Пустынский Л.Н. Конспект лекций по Ядерной физике

предложили эксперимент по обнаружению несохранения четности при -распаде, который был поставлен в 1957 г. Ву. Принципиальные черты этого эксперимента следующие (рис. 3.5.7). -Активный образец 60Со, ядра которого имеют большой спин и магнитный момент (I = 5, = 3,78 Б), помещался в магнитное поле кругового тока и охлаждался до очень низких (~ 10-2 К) температур. Это было необходимо для ориентирования магнитных моментов и, следовательно, спинов ядер 60Со в определенном направлении (поляризации) и уменьшения влияния тепловых колебаний ядер. У поляризованного таким образом образца 60Со регистрировались -частицы, летящие под углом и - по отношению к направлению поляризующего магнитного поля, то есть по отношению к направлению спина ядра. При выполнении закона сохранения четности для квадрата модуля волновой функции выполняется условие

(x, y, z) 2 = (−x,−y,−z) 2 , (3.5.15)

или в сферических координатах

т.е. инверсия системы координат не может изменить вероятность обнаружения частицы. От азимутального угла в опыте ничего не зависит. Следовательно, если четность сохраняется, то вероятность зарегистрировать -частицу под углом («вперед») и - («назад»)

одинакова. Опыт же показал существенное различие счета частиц под этими углами. «Вперед» (в направлении вектора Н напряженно-

сти магнитного поля) двигалось существенно (~ на 40 %) меньше - частиц, чем «назад». Таким образом, закон сохранения четности, который казался столь же фундаментальным и нерушимым, как и остальные законы сохранения, в случае слабых взаимодействий оказался нарушенным. Это привело к пересмотру и уточнению теория слабых взаимодействий.

122

Покажем это. Законы сохранения энергии и импульса для ядра свободного атома, который не связан с молекулой или кристаллом:

где Е – энергия перехода (3.6.1); Тяд и Ряд – кинетическая энергия и импульс ядра отдачи соответственно; Рγ – импульс γ-кванта. Из уравнений (3.6.2) получаем

Таким образом, Тяд = (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 (1.7.1) обычно много меньше расстояния между уровнями.

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

ства такого -излучения при взаимодействии с атомами (Ra ≈ 10-8 см), а тем более с макроскопическими телами, проявляются слабо. На первый план выдвигаются корпускулярные свойства. Однако при взаимодействии с ядрами, наоборот, проявляется в основном волно-

Rя только при Еγ > 100 МэВ.

Образование γ-квантов обусловлено взаимодействием отдельных нуклонов ядра с электромагнитным полем, создаваемым движением всех нуклонов ядра. Поэтому γ-излучение, в отличие от β-распада,

124

явление внутриядерное, а не внутринуклонное. Испускание или поглощение -квантов свободными нуклонами запрещено совместным действием законов сохранения энергии и импульса.

Собственный механический момент -кванта равен единице. Это обусловлено тем, что электромагнитные колебания происходят в плоскости, перпендикулярной вектору перемещения волны (поперечные колебания) и поэтому не может быть сферической симметрии, которая в квантовой механике характеризуется нулевым механическим моментом (см. формулу 1.6.9 в §1.6 п.4). В этой связи - кванты, испускаемые ядрами, должны уносить из ядра момент импульса не меньше единицы. Для фотона вообще, имеющего нулевую массу покоя, в отличие от других микрочастиц, не существует понятия орбитального момента, и у фотона нет s-, p-, d- и других состояний с определенными значениями орбитального момента l. Фотон может обладать только полным моментом L = 1, 2, 3…Состояние свободно распространяющегося электромагнитного поля с определенным полным моментом и четностью называется мультиполем. Излучение, уносящее момент L = 1, называется дипольным, L = 2 – квадрупольным L = 3 - октупольным и т.д. Для обозначения радиационных переходов определенной мультипольности используются следующие обозначения. Радиационные переходы, вызванные перераспределением электрических зарядов в ядре, называют электрическими и обозначают буквой E (E1 - дипольные (L = 1), Е2 - квадрупольные (L = 2), и т.д.), переходы, вызванные перераспределением магнитных моментов нуклонов называют магнитными переходами (дипольные - M1, квадрупольные - М2 и т.д.).

