1.6 Закономерности α-распада.

Альфа-распадом (α-распадом) называется процесс спонтанного изменения ядра, в результате которого возникает свободная α-частица (ядро нуклида ). Символическая запись α-распада имеет вид:

(1.6.1)

α-Распад характерен для тяжелых нуклидов, у ядер которых с ростом массового числа А наблюдается уменьшение удельной энергии связи. В этой области уменьшение числа нуклонов в ядре ведет к увеличению удельной энергии связи. Но при уменьшении А на единицу увеличение энергии связи оказывается существенно меньше энергии связи нуклона в ядре и испускание протона или нейтрона невозможно. Однако, испускание α-частицы (ядра ⁴Не) оказывается энергетически выгодным, так как удельная энергия связи нуклона в ядре ⁴Не около 7,1 МэВ и сравнима с удельной энергией связи нуклонов для тяжелых ядер. Поэтому α-распад наблюдается у ядер, тяжелее свинца. Небольшое количество α-активных ядер средней массы имеется среди лантаноидов. Объясняется это тем, что количество нейтронов в этих ядрах несколько превышает 82 – магическое число при заполнении нейтронной оболочки. Примером таких ядер являются  и , у которых количество нейтронов равно 84.

Энергетическая возможность α-распада обеспечивается, если масса исходного ядра больше суммы масс ядер продуктов распада, то есть

(1.6.2)

или, если использовать массы нейтральных атомов, как это обычно делается в ядерной физике,

. (1.6.3)

Уменьшение массы при распаде, выраженное в энергетических единицах, дает энергию, выделяющуюся при α-распаде:

.

Таким образом, α-распад становится возможным, если:

или ,

где – энергия связи α-частицы относительно материнского ядра. Однако это условие не является достаточным условием для α-распада.

1.7 β^- - распад. Нейтрино.

Явление β^- - распада подчиняется правилу смещения:

(1.7.1)

и связано с выбросом электрона. Пришлось проделать целый ряд трудностей с трактовкой β^- - распада.

Во-первых, необходимо было обосновать происхождение электронов, выбрасываемых в процессе β^- - распада. Протонно – нейтронное строение ядра исключает возможность вылета электрона из ядра, поскольку в ядре электронов нет. Предположение же, что электроны вылетают не из ядра, а из электронной оболочки, несостоятельно, поскольку тогда должно было бы наблюдаться оптическое или рентгеновское излучение, что не подтверждают эксперименты.

Во-вторых, необходимо было объяснить непрерывность энергетического спектра испускаемых электронов. Каким же образом β^- - активные ядра, обладающие до и после распада вполне определенными энергиями, могут выбрасывать электроны, со значениями энергии от нуля до некоторого максимального Е_max? Т. е. энергетический спектр испускаемых электронов является непрерывным? Гипотеза о том, что при β^- - распаде электроны покидают ядро со строго определенными энергиями, но в результате каких-то вторичных взаимодействий теряют ту или иную долю своей энергии, так что их первоначальный дискретный спектр превращается в непрерывный, была опровергнута прямыми калориметрическими опытами. Так как максимальная энергия Е_max определяется разностью масс материнского и дочернего ядер, то распады, при которых энергия электрона Е< Е_max, как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположение, что закон сохранения энергии носит статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить это затруднение.

В-третьих, необходимо было разобраться с несохранением спина при β^- - распаде. При β^- - распаде число нуклонов в ядре не изменяется, поэтому не должен изменятся и спин ядра, который равен целому числу при четном А и полуцелому при нечетном А. Однако выброс электрона, имеющего спин , должен изменить спин ядра на величину .

Последние два затруднения привели В. Паули к гипотезе (1931) о том, что при β^- - распаде вместе с электроном испускается еще одна нейтральная частица – нейтрино. Нейтрино имеет нулевой заряд, спин ½ и нулевую массу покоя, обозначается . Впоследствии оказалось, что при β^- - распаде испускается не нейтрино, а антинейтрино.

Наконец рассмотрим вопрос о происхождении электронов при β^- - распаде. Поскольку электрон не вылетает из ядра и не вырывается из оболочки атома, было сделано предположение, что β^- - электрон рождается в результате процессов, происходящих внутри ядра. 1.8 Гамма-излучение и его свойства.

Гамма излучение (γ‑излучение) - испускание кванта электромагнитного излучения при спонтанном переходе ядра с более высокого энергетического уровня на любой нижележащий. Очевидно, что в этом случае А и Z ядра не изменяются. В отличие от рентгеновских и квантов видимого света, испускаемых при переходах атомных электронов, фотоны, испускаемые ядрами, называются γ -квантами, хотя для обозначения квантов любого происхождения сохраняется обобщающее название фотон. Излучение γ -кванта является основным процессом освобождения ядра от избыточной энергии, при условии, что эта энергия не превосходит энергию связи нуклона в ядре. Таким образом, по своей физической природе γ -квант - это порция энергии E_g =  электромагнитного поля. Переходы, при которых испускаются γ -кванты, называются радиационными. Радиационный переход может быть однократным когда ядро сразу переходит в основное энергетическое состояние, или каскадным, когда происходит испускание нескольких γ- квантов в результате ряда последовательных радиационных переходов. Энергия γ -кванта определяется разностью энергий уровней, между которыми происходит переход:

(1.8.1)

В соответствии с законами сохранения энергии и импульса:

где Т_яд и Р_яд – кинетическая энергия и импульс ядра отдачи соответственно, Р_γ – импульс γ-кванта. Из уравнений получаем

(1.8.2)

Таким образом, Т_яд = (10^-6 ÷ 10^-5)Е, т.е. γ-квант уносит подавляющую часть энергии возбуждения ядра. Из проведенного рассуждения очевидно также, что энергетический спектр γ-квантов дискретен, так как энергетическая ширина Г уровня обычно много меньше расстояния между уровнями.

γ -Квант – это не только частица, но и волна. Приведенная длина волны ( = λ/2π) γ -кванта связана с его энергией соотношением

или   (1.8.3)

то есть при E_g = 1 МэВ, » 10^-10см. Поэтому волновые свойства такого γ -излучения при взаимодействии с атомами, а тем более с макроскопическими телами, проявляются слабо. На первый план выдвигаются корпускулярные свойства. Однако при взаимодействии с ядрами, наоборот, проявляется в основном волновая природа излучения.