2. Что такое радиоактивность? Как объясняется механизм испускания ядрами альфа-, бета- и гамма- лучей? Какие изменения происходят при этом с ядром?

Под радиоактивностью понимают явление самопроизвольного превращения ядер (неустойчивых изотопов) одних элементов в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием разного рода частиц. Радиоактивность может быть искусственной (для ядер, получаемых искусственно, в результате ядерных реакций). Явление радиоактивности, открытое А. Беккерелем в 1896 г. сопровождается, как показали исследования П. и М. Кюри, испусканием трех видов излучений, названных ими  -,  -,  - лучами. Сейчас мы знаем, что  - лучи это поток так называемых  - частиц, представляющих собой ядра атома гелия - очень устойчивые образования из двух протонов и двух нейтронов (дважды магическое ядро).

В тяжелых ядрах  - частицы (образованные из четырех нуклонов) находятся в потенциальной яме, где их энергия квантуется. Б

удучи в ядерном отношении самонасыщенными,  - частицы испытывают ослабленное ядерное притяжение к другим нуклонам и повышенное кулоновское отталкивание от ядра.

Из опытов известно, что  - частицы вылетают из тяжелых ядер (с Z > 82) с энергиями, меньшими глубины потенциальной ямы. Поэтому вылет  - частиц объясняют туннелированием, "просачиванием" их через потенциальный барьер. Энергия  - частиц в потенциальной яме квантуется:Е_  6 МэВ.

При  - распаде из ядра вылетают  - частицы, под которыми понимают электроны и позитроны. Позитроны, представляя собой античастицы по отношению к электронам, являются неустойчивыми, и в опыте при  - распаде наблюдается лишь поток электронов. Откуда же берутся  - частицы, выбрасываемые ядром, состоящим из протонов и нуклонов? Принцип неопределенности хр_х  запрещает электронам находиться в ядре. При х  10^-15 м, _х  с, чего быть не может.

 - распад есть следствие взаимопревращения нуклонов в ядре, протекающего по следующей схеме:

и , где символами  и обозначены элементарные частицы, названные нейтрино и антинейтрино, соответственно. К представлению об этих частицах пришел Паули, пытавшийся объяснить непрерывный характер энергии  - частиц, испускаемых радиоактивными ядрами. Уменьшение энергии вылетающих электронов в сравнении с Е_макс (- энергией, теряемой ядром) - кажущееся нарушение закона сохранения энергии, было объяснено Паули тем, что часть энергии уносится некоторой дополнительной незаряженной частицей, названной им на итальянский манер - нейтрино (нейтрончиком). Электрону же остается неопределенная энергия, точнее, определенная лишь сверху – значением Е_макс. Таким образом, в отличие от  - частиц, энергетический спектр  - частиц является сплошным.



- лучи, представляющие собой жесткое (с очень высокой частотой) электромагнитное излучение, обычно сопровождают все типы радиоактивного распада ядер. Ядро в целом, как и атом, его электронная оболочка, может находиться в различных квантовых состояниях с дискретными (квантованными) значениями энергии. Разнос этих уровней в тысячи раз превышает значения, характерные для атомов, составляя тысячи и десятки тысяч электроновольт. При распаде так называемого материнского ядра, получающееся дочернее ядро оказывается в разных возбужденных состояниях, из которых оно может перейти в основное состояние путем испускания  - квантов.

- излучение - основная форма уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Дискретный линейчатый спектр  - излучения является подтверждением дискретного характера энергетических уровней ядра, как квантовой системы.

Почему у альфа- и бета - частиц и гамма - квантов, испускаемых ядром, оказывается очень высокая энергия, а её спектр у альфа - частиц и гамма - квантов - дискретный, а у бета - частиц - сплошной?

 - и  - частицы, а также  - кванты, испускаемые ядрами, имеют высокую энергию, в тысячи раз большую, чем энергия света или электронов, испускаемых атомами. Это связано с тем что  - и  - частицы, а также  - кванты уносят энергию гораздо более интенсивного внутриядерного сильного взаимодействия, в сравнении с энергией внутриатомного электрического взаимодействия, уносимого из атомов электронами или оптическим излучением.

Ядро, как и атом, является квантовой системой, ибо характер внутреннего движения составляющих их частиц является пространственно локализованным (ограниченным). Соответственно энергетический спектр ядра и атома квантуется, является дискретным. Поэтому, выбрасывая  - или  - частицу, или испуская фотон, ядро может передать им лишь определенную, дискретную энергию, равную разности энергетических уровней, между которыми осуществляется квантовый переход ядра. При этом, однако, у  - частиц энергетический спектр оказывается не дискретным, а сплошным. Такое несоответствие квантовым представлениям объясняется тем, что  - частица (электрон или позитрон) всегда вылетает из ядра в паре с другой частицей (антинейтрино или нейтрино). И дискретную энергию Е_я, отдаваемую ядром, они делят между собой в случайном соотношении, так, что на долю  - частицы может приходиться разное значение энергии, ограничиваемое лишь сверху значением Е_я.