27.1. Правила смещения

27.2. Различные виды распадов

27.3. Эффект Мессбауера.

Явление α распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают α частицы. Альфа-лучи представляют собой поток ядер гелия . При этом массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер - на две. Распад протекает по следующей схеме:

(27.1)

Буквой X обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y - химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа-распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром γ лучей. Примером может служить распад изотопа урана ²³⁸U, протекающий с образованием тория:

+ .

Основными характеристиками α распада, как и всякого радиоактивного процесса, является область ядер, у которых наблюдается распад, а также периоды полураспада ядер и энергия вылетающих α частиц.

Скорости, с которыми α-частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики (~10⁹ см/с; кинетическая энергия порядка нескольких МэВ). Пролетая через вещество, α-частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавли­вается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эВ. Теория α-распада, основывающаяся на пред­ставлении о туннельном эффекте, приводит к результатам, хо­рошо согласующимся с данными опыта.

Бета-распад. Существуют три разновидности β-распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом - позитрон, в третьем случае, называемом электронным захватом (е-захватом), ядро поглощает один из электронов К-оболочки, значительно реже L- или М-оболочки (соответственно вместо е-захвата говорят о К-захвате, L-захвате или М-захвате).

Первый вид распада ( -распад или электронный распад) протекает по схеме:

27.2)

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в про­цессе β-распада, мы приписали β-электрону зарядовое число Z =-1 и массовое число А = 0.

Из схемы (3.2) видно, что дочернее ядро имеет атомный но­мер на единицу больше, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино . Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон, претерпев превращение по схеме (1.1). Вообще процесс (1.1) представляет собой частный случай процесса (3.2). Поэтому говорят, что свободный нейтрон β-радиоактивен.

Бета-распад может сопровождаться испусканием γ-лучей. Механизм их возникновения тот же, что и в случае α-распада- дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в воз­бужденных состояниях.

Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает γ-фотон.. Примером распада может служить

превращение тория ^234Th в протактиний ²³⁴Ра с испусканием электрона и антинейтрино: .

Рис. 27.1

β-электроны обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до . На рис. 5 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β-распаде. Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени, dN - число электронов, энергия которых заключена в интервале dE. Энергия соответствует разности между массой материнского ядра и массами электрона и дочернего ядра. Следовательно, распады, при кото­рых энергия электрона Е меньше , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Чтобы объяснить исчезновение энергии - Е, В.Паули высказал в 1932 г. предположение, что при β-распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая уносит с собой энергию - Е. Так как эта частица никак себя не обнаруживает, следовало признать, что она нейтральна и обла­дает весьма малой массой (в настоящее время установлено, что масса покоя этой частицы близка к нулю). По предложению Э.Ферми эту гипотетическую частицу назвали нейтрино (что означает «маленький нейтрон»).

Имеется еще одно основание для предположения о нейтрино (или антинейтрино). Спин нейтрона, протона и электрона оди­наков и равен 1/2. Если написать схему (27.2) без антинейтрино, то суммарный спин возникающих частиц (который для двух частиц с s = 1/2 может быть либо нулем, либо единицей) будет отличаться от спина исходной частицы. Таким образом, участие в β-распаде еще одной частицы диктуется законом сохранения момента импульса, причем этой частице необходимо приписать спин, равный 1/2 (или 3/2). Установлено, что спин нейтрино (и антинейтрино) равен 1/2.

Второй вид распада ( -распад или позитронный распад) протекает по схеме:

(27.3)

Из схемы (27.3) видно, что атомный номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона (в формуле (27.3) он обозначен сим­волом ) и нейтрино ν, возможно также возникновение γ-лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде (27.3) представляют собой античастицы по отношению к частицам, испу­скаемым при распаде (27.2).

Процесс - распада протекает так, как если бы один из про­тонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

(27.4)

Третий вид β-распада (электронный захват) заклю­чается в том, что ядро поглощает один из К-электронов (реже один из L- или М-электронов) своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:

.

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает γ-фотоны. Схема процесса выглядит следующим образом:

. (27.5)

Гамма-излучения ядер. Явление γ-излучения ядер состоит в том, что ядро испускает γ-квант без изменения A и Z. Гамма - излучение возникает за счет энергии возбуждения ядра. Спектр γ-излучения всегда дискретен из-за дискретности ядерных уровней.

Простейший и наиболее часто используемый способ получения γ-активных ядер основан на β-распаде на возбужденные уровни конечного ядра. Особенно интенсивное γ-излучение появляется, когда β-распад в высокой степени запрещен в основное состояние конечного ядра и разрешен в одно из возбужденных состояний.

Гамма-излучение ядер обусловлено взаимодействием отдельных нуклонов ядра с электромагнитным полем. Несмотря на это, в отличие от β-распада, γ-излучение - явление не внутринуклонное, а внутриядерное. Изолированный свободный нуклон испустить (или поглотить) γ-квант не может из-за совместного действия законов сохранения энергии и импульса. В то же время внутри ядра нуклон может испустить квант, передав при этом часть импульса другим нуклонам.

Эффект Мессбауэра. В 1958 г. в физике γ-излучения было сделано интересное открытие, получившее по имени автора название эффект Мессбауэра. Этот эффект является ядерным аналогом резонансной флуоресценции и состоит в том, что если одно ядро испускает γ-квант, то другое такое же ядро с большой вероятностью (процесс резонанс­ный) этот квант поглощает. До 1958 г. наблюдение резонансного поглощения γ-квантов ядрами считалось невозможным по следую­щим соображениям: при вылете фотона ядро получает импульс от­дачи p, равный по абсолютной величине импульсу фотона. Соот­ветственно ядро приобретает кинетическую энергию , где M - масса ядра. Поэтому энергия с_p вылетающего фотона не точно равна энергии перехода Е (т. е. разности уровней ядра), а связана с ней соотношением:

, (27.6)

учитывающим, что энергия перехода делится между фотоном и ядром отдачи. Энергия отдачи ∆Е с хорошей точностью определяется формулой:

. ( 27.7)

Резонансное поглощение может иметь место только тогда, когда энергия отдачи меньше ширины линии Г:

∆Е<Г (27.8)

Для обычной оптической резонансной флуоресценции это условие прекрасно соблюдается.

Основная идея Мессбауэра состояла в том, что в квантовой механике эффект кристаллической связи проявляется не так, как в классической механике, а статистическим образом. Влияние кристаллической решетки мало в среднем. В большинстве случаев ядра испытывают полную отдачу, а в небольшом проценте случаев идут переходы без отдачи, в которых импульс фотона принимает на себя не отдельное ядро, а кристалл в целом. При таких переходах без отдачи и происходит резонансное погло­щение.

Эффект Мессбауэра интересен и уникален тем, что с его помощью измерение энергии можно производить с колоссальной относи­тельной точностью (до 15-17 порядков). Такая рекордная точность позволила, например, измерить столь тонкий эффект, как зависи­мость энергии (т.е. частоты) фотона от высоты источника за счет силы тяжести.

ЛЕКЦИЯ 28. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