Альфа-распад

Природа альфа-частиц впервые была установлена в 1900 году. Зная, что газ радон, дочерний продукт распада радия, при своем распаде испускает альфа-частицы, Резерфорд поместил радон в предварительно откачанную стеклянную трубку. Газ, полученный в результате распада радона, он возбуждал элекгрическим разрядом, и при помощи оптического спектрометра наблюдал характеристический спектр гелия. Это говорило о том, что альфа-частицы являются ядрами атомов гелия. Если буквой P обозначить родительское ядро, буквой D — дочернее ядро, то схема альфа распада будет иметь вид:

Альфа:+ энергия распада. (1.14)

Пример:+4,8МэВ. (1.15)

Естественно, массовое число, А и атомный номер Z, должны быть сбалансированы с обеих сторон равенства. В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственных альфа активных ядер. Энергия альфа-частиц в разных распадах изменяется в широких пределах от 3,5 до 10 МэВ, большинство обычных альфа излучателей выделяют альфа-частицы с энергиями от 4 до 6 МэВ. Наблюдаемые периоды полураспадов изменяются в широком диапазоне от микросекунд до 10¹⁰ лет. При каждом альфа распаде происходит ядерное превращение, т.к. атомный номер дочернего ядра уменьшается на две единицы.

Энергия, выделяемая при альфа-распаде, вычисляется по энергии связи. Дефект массы, т.е. разность масс родительского и дочернего ядра, умноженный на 931.48 МэВ — есть энергия связи, выделенная при альфа-распаде, которая почти вся переходит в кинетическую энергию альфа-частицы. Так как энергия распада величина положительная, то альфа-распад возможен только в случае, если масса родительского ядра больше суммы масс дочернего ядра и ядра атома гелия.

Бета-распад

После тщательных экспериментов Резерфорд пришел к выводу, что отрицательные бета-частицы являются атомными электронами, а положительные бета-частицы представляют собой поток позитронов, т.е. бета-распад представляет собой радиоактивное превращение

атомных ядер, при котором радиоактивным ядром испускается электрон или позитрон. Кроме электрона (позитрона) при бета-распаде испускается электронейтральная частица, которую Энрико Ферми назвал нейтрино (маленький нейтрон) или антинейтрино. По современным представлениям испускание бета-частиц и нейтрино в бета-распаде связано с превращением нуклонов в ядре. Электроны и позитроны возникают в процессе превращения нейтрона в протон или протона в нейтрон.

Если в ядре недостаточно протонов для стабильности состояния, то происходит электронный бета-распад, в котором нейтрон в ядре заменяется протоном:

n → p + β¯ + ,. (1.16)

Обозначим буквой P родительское ядро, буквой D — дочернее ядро, тогда схема электронного β распада будет иметь вид:

+· энергия распада, (1-17)

где — электрон,— антинейтрино.

Пример: +18кэВ,

т.е. массовое число при электронном β⁺-распаде остается постоянным, а заряд ядра увеличивается на единицу.

Если ядро содержит избыток протонов, то его состав изменяется путем превращения протона в нейтрон:

n → p + β⁺ +ν, (1.18)

Схема позитронного β⁺ — распада будет иметь вид:

+ энергия распада. (1-19)

Пример: + 2,4 МэВ ,

т.е. массовое число при позитронием β⁺-распаде остается постоянным, а заряд ядра уменьшается на единицу.

Позитрон часто ошибочно принимают за положительно заряженный электрон. Если бы это было так, то согласно кулоновскому закону эти электроны должны провзаимодействовать, заряды уничтожиться и должны остаться два нейтральных электрона, чего в природе не наблюдается. В действительности позитрон является античастицей электрона. Свойства античастиц являются зеркальным отражением свойств элементарных частиц. Все элементарные частицы имеют свои античастицы. Антипротон был открыт в 1955 году, а антинейтрон в 1956 году. Когда античастица сталкивается с элементарной частицей, то они аннигилируют и их массы полностью преобразуются в электромагнитную энергию, которая

излучается. Так как электрон и позитрон имеют энергию покоя 0,511 МэВ, то после их взаимодействия излучается два гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ.

При альфа-распаде кинетическая энергия, полученная альфа-частицей, обусловлена разницей массы родительского и дочернего ядра. Если при помощи альфа-спектрометра измерить энергию альфа-частиц, то получим энергетический спектр альфа-частиц, изображенный на рис. 1.4.

Энергетические спектры бета-частиц получают при помощи магнитного бета-спектрометра. На рис. 1.4 для сравнения рядом с энергетическим спектром альфа-частиц расположен типичный энергетический спектр бета-частиц. Из энергетического спектра альфа-частиц видно, что все альфа-частицы испускаемые при альфа-распаде имеют кинетическую энергию равную энергии распада и, наоборот, практически почти ни одна бета-частица не имеет кинетической энергии равной энергии распада. В среднем бета-частицы несут около 1 /3 энергии распада. Возник вопрос — куда девается остальная энергия.

