§ 31.4. Эффект Мёссбауэра. Гамма-излучение

Радиоактивный α- и β-распад многих элементов сопровождается γ-излучением. Гамма-излучение, как правило, не является самостоятельным типом радиоактивности. Оно возникает при переходе ядра из возбужденного в основное состояние.

Явление поглощения ядром γ-кванта, частота которого соответствует переходу ядра из основного в ближайшее к нему возбужденное состояние, называют резонансным поглощением.

Р. Мёссбауэр обнаружил что резонансное поглощение возможно лишь в том случае, если атомы излучателя и поглотителя находятся в твердом теле, где положения их жестко фиксированы.

Эффект Мёссбауэра стал одним из методов изучения строения вещества.

Гамма-излучение является наиболее проникающим видом ионизирующих излучений. Прохождение γ-излучения сквозь вещество сопровождается его поглощением. При прохождении поглотителя толщиной dх интенсивность

γ-излучения уменьшается на dJ. Очевидно, относительная интенсивность поглощенного излучения пропорциональна толщине поглотителя:

[μ — линейный коэффициент поглощения].

Интегрируя уравнение, получаем

или

[— постоянная интегрирования, зависящая от начальных условий].

Это уравнение можно переписать в виде , или в экспоненциальном виде

(31.13)

Уравнение (31.13) выражает зависимость интенсивности гамма-излучения J на глубине х от интенсивности падающего узкого пучка на вещество J₀ и от коэффициента линейного поглощения μ.

При прохождении γ-излучения сквозь вещество, как видно из (31.13), происходит ослабление интенсивности первоначального пучка. Это ослабление интенсивности является результатом взаимодействия γ-квантов с электронами и атомами вещества.

Практически наиболее существенны три процесса взаимодействия с веществом: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар, приводящее к поглощению γ-излучения. Возможен также внутренний фотоэффект или внутренняя конверсия γ-излучения. Иногда под действием γ-излучения и происходят ядерные реакции. Однако вероятность этих процессов много меньше вероятности упомянутых выше трех основных процессов.

§ 31.5 Ядерные реакции и законы сохранения

Ядерная реакция — искусственное превращение атомных ядер при их взаимодействии как друг с другом, так и с ядерными частицами.

При ядерных реакциях соблюдаются законы сохранения: суммарного электрического заряда; числа нуклонов; энергии, импульса, момента импульса.

Согласно предложенной Бором теории, ядерная реакция протекает в два этапа по схеме

X + а → С→ b + Y (31.14)

На первом этапе ядро-мишень X сливается с бомбардирующей частицей а, образуя новое ядро С, которое находится в возбужденном состоянии: X + а → С. На втором этапе возбужденное ядро С распадается на конечные продукты ядерной реакции: С → b + Y.

Символами X, Y обозначаются атомные ядра, а, b – чаще всего соответствуют какие-либо элементарные частицы.

Если налетающая на ядро частица обладает положительным зарядом, то её проникновение в ядро будет препятствовать электрическое отталкивание. Чтобы его преодолеть и попасть в область действия ядерных сил, частица должна обладать достаточно большой кинетической энергией. Иначе обстоит дело с нейтронами. Они не обладают электрическим зарядом и потому могут вступать в ядерные реакции, даже будучи очень медленными. Это делает их применение особенно эффективным.

Ядерные реакции могут протекать как с выделением, так и с поглощением энергии, причем эта энергия примерно в 10⁶ раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при химических реакциях.

Энергетическим выходом ядерной реакции или энергией реакции Q называется разность кинетических энергий конечного и начального состояний частиц, участвующих в ядерной реакции:

Q =Е'_k-Е _k =( m₁+m₂-m₃-m₄)c² (31.15)

Если реакция идет с выделением кинетической энергии, то Q >0 и реакция называется экзотермической. Если реакция идет с поглощением кинетической энергии, то Q <0 и реакция называется эндотермической.

Первая ядерная реакция была осуществлена в 1919 г. Э. Резерфордом. Бомбардируя ядра азота альфа-частицами, он получил вместо азота кислород:

(31.16)

В этой реакции впервые было осуществлено искусственное превращение одного химического элемента в другой.

В этой же реакции из ядра азота было выбито ядро водорода . Отсюда Резерфорд заключил, что оно является составной частью сложных ядер и может считаться новой элементарной частицей. Эту частицу назвали «протон». Такое название было предложено Резерфордом в 1920 г. С одной стороны, оно происходило от греч. «протос» — первый, первичный, а с другой стороны, по замыслу Резерфорда, напоминало фамилию английского ученого У. Проута, который еще в 1815 г. выдвинул гипотезу о том, что атомы водорода входят в состав всех остальных атомов.