4.8.3 Радиоактивные излучения
Альфа-распад. Явление α-распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают α-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер — на две: распад протекает по следующей схеме:
|
ZХA→Z-1ХA-4 + 2Не4 |
(4.105). |
Исходное ядро ZXA часто называется материнским, а получающееся после распада ядро Z-1ХA-4 —дочерним. Перечислим характерные эмпирические особенности α-распада.
Альфа-распад идет только в тяжелых ядрах (Z>83), известны более двухсот α-активных ядер. Почти все эти ядра обладают в своем составе не менее двух протонов сверх замкнутой оболочки, соответствующей магическому числу Z. Существует еще небольшая группа α-активных ядер в области редких земель, т. е. при А = 140÷60. Самым легким из из всех α-активных ядер является изотоп церия 58Се142, содержащий 84 нейтрона. Интересно, что по 84 нейтрона имеют целых семь других изотопов этой группы, а у остальных изотопов число нейтронов немного превышает 84.
Общая энергия ∆Е, выделяющаяся при α-распаде, выражается через энергии связи EA,Z, EA-4, Z-2, Еα соответственно материнского, дочернего ядер и α-частицы следующим образом:
∆Е = EA-4, Z-2+ Еа- EA,Z
Распад запрещен при ∆Е<0 и энергетически возможен при ∆Е>0. Энергия связи α-частицы равна 28 Мэв, т. е. 7 Мэв на нуклон. Поэтому распад ядра становится энергетически допустимым лишь тогда, когда энергия связи на нуклон становится меньше 7 Мэв. Очевидно, что для средних ядер α-распад идти не может, так как их энергия связи на нуклон равна примерно 8 Мэв. Для тяжелых ядер удельная энергия связи снижается за счет повышения роли кулоновского отталкивания протонов, и распад становится энергетически возможным.
Механизм появления α-частицы из ядре, на сегодняшний день, можно объяснить следующим образом. Ядро урана, наиболее активного радиоактивного элемента, окружено потенциальным кулоновским барьером, высота которого не меньше 8,8 Мэв. Величина кинетической энергии, с которой выбрасывается α-частица из ядра урана, составляет только 4,2 Мэв (рисунок - 4.81).
|
|
|
Рисунок - 4.81 |
По классическим представлениям α-частица с кинетической энергией меньшей высоты потенциального барьера не может выйти из области с высоким потенциальным барьером. Это обстоятельство, совершенно непонятное с классической точки зрения, объясняется квантовой механикой. В квантовой механике доказывается, что для квантовых частиц существует определенная вероятность их «просачивания» через потенциальный барьер т.е., имеет место «туннельный эффект».
Особым свойством α-распада является очень сильная зависимость периода полураспада от энергии вылетающих частиц. Уменьшение энергии на 1% может увеличить период полураспада в 10 раз, а уменьшение энергии на 10% изменяет Т1/2 на 2-3 порядка. Для связи периода полураспада Т1/2 с энергией вылетающих ос-частиц был установлен эмпирический закон Гейгера — Нэттола:
|
ln λ = С + lnR |
(4.106), |
где С — константа, не зависящие от А и слабо зависящие от Z.
Альфа-частицы, вылетающие из ядер определенного сорта, имеют, как правило, одну и ту же определенную энергию. Более точные измерения показывают, однако, что спектр вылетающих α-частиц обычно имеет тонкую структуру, т. е. состоит из нескольких близких друг к другу энергий. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникать не только в нормальных, но и в возбужденных состояниях. Кинетическая энергия α-частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и α-частицы. Эта избыточная энергия распределяется между α-частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Энергии (скорости) α-частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, оказываются строго определенными.
Среднее время жизни τ возбужденных состояний для большинства ядер лежит в пределах от 10-8 до 10-15 с. За это время дочернее ядро переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние, испуская фотон. Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и другими способами. Возбужденное ядро может испустить какую-либо частицу: протон, нейтрон, электрон или α-частицу. Наконец, образовавшееся в результате α-распада возбужденное ядро может отдать избыток энергии непосредственно (без предварительного испускания γ-кванта) одному из электронов К-, L- или даже М-оболочки атома, в результате чего электрон вылетает из атома. Этот процесс носит название внутренней конверсии. Возникшее в результате вылета электрона вакантное место будет заполняться электронами с вышележащих энергетических уровней. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей.
