -распад совершается за счет слабого взаимодействия. Энергия, выделяющаяся в процессе -распада, лежит в пределах от 0,019 МэВ до 16,6 МэВ. Период полураспада ядер при -распаде меняется от 10^2 с до 410¹² лет.

Прямым доказательством не сохранения четности у ядер при -распаде является то, что электрон вылетает из ядер преимущественно в направлении, противоположном направлению спина ядра (рис. 9.8).

Это связано с отсутствием зеркальной симметрии нейтрино – спин и импульс антинейтрино параллельны друг другу. Средняя длина свободного пробега нейтрино с энергией 1 МэВ в воде 10²³ м, что намного превышает размеры звезд (10¹⁵ м). Нейтрино и антинейтрино не участвуют в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Нейтрино не имеет электрического заряда и массы. Однако предполагается, что нейтрино имеет массу  эВ. Если масса нейтрино отлична от нуля, то его роль во Вселенной окажется более значительной. Существует проблема скрытой массы галактик (корона галактик), существование которой связывают с нейтрино. Масса короны превосходит массу видимого вещества галактик.

К-захват (электронный захват) – явление, в котором ядро поглощает один из электронов электронной оболочки атома. Обычно электрон захватывается из К-слоя, L-слоя и т.д. Электронный захват всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Примером К-захвата может служить распад

.

-излучение. Гамма-лучами называют электромагнитное излучение, возникающее при переходе атомных ядер из возбужденного состояния в более низкие энергетические состояния. В этом процессе число протонов и нейтронов в ядре не изменяется. Спектр -излучения дискретный, что связано с квантование энергетических уровней в ядре. Энергия -квантов, испускаемых атомными ядрами, изменяется от 10 кэВ до 5 МэВ. Длина волны -квантов 10^11    10^13 м.

Процесс излучения -кванта нуклоном в ядре сопровождается обменом импульсом последнего не только с рассматриваемым нуклоном, но и с остальными нуклонами ядра. Следовательно, испускание -квантов процесс внутриядерный, а не внутринуклонный.

Возможны и каскадные испускания возбужденным ядром нескольких -квантов. Возбужденные ядра, способные к  излучению, могут возникать также в результате предшествующих - и -распадов. Однако возбужденное ядро может перейти в основное состояние не только путем испускания -квантов, но и путем непосредственной передачи энергии возбуждения одному из электронов атомных оболочек. Такой процесс называют внутренней конверсией. Электроны внутренней конверсии моноэнергетичны, что и позволяет отличить их от электронов, испускаемых при ^-распаде ядер, спектр излучения которых непрерывен. Внутренняя конверсия сопровождается рентгеновским излучением, которое возникает в результате переходов электрона с вышележащих атомных слоев и оболочек на место, освобожденное электроном внутренней конверсии. Вероятность испускания возбужденным ядром  - кванта в сильной степени зависит от направления спинов начального и конечного состояний ядра.