В соответствии с законом сохранения спина (см. §4.4) существует следующие соотношение между спином Iн начального и спином Iк конечного ядра и моментом L, уносимым -квантом:

Это соотношение называется правилом отбора по спину. Согласно этому соотношению дипольные γ-кванты (L = 1) могут быть испущены при переходах между состояниями с I = 0, ±1, кроме (0-0)- переходов; квадрупольные γ-кванты (L = 2) – при переходах с I = 0, ±1, ±2, кроме (0-0)-, (0-1)- и (1-0)-переходов; октупольные γ-кванты

(L = 2) – при переходах с I = 0, ±1, ±2, кроме (0-0)-, (0-2)- и(2-0)- и

т.д.

Еще одно правило отбора по четности связано с выполнением закона сохранения четности (см. §4.4). Разрешенное изменение четности Р ядра, испускающего электрический γ-квант, описывается

где Рн и Рк – четности начального и конечного состояний ядра. Совокупность соотношений (3.6.5) - (3.6.7) обычно называют правилами отбора для γ-излучения.

Теория электромагнитного излучения дает следующие зависимости вероятности λ (постоянная распада) испускания -кванта в единицу времени от мультипольности L перехода и приведенной длины волны (а, следовательно, и энергии -кванта; см. (3.6.4)):

для электрических EL переходов

где R – радиус ядра. Так как обычно R , то из (3.6.8) и (3.6.9) следует, что уменьшение вероятности излучения от энергии тем сильней, чем выше мультипольность перехода, т.е. переходы высо-

126

На рис. 5.6.1 показан смешанный распад метастабильного уровня ядра 85Kr. Из-за большой разности спинов изомеров только в 19 % происходит γ-переход и образование изомера с низшей энергией, а в

81% β--распад с образованием ядра 85Rb в возбужденном состоянии. Обращает внимание большое различие в периодах полураспада для основного и возбужденного состояний.

Как правило, изомерное состояние относится к первому возбуж-

МэВ 85mKr

4,5 ч 1/2- 0,305

Рис. 3.6.1

денному уровню ядра. Обычно изомеры имеют число протонов или нейтронов в составе ядра от 30 до 49, от 69 до 81 и от 111до 125 (только для нейтронов), т.е. при числах протонов и нейтронов, предшествующих магическим числам 50, 82, 126. Такое распределение изомеров находится в хорошем согласии с моделью оболочек (§2.3). В этих областях значений N или Z оболочечные уровни, близкие друг к другу по энергии, сильно различаются значениями спинов, так как принадлежат состояниям с разными значениями

которого не хватает одного протона до Z = 50 (т.е. имеет «дырку» – см. §2.3), в основном состоянии имеет характеристику 9/2+, а первый

128

роятности we испускания конверсионного электрона к вероятности wγ испускания γ-кванта:

(3.6.11)

Коэффициент внутренней конверсии уменьшается с ростом энергии перехода, растет с увеличением атомного номера Z и мультипольности -излучения. В случае (0-0)-переходов, как отмечалось выше, радиационный переход запрещен абсолютно и не имеет места, а процесс внутренней конверсии является единственным процессом снятия возбуждения ядра.

С -излучением ядер связано интересное явление, носящее название эффекта Мессбауэра (Мессбауэр, 1958 г.). Эффектом Мессбауэра называется резонансное поглощение -квантов ядрами без передачи им энергии отдачи. Этот эффект является ядерным аналогом резонансной флуоресценции в атомной физике.

Испущенный ядром γ-квант уносит не всю энергию Евозб возбуждения ядра, так как часть этой энергии Тяд передается ядру, испустившего γ-квант, в виде кинетической энергии отдачи:

Для возбуждения ядра до энергии Евозб нужно поглотить -квант с энергией

величину 2Тяд , как показано на рис. 3.6.2.

Условие резонансного поглощения может быть записано следу-

130