Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

39.(0). Гамма-излучение ядер. Внутренняя конверсия электронов. Ядерная изомерия. Эффект Мессбауэра.

Гамма-излучение ядер.

Гамма-излучение возникает при переходе атомных

ядер из возбужденного состояния в основное; при

этом число протонов и нейтронов в ядре не меня- ется. Т.к. энергетические уровни ядра дискретны,

то и спектр гамма-излучения всегда дискретный.

Обычно энергия гамма-квантов лежит в пределах от 10 кэВ до 5 МэВ (соответственно длина волны от 10-10 до 2·10-13 м). Переход ядра из возбужденно- го состояния в основное может быть однократным

(когда ядро после испускания одного кванта сразу

переходит в нормальное состояние) или каскад- ным, когда переход осуществляется в результате

последовательного испускания нескольких гамма-

квантов.

Возбужденные ядра образуются при бета-распаде в

тех случаях, когда распад материнского ядра в ос-

новное состояние дочернего ядра оказывается за- прещенным. В этих случаях дочерние ядра обра-

зуются в возбужденных состояниях, а затем, излу-

чая гамма-кванты, переходят на основной уро- вень.

Возбужденные ядра могут возникать также в резуль- тате предшествующего альфа-распада. Но гамма-

кванты, испускаемые в этих случаях, обычно име-

ют небольшую энергию (не более 0.5 МэВ). Объяс- няется это тем, что энергия альфа-частицы долж-

на быть достаточной не только для преодоления

потенциального барьера, но и для сильного воз- буждения дочернего ядра.

Пример образования ядра в возбужденном состоянии, в результате которого возникает гамма- излучение: бета-распад ядра натрия-24. Гамма-кванты излучаются ядрами магния-24

Пример образования ядра в возбужденном состоянии, в результате которого возникает гамма- излучение: бета-распад ядра кобальта-60. Гамма-кванты излучаются ядрами никеля-60

Внутренняя конверсия электронов.

Возбужденное ядро может перейти в основное сос-

тояние не только путем испускания гамма-кванта,

но и путем прямой передачи энергии возбуждения одному из электронов атомных оболочек (K-, L-, M-

электрону и т.д.). Этот процесс, конкурирующий с

гамма-излучением, наз. внутренней конверсией электронов, а сами электроны - электронами внут- ренней конверсии. Энергия Ee такого электрона ра- вна Ee = E - I,

где E - энергия перехода ядра из возбужденного сос-

тояния в основное, - энергия связи электрона в электронной оболочке атома (потенциал иониза- ции). Конверсионные электроны моноэнергетичны, и это отличает их от электронов бета-распада.

Явление внутренней конверсии при бета-

распаде 203Hg80 → 203Tl81

Ядерная изомерия.

Среднее время жизни ядер в возбужденном состоя-

нии от 10-7 до 10-11 с. Но при сочетании высокой

степени запрета с малыми расстояниями между энергетическими уровнями могут возникать долго-

живущие (метастабильные) гамма-активные ядра с

макроскопическими временами жизни (минуты, часы, дни и даже годы). Такие возбужденные ме- тастабильные ядра называются изомерами. Такие ядра проявляют свойства, присущие как бы друго-

му ядру с теми же числами A и Z. У них другая мас-

са (из-за другой энергии связи), они могут прояв- лять радиоактивность с другими характеристиками

по сравнению с основным состоянием того же яд-

ра.

Ядро-изомер индий-115

Явление изомерии открыл в 1921 году немецкий фи- зик Отто Ган. Он обнаружил, что при бета-распаде

ядра 234Th90 получаются два вида радиоактивных

ядер изотопа протактиния 234Pa91, которые имеют

различные периоды полураспада (6.4 часа и 1.22

мин).

Аналогичное явление открыл в 1935 году И.В.Курча-

тов у ядер радиоактивного изотопа 80Br35, который образуется в результате облучения нейтронами

ядер стабильного изотопа 79Br35. Возбужденное ядро 80Br35 может распадаться двумя способами (I и II).

При распаде 1-м способом ядро за 10-13 с пе-

реходит в основное состояние, а затем происходит

бета-распад с T1/2 = 18 мин. При распаде 2-м спо-

собом быстро переходит в метастабильное, а за-

тем медленно (с T1/2 = 4.4 часа) в основное, с по-

следующим бета-распадом с тем же T1/2 = 18 мин.