38. Гамма-излучение ядер. Внутренняя конверсия. Спонтанное деление тя-желых ядер. Протонная радиоактивность.

Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи, γ-лучи) — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны — < 5·10⁻³ нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.

Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 10⁵ эВ , хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению. С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.

Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомны ядер, при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона , распаде нейтрального пиона и т. д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.

Внутренняя конверсия − явление, при котором энергия γ-перехода ћω из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией в результате электромагнитного взаимодействия передаётся одному из электронов атомной оболочки, который при этом вылетает из атома (конверсионный электрон). Кинетическая энергия конверсионного электрона Т определяется энергией γ-перехода ћω и энергией связи электрона в атоме E_ce

T = ћω - E_ce.

Электроны внутренней конверсии могут вылетать из различных оболочек атома: K, L, M и т.д. Чаще всего конверсионные электроны вылетают из ближайшей к ядру K-оболочки. В отличие от β-распада конверсионные электроны имеют дискретный спектр энергии. Коэффициент внутренней конверсии K определяет отношение вероятности внутренней конверсии к вероятности γ-перехода с испусканием γ‑кванта. Коэффициент внутренней конверсии растёт с уменьшением энергии перехода ћω и с увеличением заряда ядра (~Z³). Величина коэффициента внутренней конверсии может меняться в широких пределах от 10^-3 до 10²-10³.

Спонтанное деление тяжелых ядер. В 1940 г. советскими физи­ками Н.Г. Флеровым и К.А. Петржаком был обнаружен процесс самопро­извольного деления ядер урана на две примерно равные части. Впоследствии это явление было наблюдено и для многих других тяже­лых ядер. По своим характерным чертам спонтанное деление близко к вынужденному делению, которое рассматривается в следующем параграфе.

Протонная радиоактивность. Как следует из названия, при про­тонной радиоактивности ядро претерпевает превращение, испуская один или два протона (в последнем случае говорят о двупротонной радиоактивности). Этот вид радиоактивности наблюдался впервые в 1963 г. группой советских физиков, руководимой Г.Н. Флеровым.

39. Активность радиоактивного вещества. Единицы измерения активности. Радиоактивные семейства.

Активность радиоактивного вещества. Активностью радиоактив­ного препарата называется число распадов, происходящих в препара­те за единицу времени. Если за время dt распадается dN_расп ядер, то активность равна dN_расп/dt. Согласно 164

dN_расп = |dN| = λNdt.

Отсюда следует, что активность радиоактивного препарата равна λN, т.е. произведению постоянной распада на количество имеющихся в препарате нераспавшихся ядер.

В международной системе единиц (СИ) единицей активности явля­ется расп/с. Допускается применение внесистемных единиц расп/мин и кюри (Ки). Единица активности, называемая кюри, определяется как активность такого препарата, в котором происходит 3,700·10¹⁰ ак­тов распада в секунду. Применяются дробные единицы (милликюри, микрокюри и т.д.), а также кратные единицы (килокюри, мегакюри).

Радиоактивные ряды

радиоактивные семейства, группы генетически связанных радиоактивных изотопов, в которых каждый последующий изотоп возникает в результате α- или β-распада предыдущего. Каждый Р. р. имеет родоначальника — изотоп с наибольшим периодом полураспада T_1/2 .Завершают Р. р. стабильные изотопы.

Если ядро испускает α-частицу, его заряд (Z) уменьшается на 2, а массовое число (А) — на 4. При испускании β-частицы Zувеличивается на 1, а А не изменяется. Следовательно, в каждом Р. р. массовые числа изотопов могут или быть одинаковыми, или различаться на число, кратное 4. Если значения массовых чисел членов данного Р. р. делятся на 4 без остатка, то такие массовые числа можно выразить общей формулой 4n (где n — некоторое целое число): в тех же случаях, когда при делении на 4 в остатке будет 1, 2 или 3, общие формулы для массовых чисел можно записать как 4n + 1, 4n + 2 или 4n + 3. В соответствии с этими формулами различают 4 Р. р., родоначальниками которых являются ₉₀²³²Th (ряд 4n); n + 1); ₉₂²³⁸U(4n + 2); ₉₂²³⁵U(4n + 3). Сами Р. р. обычно называют по их родоначальникам. Поэтому говорят о Р. р. тория, нептуния, урана (²³⁸U) и актино-урана (²³⁵U). Иногда ряд ²³⁸U называют рядом урана-радия (наиболее устойчивый изотоп радия ²²⁶Ra — член этого Р. р.). Разумеется, радиоактивный изотоп может входить только в один какой-либо определённый Р. р.

В природе существуют ряды тория, актиноурана и урана-радия (естественные Р. р.). Это связано с тем, что периоды полураспада ²³²Th (T_1/2 = 1,41․10¹⁰ лет), ²³⁵U (T_1/2 = 7,13․10⁸ лет) и ²³⁸U (T_1/2 = 4,51․10⁹ лет) соизмеримы с возрастом Земли (несколько миллиардов лет), и эти изотопы ещё не успели полностью распасться. Заканчиваются естественные Р. р. изотопами свинца ²⁰⁸Pb, ²⁰⁷Pb и ²⁰⁶Pb.