Рис. 1.4. Типичные энергетические спектры α- и β-распада

Многочисленные попытки найти потерянную энергию в виде некоторого излучения, исходящего из источника, оказались безрезультатными. Физики чувствовали, что при бета- распаде нарушается закон сохранения энергии, согласно которому энергия не может исчезать или возникать, она может только преобразовываться из одной формы в другую, полная же энергия всегда должна быть постоянной. Кажущееся нарушение закона сохранения энергии в 1934 году разрешил швейцарский физик Вольфганг Паули, который постулировал существование нейтрино — нейтральных частиц с нулевой массой покоя, несущих энергию и момент и. таким образом, обосновал закон сохранения энергии в β-распаде.

Нейтрино практически не взаимодействовало с веществом, являлось "неуловимой" частицей и это объясняло его "невидимость". После сообщения Паули во многих исследовательских центрах мира пытались зарегистрировать нейтрино, однако сделать это удалось лишь через 22 года. Первый удачный эксперимент по регистрации нейтрино был осуществлен Ф. Райнесом и К. Коуэном в Лос-Аламосской лаборатории в 1956 году.

Ранее было показано, что β-распад происходит в том случае, когда в ядре нейтрон заменяется протоном, т.е.:

n → p + β¯ + , (1.20)

При превращении нейтрона в протон, энергия распада ядра распределяется между электроном, антинейтрино и остаточным ядром, вследствие чего энергия электронных антинейтрино изменяется в широких пределах — от нуля до нескольких мегаэлектронвольт. Это и является причиной кажущегося нарушения закона сохранения энергии в β-распаде, а также причиной того, что β-частицы имеют сплошной спектр энергии распада, обычно обозначаемой E_max. B среднем β-частицы получают 1/3 Е_mах, а нейтрино 2/3 E_max.

Первые реакции, вызываемые нейтрино, наблюдались Ф.Райнесом и К.Коуэном с электронными антинейтрино, испускаемыми из активной зоны ядерного реактора при превращении избыточных нейтронов в протоны в осколках деления урана или плутония. Реактор мощностью в сто тысяч киловатт испускал около 5·10¹³ антинейтрино/см²·сек. Если энергия антинейтрино превышает 1,8 МэВ, то в некоторый момент времени одно из многих антинейтрино, проходящих сквозь сцинтиллятор, может быть поглощено протоном и вызовет реакцию, обратную реакции β-распада, протекающую по схеме:

+ P -> n + β⁺, (1.21)

т.е. эта реакция приводит к рождению нейтрона и позитрона.

Задача регистрации нейтронов и позитронов была решена на установке состоящей из трех плоских прямоугольных баков (сцинтилляторов), наполненных жидкостью, светящейся при прохождении через нее γ-квантов. Между сцинтилляторами помещались два бака с водным раствором кадмия. Вокруг баков располагались 150 фотоумножителей, регистрирующих вспышки света в сцинтилляторах при прохождении через них отдельных γ-квантов. Все это сооружение, окруженное защитой, помещалось вблизи атомного реактора с потоком антинейтрино около 10¹⁸ в сек. Реакторные антинейтрино легко проникали через защиту и попадали в баки с водным раствором хлористого кадмия. Если антинейтрино захватывалось протоном, входящим в состав воды, то возникали нейтрон и позитрон. Позитрон почти мгновенно (10^-8 сек.) аннигилировал с электронами ближайших атомов, в результате чего фотоумножители регистрировали вспышки двух γ-квантов с энергией 0,511 МэВ. Нейтрон в водном растворе хлористого кадмия сталкивался с ядром кадмия, которое его поглощало и излучало один γ-квант (с энергией 9 МэВ), вызывавший в сцинтилляторе вспышку света.

Таким образом, о реакции (1.21 ) установка сигнализировала двумя вспышками света, за которыми через некоторое время (зависящее от концентрации атомов кадмия в растворе) следовала третья одиночная вспышка света, что говорило о регистрации антинейтрино. В данном опыте в среднем примерно через каждые 20 мин регистрировалась одна реакция (1.21).

Теперь известно, что нейтрино или антинейтрино рождается в каждом β-распаде. После тщательных измерений оказалось возможным вычислить среднюю длину пробега нейтрино до взаимодействия. Нейтрино с обычной для него энергией 1 МэВ будет "путешествовать" сквозь свинцовую твердь в среднем 50 световых лет (5· 10¹⁴ км) до взаимодействия.