Виды радиоактивного распада

1. Распад.

К α-распаду относятся процессы, проходящие по схеме:

К примеру:

α-распад характерен для тяжелых элементов с большим числом нуклоидов, которые в таблице Менделеева идут после свинца. Энергия вылетающих α-частиц для всех ядер, укладывается в интервал от 4 до 9 МэВ.

Энергия вылетающих частиц связана с периодом полу распада , где Е – кинетическая энергия, и - константы, которые одинаковы для всех ядер.

В начале эти формулы были получены экспериментально Гейгером и Неттолом, а затем и теоретически Гаммовым.

Процесс распада обусловлен сильными взаимодействиями. Рассмотрим график потенциальной энергии взаимодействия α-частицы и дочернего ядра Y.

График выглядит так:

На расстоянии потенциальная энергия резко убывает, т.к. включаются ядерные силы притяжения.

МэВ.

Каким же образом α-частица преодолевает такой потенциальный барьер? В рамках классической физики ответа на этот вопрос нет (объяснить невозможно).

В квантовой механике известен туннельный эффект, состоящий в том, что частицы находятся в потенциальной яме с конечной высотой барьера. Тем не менее, имеется вероятность выйти за пределы этой потенциальной ямы, что собственно объясняет α-распад.

2. β-распад.

В отличие от α-распада, β-распад обусловлен слабыми взаимодействиями.

β-распад происходит по схеме:

Пример:

- процесс β-распада.

К β-распаду также относится процесс излучения позитронов.

К-захват: ядро поглощает электрон, находящийся на ближайшем энергетическом уровне.

3. γ-распад.

γ-излучение – это электромагнитные волны с очень маленькой длиной волны, они занимают шкалу электромагнитных волн.

Если рассматривать излучение на уровне оптического диапазона, то связано с переходом е с первого энергетического уровня в атоме на другой.

Ядро, как квантовая частица принимает дискретный набор значений энергии. Для того, чтобы проходили такие явления как α,β-распады – необходимо одновременное выполнение целого ряда законов сохранения, таких как закон сохранения энергии, момента импульса.

Вероятность того, что одновременно все законы будут выполняться очень небольшая.

Возможность излучать гамма-кванты резко увеличивает такую вероятность, т.к. гамма-кванты уносят с собой избыток энергии, импульса, момента импульса.

Так называемый эффект резонансного излучения и поглащения γ-квантов ядрами. Суть этого явления: для атомов имеет место резонансное излучение и поглощение фотонов. Если энергия фотона соответствует разности энергии двух каких-либо энергетических уровней, то атом поглощает такой фотон, переходит в возбужденное состояние, а затем излучает такой же фотон. Если рядом находится другой, но такого же типа атом, то он поглощает этот фотон, а затем излучает другой, но такой же.

Можно было бы предположить, что для ядер и γ-квантов будет иметь место такое же явление, т.е. γ-квант, излучающий одни ядра будет поглощаться, а затем излучаться другим таким же ядром. Экспериментально этот факт не подтвердился.

Пусть у нас есть ядро, импульс которого = 0.

Затем оно излучает γ-квант, и приобретает некоторый импульс. Происходит излучение γ-квантов, согласно закону сохранения импульса: ,

- импульс γ-кванта. .

Можно записать выражение для кинетической энергии ядра:

ЭВ

Рассмотрим спектр значений энергии ядра:

Допустим ядро поглощает γ-квант и переходит с уровня на уровень . На уровне ядро находится порядка секунд. Нам известно, что в квантовой физике выполняется принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому неопределенность значения энергии в течение промежутка времени :

- это та неопределенность системы, которая неизбежна.

Неточность значения уровня = эВ.

Т.о. сравнивая величину и ту энергию, которая достается ядру при излучении γ-кванта, приходим к выводу, что эта энергия в миллион раз превышает допустимо возможные значения отклонения γ-квантов ( поэтому отклонения не происходит ).

Эти выводы были получены немецким физиком Мессбауэром.

Из формулы энергии ядра следует, что энергию, достающуюся ядру при излучении γ-кванта можно уменьшить путем увеличения массы ядра.

Если излучающее γ-квант ядро поместить в узел кристаллической решетки, то энергия отдачи будет приходиться на весь кристаллик, а поэтому перераспределение энергии будет в пользу γ-кванта, что должно в конечном итоге привести к резонансному излучению поглощения γ-квантов.

Эффект Мессбауэра получил достаточно широкое применение в физике. Например: измерение частот колебания атомов в узлах кристаллической решетки.

Лекция№5