5.1 Естественная радиоактивность

Естественная радиоактивность обусловлена внутренними причинами и протекает без видимых внешних воздействий на распадающиеся ядра атомов. В результате естественной радиоактивности ядра могут испускать ά и β- частицы, зачастую эти процессы обусловлены и испусканием γ-лучей. В отличии от естественной радиоактивности возможен радиоактивный распад индуцированный внешним воздействием. Изменение состава ядер при внешнем воздействии называют ядерными реакциями. Такие ядерные превращения могут быть вызваны облучением ядер протонами, нейтронами, α- частицами, γ-лучами. При ядерных реакциях могут быть образованы новые элементы, которых на Земле не было. Такие явления носят название искусственной радиоактивности.

5.1.1 α- распад

История открытия и изучения α-распада связана с именем Э. Резерфорда. Он предложил и названия: α-распад, α-частица. Это произошло вскоре после открытия радиоактивности, когда Резерфорд только начал заниматься исследованием излучения солей урана. Опыты показали, что это излучение не однородно. Одна его часть поглощалась тонкой алюминиевой фольгой, тогда как другая свободно проходила сквозь неё. Ученый назвал их соответственно α- и β-лучами. Немного позднее была обнаружена ещё одна составная часть излучения, обозначенная буквой греческого алфавита: γ-лучи.

α-частицы стали для Резерфорда незаменимым инструментом исследования атомных ядер. Ему принадлежит и первенство в выяснении природы α-частиц. Оказалось, что это – атомы гелия, потерявшие два электрона – ядра атома гелия - 4. α = ₂He⁴.

Ядро гелия-4 (рисунок 14.), состоявшее из двух протонов и двух нейтронов, одно из самых простых и устойчивых. Частицы связаны в нём так прочно, что многим другим ядрам было бы энергетически выгодно распасться на α-частицы и более лёгкое ядро. Однако этого не происходит. Распадаются лишь тяжёлые элементы: уран, радий торий и некоторые другие.

Причина устойчивости ядер к α-распаду весьма необычна, и в её установлении тоже принял участие Резерфорд. Он впервые обратил внимание на то, что α-распад, согласно законам классической физики, не имеет право на существование. Действительно, α-частица испускается тяжёлым ядром и имеет при этом кинетическую не более 10 МэВ. Теперь представим себе, рассуждал Резерфорд, что частица с такой энергией захотела бы проникнуть назад, вглубь ядра. Оказывается это невозможно. Она не сможет приблизится к ядру и войти в сферу действия ядерных сил, поскольку этому помешают силы электростатического отталкивания.

Для проникновения в ядро энергия частицы должна превышать некоторую критическую величину, так называемый потенциальный барьер. Величину барьера Вможно оценить:

В = ,

где еZ – заряд ядра, 2е – заряд α-частицы, R– радиус ядра. Для ядер, близких к урану, Всоставляет 30 МэВ.

Выходит, что природа, разрешив прямой процесс (α-распад), запретила обратный (проникновение частицы в ядро). Но во всех явлениях, с которыми до тех пор сталкивались физики, существование первого процесса всегда обусловливало возможность второго.

Объяснения этого процесса было дано квантовой механикой. В отличие от классической механики она допускает прохождение частицы сквозь барьер – туннельный переход. С помощью туннельного перехода α- частица может попасть в тяжелое ядро. Тогда становится ясно, что с помощью точно такого же перехода осуществляется и α-распад. Квантовая механика восстановила равноправность прямого и обратного процессов и позволила создать теорию α- распада. Таким образом, α- распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением. В теории α- распада предполагается, что внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, т. е. α-частица. Материнское ядро является для α-частиц потенциальной ямой, которая ограничена потенциальным барьером. Энергия α-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера (рисунок 15.). Вылет α-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому явлению, которое называется туннельным эффектом. Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования имеет вероятностный характер.

Вероятность туннельного перехода очень быстро падает с увеличением высоты и ширины потенциального барьера. Она ничтожно мала для многих ядер, и поэтому они не испытывают α-распада. А для α-активных ядер период полураспада (время распада половины ядер) меняется в очень широких пределах – от 7,13 ∙ 10 лет (уран-235) до 3∙10 с (полоний-212), в зависимости от проницаемости барьера.

Для естественных радиоактивных изотопов энергия α-частиц лежит в пределах 2 – 8 МэВ, скорость порядка 10 м/с, пробег в воздухе – несколько сантиметров. На современных ускорителях заряжённых частиц – циклотронах, фазотронах удается разогнать α-частицы до энергий, в сотни раз больших.

Исследования показали, что радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться, подобно атомам, в разных возбужденных состояниях. В одном из таких возбужденных состояний может оказаться дочернее ядро при α-распаде. При последующем переходе этого ядра в основное состояние испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с двумя значениями кинетических энергий приведена на рисунке 16.

5.1.2 β- распад

Теория β-распада была создана в 1934 г. Э. Ферми. В ней учёный предположил, что электрон и нейтрино рождаются в момент распада нуклона в ядре. Он ввёл в теорию константу G, которая играла для β-распада такую же роль, что и заряд е для электромагнитных процессов, и вычислил её величину на основании экспериментальных данных. Теория Ферми позволила рассчитать форму β-спектров и связать граничную энергию распада Е со временем жизни радиоактивного ядра. Нейтрино в этой теории имело заряд, равный нулю, и нулевую массу (во всяком случае, m m).