Скорости, с которыми α-частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики (~109см/с; кинетическая энергия порядка нескольких МэВ). Пролетая через вещество, α-частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества: на образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35эВ. Таким образом, α-частица образует на своем пути примерно 105 пар ионов. Естественно, что чем больше плотность вещества, тем меньше пробег α-частиц до остановки. Так, в воздухе, при нормальном давлении, пробег составляет несколько сантиметров, в твердом веществе пробег имеет величину порядка 10-3см.
Бета-распад. Существуют три разновидности β-распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом — позитрон, в третьем случае, называемом электронным захватом, ядро поглощает один из электронов К-оболочки, значительно реже L- или М-оболочки (соответственно вместо е-захвата говорят о К-захвате, L-захвате или М-захвате). β-распад протекает по схеме
ZXА→Z+1YА + -1e0+ υ
Из схемы β-распада видно, что дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино υ. Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра ZXА превратился в протон, претерпев превращение по схеме β-распада.
Бета-распад может сопровождаться испусканием γ-лучей. Механизм их возникновения тот же, что и в случае α-распада,— дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает γ-фотон.
В отличие от α-частиц, обладающих в пределах каждой группы строго определенной энергией распределение энергии β-частицы характеризуется сплошным спектром: β-частицы испускаются со всевозможными энергиями, начиная от некоторой определенной верхней границы до нуля. На рисунке - 4.82 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β-распаде. При каждом β-распаде, наряду с электроном, из ядра выбрасывается еще другая частица, не имеющая заряда и обладающая очень малой массой. Эта частица получила название нейтрино. Благодаря отсутствию заряда и малой массе, нейтрино обладает большой проникающей способностью.
|
|
|
Рисунок - 4.82. |
Имеется еще одно основание для предположения о нейтрино {или антинейтрино). Спин нейтрона, протона и электрона одинаков и равен 1/2. Если написать схему β-распада без антинейтрино, то суммарный спин возникающих частиц будет отличаться от спина исходной частицы. Таким образом, участие в β-распаде еще одной частицы диктуется законом сохранения импульса, причем этой частице необходимо приписать спин, равный 1/2 (или 3/2). Установлено, что спин нейтрино (и антинейтрино) равен 1/2. Непосредственное экспериментальное доказательство существования нейтрино было получено только в 1956 г. Энергия, выделяющаяся при β-распаде, распределяется между электроном и антинейтрино (либо между позитроном и нейтрино) в самых разнообразных пропорциях.
Второй вид распада (β+- распад или позитронный распад) протекает по схеме:
|
ZXА→Z-1YА ++1e0+ υ |
(4.107). |
Из схемы β+-распада видно, что атомный номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона е+ и нейтрино υ, возможно также возникновение γ-лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при β+-распаде, представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при распаде β--распаде. Процесс β+-распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:
|
р → n+ +1e0+ υ |
(4.108). |
Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов, образующих ядро.
Третий вид β-распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один из K-электронов (реже один из L- или M-электронов) своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:
|
р + е→ n+ υ |
(4.109). |
Этот вид бета-распада показывает, что β-распаде — процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон. Это видно уже из того, что β-активным является свободный нейтрон, распадающийся на протон, электрон и антинейтрино. Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает γ-фотоны. Процесса происходит следующим образом:
|
ZXА+ -1e0→Z-1YА + υ |
(4.110). |
Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи. Электронный захват легко обнаруживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению.
Проблема β-распада является одной из важных и интереснейших проблем физики атомного ядра по следующим причинам. При исследовании β-радиоактивности физика встречается с новым типом взаимодействия, с так называемым слабым взаимодействием, ответственным за β-распад и за распад элементарных частиц. Наоборот, сильные взаимодействия имеют место между нуклонами, гиперонами и мезонами, этими взаимодействиями обусловлены ядерные силы между нуклонами. Слабое взаимодействие мало по сравнению не только с ядерным взаимодействием, но и с электромагнитным. β-распада является широко распространенным процессом ядерных превращений. В современной физике известно более 1200 бета-радиоактивных изотопов, пользование которыми требует знания свойств β-распада.
Гамма-излучение ядер. Гамма-излучением называется коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами. Длина волны γ-лучей составляет от 1 до 0,001А (10-8- 10-11 см). Волновые свойства этого излучения проявляются слабо, и на передний план выступают корпускулярные свойства γ-лучей.
Одной из основных характеристик γ-лучей является энергия отдельного γ-кванта ε = hυ, где υ — частота излучения. При радиоактивном распаде ядер испускаются γ-кванты, энергия которых лежит в интервале значений от 10 кэв до 5 Мэв. При ядерных реакциях излучаются γ-кванты и с большей энергией, доходящей до 20 Мэв. Физическая природа γ-лучей та же, что и любого электромагнитного излучения (рентгеновских лучей, ультрафиолетовых и видимых лучей и т. д.). Мягкие γ-лучи, т. е. γ-лучи с энергией примерно до 105 эв, ничем не отличаются от рентгеновского характеристического излучения, кроме своего происхождения.
