11.9. Электронный распад.

Позитронный  ⁺распад. Кзахват

Бетаминусраспад  самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядроизобару . Например, при^распаде нейтрон превращается в протон с испусканием антинейтрино (электронное):

. (11.27)

Другим примером электронного ^распада является распад трития:

. (11.28)

Бетаплюс распад  самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядроизобар и сопровождается, например, превращением протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (электронное):

. (11.29)

Другим примером ⁺распада является распад радиоактивного ядра изотпа углерода :

. (11.30)

Бэтараспад не внутриядерный, а внутринуклонный процесс. Спектр излучения  сплошной. распад совершается за счет слабого взаимодействия. Энергия, выделяющаяся в процессе распада, лежит в пределах от 0,019 МэВ до 16,6 МэВ. Период полураспада ядер при распаде меняется от 10^2 с до 410¹² лет.

Рис. 11.9

Прямым доказательством не сохранения четности у ядер при распаде является то, что электрон вылетает из ядер преимущественно в направлении, противоположном направлению спина ядра (рис. 11.9). Это обусловлено не симметрией нейтрино относительно зеркального отражения, так как спин и импульс антинейтрино параллельны. Средняя длина свободного пробега нейтрино с энергией 1 МэВ в воде составляет 10²³ м, что намного превышает размеры звезд (10¹⁵ м). Нейтрино и антинейтрино не участвуют в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Нейтрино не имеет электрического заряда и массы. Предполагается, что нейтрино имеет массу 14 < m_ < 46 эВ, тогда роль нейтрино во Вселенной окажется значительной.

Существует проблема скрытой массы галактик (корона галактик), существование которой связывают с нейтрино.

Масса короны превосходит массу видимого вещества галактик. Кзахват (электронный захват)  процесс, в котором ядро поглощает один из электронов электронной оболочки атома.

Обычно электрон захватывается из Кслоя, Lслоя и т. д.

Электронный захват всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Примером Кзахвата может служить распад изотопа бериллия

. (11.31)

11.10. Гамма-излучение. Эффект Мессбауэра

Гаммалучами называют электромагнитное излучение, возникающее при переходе атомных ядер из возбужденного состояния в более низкие энергетические состояния.

В этом процессе число протонов и нейтронов в ядре не изменяется. Спектр излучения  дискретный, что связано с квантование энергетических уровней в ядре. Энергия   квантов, испускаемых атомными ядрами, изменяется от 10 кэВ до 5 МэВ.

Длина волны квантов 10^11    10^13 м.

Процесс излучения кванта нуклоном в ядре сопровождается обменом импульсом последнего не только с рассматриваемым нуклоном, но и с остальными нуклонами ядра. Следовательно, испусканиеквантовпроцесс внутриядерный, а не внутринуклонный.

Возможны и каскадные испускания возбужденным ядром нескольких квантов.

Возбужденные ядра, способные к излучению, могут возникать также в результате предшествующихираспадов.

Однако возбужденное ядро может перейти в основное состояние не только путем испускания -квантов, но и путем непосредственной передачи энергии возбуждения одному из электронов атомных оболочек.

Такой процесс называют внутренней конверсией.

Электроны внутренней конверсии моноэнергетичны, что и позволяет отличить их от электронов, испускаемых при ^ распаде ядер, спектр излучения которых непрерывен.

Внутренняя конверсия сопровождается рентгеновским излучением, которое возникает в результате переходов электрона с вышележащих атомных слоев и оболочек на место, освобожденное электроном внутренней конверсии.

Вероятность испускания возбужденным ядром кванта в сильной степени зависит от направления спинов начального и конечного состояний ядра.

Гамма-излучение нашло применение в эффекте Мессбауэра.

Например, гамма-излучение возникает при переходе изотопа железа из возбужденного состояния (период полураспада Т_1/2 = 10^7 с) в основное – не возбужденное

При этом ядро теряет энергию W₀ = 14,4 кэВ.

Гаммаквант уносит с собой энергию _ = W₀  W, где

энергия отдачи, поглощаемая ядром.

Резонансное поглощение может быть осуществлено гаммаквантами с энергией

–квант имеет узкую ширину линий испускания и поглощения (  W). Чтобы устранить эффект отдачи поглощаемым ядром, в 1958 г. Мессбауэр предложил использовать радиоактивный распад ядер, введенных в кристалл.

Эффект Мессбауэра заключается в резонансном излучении (поглощении)   излучения без отдачи энергии ядром.

В этом случае при низких температурах (ниже дебаевских) отдачу будет испытывать весь кристалл в целом, а так как масса кристалла много больше массы отдельного ядра, то процессы испускания и поглощения будут происходить практически без потерь энергии на отдачу.

Первоначальные опыты Мессбауэра, выполненные на изотопе иридия при температуре Т = 88 К, давали относительно большое отношение ширины спектральной линии Г и энергии переходаW₀ ( 410^11). Принципиальная схема опыта для наблюдения эффекта Мессбауэра приведена на рис. 11.10.

Источник резонансного излучения медленно вращается по окружности относительно поглотителя П. За поглотителем П расположен счетчикизлучения С.

В опыте измеряется зависимость скорости счета от скорости движения источника в моменты приближения и удаления его от поглотителя.

При быстром движении источника линия испускания сдвигается относительно линии поглощения и резонанс не наблюдается.

При уменьшении скорости движения источника обе эти линии сближаются, а при их совпадении появляется острый максимум поглощения (рис. 11.11).

Это проявляется в резком уменьшении скорости счета.

Значительно лучшие результаты удалось получить при использовании возбужденного изотопа железа ( 10^13) при Т = 297 К.

Точность результатов опыта можно повысить до 10^16, если использовать возбужденный изотоп цинка . Высокая точность при измерении частоты в эффекте Мессбауэра позволила исследовать сверхтонкую структуру гамма – излучения ряда ядер.

Измерены величины внутренних магнитных полей в кристаллах, значения квадрупольной связи, магнитные моменты ядер в возбужденном состоянии и т. д.

Эффект Мессбауэра был использован для проверки смещения спектральных линий в гравитационном поле в соответствии с общей теорией относительности (гравитационное красное смещение).