В течение следующих лет теорию стремились видоизменить, дополнить и усложнить, поскольку казалось, что она слишком проста и не описывает всех опытных данных. Прошло несколько десятилетий, прежде чем все физики убедились, что все эти дополнения основаны на ошибочных экспериментах, а путь, выбранный Ферми, правильный. Созданная сейчас теория объединённого слабого и электромагнитного взаимодействия включает его как первое приближение

Бета-распад становится возможным тогда, когда замена в атомном ядре нейтрона на протон (или, наоборот, протона на нейтрон) энергетически выгодна и получающееся новое ядро имеет меньшую массу покоя, т. е. большую энергию связи. Избыток энергии распределяется между продуктами реакции.

Бета-распад бывает трёх видов;

- Один из нейтронов (п) в ядре превращается в протон (р). При этом излучается электрон (е ) и антинейтрино (). Это – β¯-распад.

A (Z, N) A (Z +1, N -1) + е +

(n p + е + ),

A (Z, N) – обозначения ядра с числом протонов Z и нейтронов N. Заряд ядра увеличивается на 1. простейший вид из всех видов β¯-распада – распад свободного нейтрона, который тяжелее протона и поэтому нестабилен.

- Протон, входящий в состав ядра, превращается в нейтрон (N), позитрон (е ), и нейтрино ( ). Это – β -распад.

A (Z, N) A (Z – 1, N +1) + е +

(pn + е + ),

Заряд ядра уменьшается на 1. Процесс может происходить только в ядре; свободный протон не распадается таким образом.

- Наконец, ядро может захватить ближайший из атомных электронов (электронный захват) и превратиться в другое ядро с зарядом 1 меньше:

A (Z, N) + е A(Z – 1, N +1) +

(p + е n + ),

β -частица при этом не излучается.

Когда физики начали изучать β-распад, о существовании нейтрино ( или ), обладающего огромной проникающей способностью, ничего не было известно.

Загадка, с которой столкнулись экспериментаторы, - сплошной энергетический спектр электронов, изучаемый при β-распаде. В этом процессе на долю дочернего ядра приходится ничтожная часть освобождающейся энергии. Вся она идёт на электрон, и поэтому все β-частицы должны были бы иметь одинаковую энергию. А на опыте наблюдалась такая картина: испускались электроны любой энергии, вплоть до максимально возможной .

Физики предположили, что виноват источник: β-частицы теряют свою энергию, когда проходят сквозь его материал. Для проверки этой гипотезы несколько групп экспериментаторов поставили калориметрические опыты. Делались они так: радиоактивный источник помещали в калориметр с такими толстыми стенками, чтобы β-частицы в них полностью поглощались. Это позволило измерить всю энергию, выделявшуюся за определённое время.

Потом рассчитали энергию, приходящуюся на одну β-частицу. Экспериментаторы ожидали, что она окажется близкой к Е, но всякий раз получали величину, приблизительно в 2 раза меньшую.

Выход из положения нашел В. Паули. Он высказал предположение, что при β-распаде испускается частица, обладающая несравненно большей проникающей способностью, чем электроны. Её не могут задержать стенки калориметра, и она уносит с собой часть энергии. Так родилось представление о нейтрино.

Приведём некоторые данные о бета-распаде ядер.

Граничная энергия β-частиц (Е) – от нескольких КэВ до ~ 17 МэВ.

Время жизни ядер по отношению к β-распаду – от 1,3 ∙10 с до ~ 2 ∙ 10 лет.

Пробег β-частиц в лёгких веществах – несколько сантиметров. Они теряют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов.

5.1.3 γ- излучение

В предыдущих разделах уже говорилось о том, что в атомном ядре действуют те же законы квантовой механики, что и в атоме. Энергия атома принимает не любое значение, а вполне определённый ряд величин, которые называются энергетическими уровнями. Такие уровни существуют и в ядре. Энергетический уровень с минимальной величиной называется основным, а уровни с большей энергией – возбуждёнными. В атоме различие между уровнями связаны с различными состояниями электронных оболочек, в ядре – с состояниями ядерных частиц – протонов и нейтронов.

Переходя из возбуждённого состояния в основное, атом излучает порции – кванты видимого света, ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Ядро при аналогичных переходах излучает гамма - кванты. Это – очень коротковолновое, с длиной волны = 10 - 10 м, электромагнитное излучение. Соответственно энергия гамма - квантов E = h= лежит в пределах от десятков КэВ до нескольких МэВ (напомним, что ν – частота, λ – длина волны излучения, с – скорость света, h – постоянная Планка.)

Тот факт, что энергия ядерного излучения в тысячи и даже миллионы раз больше атомного, связан с огромной величиной сил, действующих в ядре между частицами. Причины, по которым ядро может оказаться в возбуждённом состоянии могут быть различными. Это происходит после бета- или альфа - распада, при ядерных реакциях и т. п. Время перехода из возбужденного состояния в основное (если при этом не требуется сильная перестройка ядра) очень мало, оно составляет 10 - 10 сек.

Пробеги γ - квантов с энергией 1 МэВ достаточно велики и составляют десятки сантиметров в лёгких веществах.

Гамма - кванты излучаются во многих процессах, в которых участвуют элементарные частицы. Например, при распадах частиц:

2 γ (E= 135 MэВ),

2 γ (E= 549 MэВ).

или при аннигиляции частицы и античастицы (позитрона и электрона):

е + е = 2 γ (E= 1,02 MэВ).

Таким образом γ- квант обычный участник многих ядерных реакций, уносящий значительную энергию. Кроме того, во многих процессах действия других частиц на вещество именно γ- квант оказывается частицей, вызывающей ионизацию вещества.