Гамма-излучение возникает за счет энергии возбуждения ядра. Из-за дискретности ядерных уровней спектр γ-излучения всегда дискретен и состоит из набора монохроматических линий, испускаемых при переходе ядра из возбужденного состояния в состояние с более низким значением энергии. Ядро испускает γ-квант без изменения А и Z.
γ-излучение обладает большой проникающей способностью. Прохождение γ-квантов через вещество инициирует в нем появление различных процессов. Радиоактивное γ-излучение производит ионизационное действие (сюда относится и его биологическое действие), потемнение фотографической эмульсии, вызывает свечение некоторых флюоресцирующих веществ. Радиоактивный изотоп постоянно выделяет энергию, и поэтому его температура всегда несколько выше температуры окружающей среды. По степени этих действий можно судить о степени активности того или иного радиоактивного элемента.
Пучок γ-квантов поглощается веществом в основном за счет электромагнитных взаимодействий. Однако механизм этого поглощения существенно иной. На это есть две причины. Во-первых, γ-кванты не имеют электрического заряда и тем самым не подвержены влиянию дальнодействующих кулоновских сил. Поэтому γ-кванты при прохождении через вещество сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении, как правило, резко отклоняются от своего пути, т. е. практически выбывают из пучка. Вторая отличительная особенность γ-квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света. А это значит, что γ-кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы.
При прохождении пучка γ-квантов через вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений постепенно ослабляется интенсивность пучка по закону:
|
J = J0e-µx, |
(4.111), |
где J0— начальная интенсивность, x - слой вещества, µ - коэффициент поглощения, который постоянен, если среда однородна.
Поглощение γ-излучения веществом в основном происходит за счет трех процессов: фотоэффекта, комптон-эффекта и рождения электронно-позитронных пар в кулоновском поле ядра. В первых двух процессах кванты сталкиваются с электронами, в третьем — с ядрами. Столкновения с электронами преобладают при низких энергиях, а столкновения с ядрами — при высоких энергиях.
Фотоэффектом называется процесс, при котором атом поглощает γ-квант и испускает электрон. Основные особенности фотоэффекта связаны с тем, что свободный электрон не может поглотить фотон из-за совместного действия, законов сохранения энергии и импульса. Отсюда следует, что фотоэффект наиболее интенсивно будет идти для γ-квантов с энергиями Е, сравнимыми с энергиями связи электронов в атомах. Явление фотоэффекта имеет энергетический порог, равный энергии связи последнего электрона.
С увеличением энергии квантов фотоэлектрическое поглощение отходит на задний план, уступая место комптон-эффекту. Комптон-эффект, как механизм поглощения, становится существенным в области энергий, значительно превышающих среднюю энергию связи электрона с атомом. Поэтому при расчете сечения комптон-эффекта электроны с достаточной для практических целей точностью можно считать свободными.
Комптоновское рассеяние на ядрах пренебрежимо мало по сравнению с процессом рождения электронно-позитронных пар в поле ядра состоит в том, что квант поглощается, а рождаются и вылетают электрон и позитрон. При этом ядро получает некоторый импульс отдачи. Как поглощение фотона, так и рождение пары происходит не внутри ядра, а около него в области, имеющей размер порядка комптоновской длины волны. Передача импульса отдачи ядру происходит через посредство его кулоновского поля. Без передачи импульса постороннему телу превращение фотона в электронно-позитронную пару запрещено законами сохранения энергии-импульса. Поскольку сечения фотоэффекта и комптон-эффекта в области высоких энергий спадают практически до нуля, то рождение пар становится здесь основным механизмом поглощения γ-излучения. Электронно-позитронные пары могут рождаться фотонами в кулоновском поле не только ядра, но и электрона. Полный коэффициент поглощения γ-излучения в веществе представляет собой сумму коэффициентов поглощения за счет всех возможных механизмов.
Большинство атомных ядер, возникающих при α- и β-переходах, а также при других разнообразных ядерных реакциях, образуются в возбужденных состояниях, в которых они пребывают конечное время τ, определяемое вероятностью распада. Переход ядра из возбужденного состояния в основное или в состояние с меньшей энергией, может происходить несколькими путями, например путем испускания электромагнитного γ-излучения или путем испускания каких-либо частиц.
Вероятность γ-перехода ядра из возбужденного состояния в новое состояние с меньшей энергией зависит от разности энергий этих состояний (уровней), от их спинов и четностей. Если два энергетических уровня для ядра имеют большую разницу в спинах, то γ-переходы и конверсия электронов затруднены, и время существования возбужденного состояния ядра до излучения γ-кванта может быть большим (до нескольких лет). Такие состояния являются метастабильными.
Ядра, находящиеся в возбужденном состоянии, и ядра в основном состоянии могут рассматриваться как два различных ядра, обладающих одинаковым зарядом и массовыми числами, но разными периодами радиоактивного распада и разной энергией связи. Такие ядра обычно называют изомерами. Возбужденное ядро называют верхним изомером. Явление ядерной изомерии объясняется оболочечной моделью ядра, возникновением в ядрах с почти заполненными нуклонными оболочками (при близких к магическим числам) возбужденных состояний с квантовыми числами l, сильно отличающимися от l для основных cсостояний ядер. Вероятность перехода между такими состояниями оказывается малой. Опытные данные показывают, что ядерная изомерия действительно наблюдается лишь для N и Z, имеющих значения вблизи (меньше) чисел 50, 82, 126, где возникают «острова изомерии».
Из закона сохранения энергии и закона сохранения момента импульса следует, что γ-квант уносит момент количества движения, равный векторной разности спина конечного ядра Jk и спина начального состояния Ji ядра:
/Jt-Jk/≤l≤/Jt+ Jk/
Величина l называется порядком мультипольности. Излучение c четностью (- 1)l называется электрическим, c четностью - 1)l+1 — магнитным.
Исследование γ-излучения имеет большое значение для определения квантовых характеристик ядер и для проверки тех или иных моделей ядра.
Распад многих радиоактивных элементов сопровождается испусканием γ-лучей, которые могут при этом вызвать фотоэффект на электронной оболочке самого распадающегося атома. Этот процесс называется внутренней конверсией. При этом, в тяжелых возбужденных ядрах, вместо ядерного γ-излучения, со значительной вероятностью испускаются группы моноэнергетических электронов из внутренних слоев (К, L, М) электронной оболочки атома. Эти электроны получили название электронов конверсии в отличие от электронов другого происхождения (электронов β-распада, фотоэлектронов). Конверсионные электроны имеют линейчатый спектр в отличие от электронов β-распада, дающих сплошной спектр. На рисунке 4.83 изображен β-спектр, на который накладывается линейчатый спектр конверсионных электронов.
|
|
|
Рисунок - 4.83 |
Процесс излучения происходит сплошного спектра следующим образом: после того как произошла внутренняя конверсия, в электронной оболочке атома остается незанятым, вакантным, место вырванного электрона конверсии. Какой-то электрон с более далеких слоев (с более высоких энергетических уровней) испытывает квантовый переход на это «вакантное место» с испусканием кванта рентгеновских лучей. Поэтому процесс внутренней конверсии сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей.
Другим видом внутренней конверсии является процесс внутренней конверсии с образованием электронно-позитронных пар. Это оказывается возможным только в том случае, когда энергия возбуждения будет больше 2m0c2 (Евозб -Енорм>2m0c2) больше энергии, необходимой для образования пары электрон-позитрон. В этом случае переход ядра из возбужденного состояния с меньшей энергией сопровождается образованием электронно-позитронной пары. Частицы, образующие пару (е-, е+) вылетают с разной энергией, так как благодаря влиянию положительного заряда ядра позитрон ускоряется, а электрон замедляется кулоновским полем ядра. Вероятность процесса внутренней конверсии велика и может достигать 100%; в этом последнем случае первичные - γ-лучи вовсе не наблюдаются, а наблюдаются лишь электроны конверсии. Энергия электронов конверсии eV связана с энергией γ-фотона hυ тем же соотношением, которое имеет место для обычного фотоэффекта:
|
eV = hυ – A |
(4.112), |
где А — работа вырывания электрона с данной оболочки.
Так как энергии γ-фотонов велики, то велики и скорости электронов конверсии. Эти скорости того же порядка, что и скорости β-частиц, т. е. электронов, выбрасываемых непосредственно из ядра. Вследствие этого исследователи долгое время смешивали электроны конверсии с γ-частицами, что затрудняло разбор явлений естественной радиоактивности.
Проверка того, что данные электроны действительно являются электронами конверсии; производится на основании определения работы вырывания электрона из оболочки атома, которая численно равна энергии электронов на соответствующих уровнях.
Явление внутренней конверсии часто используется для изучения спектров γ-лучей и установления уровней атомных ядер.