16 (Лекции Лунева PDF), страница 2

Первоначально, до открытия нейтрино, казалось, что -- распад протекает с нарушениемзакона сохранения энергии. Паули в 1932 г. выдвинул гипотезу, согласно которой при - распаде испускается еще одна частица, которая уносит часть энергии. Так как эта частица никаксебя не проявляла, то следовало предположить, что она электронейтральна и обладает оченьмалой массой. Эта частица, названная Э.

Ферми нейтрино, что дословно означает «маленькийнейтрон», была экспериментально обнаружена лишь в 1956 г.Установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное, мюонное, таулептонное и их античастицы. Тип нейтрино определяется заряженной частицей, вместе с которой нейтрино рождается и с которой взаимодействует. - распад сопровождается испусканием электронного антинейтрино.2. Позитронный -распад (+-распад). В случае позитронного +- распада ядро испускает позитрон, в результате чего его зарядовое число Z уменьшается на единицу. Позитронный +распад осуществляется по схеме:AA0Z X  Z 1Y  1 e   e .Позитронный +- распад сопровождается испусканием позитрона е+ и нейтрино e, т.

е. тех частиц, которые представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым приэлектронном - распаде. В основе +- распада лежит превращение в ядре протона внейтрон:p  n  e  e .Поскольку масса протона меньше массы нейтрона, то для свободного протона такой процессневозможен по энергетическим соображениям. Однако протон, находящийся в ядре, может получать необходимую энергию от других нуклонов ядра.3. Электронный захват. Третий вид - распада - электронный захват - представляет собой поглощение ядром одного из электронов электронной оболочки своего атома. Чаще всего поглощается электрон из К-оболочки, поэтому электронный захват называют еще К-захватом.

Режепоглощаются электроны из L- или М-оболочек. В результате К-захвата происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон, сопровождающееся испусканием нейтрино:p  e  n   e .Схема К-захвата имеет следующий вид:A0AZ X  1 e  Z 1Y   e .На освободившееся в результате К-захвата место в электронной оболочке атома могут переходить электроны из вышележащих слоев, в результате чего возникает рентгеновское излучение.Подводя итог описанию - и - распадов, следует отметить, что -распад наблюдаетсятолько у тяжелых ядер и некоторых ядер редкоземельных элементов. Напротив, - активныеядра более многочисленны.

Практически для каждого атомного номера Z существуют нестабильные изотопы, обладающие - активностью.4Семестр 4. Лекция 16.Спонтанное деление тяжелых ядер.Самопроизвольное деление тяжелых ядер было впервые обнаружено советскими физикамиГ.Н. Флёровым и К.А. Петржаком в 1940 г. у ядер урана.Спонтанное деление, так же как и - распад, происходит за счет туннельного эффекта. Как и при всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильнозависит от высоты барьера деления U. Для изотопов урана и соседних с ним элементов высотабарьера деления составляет U ~ 6 МэВ.Спонтанное деление является основным каналом распада сверхтяжелых ядер.

Осколкиделения ядер урана U и плутония Рu асимметричны по массе. С ростом массового числа распадающегося ядра осколки деления становятся более симметричными.Протонная радиоактивность.При протонной радиоактивности ядро испытывает превращения, испуская при этом одинили два протона. Протонная радиоактивность впервые была обнаружена в 1963 г. группой советских физиков под руководством Н. Флёрова.Протонная радиоактивность возможна лишь у небольшого числа искусственно получаемых легких ядер, которые характеризуются относительно короткими временами жизни и большим избытком протонов.

Однако при проведении эксперимента протонную радиоактивностьочень трудно обнаружить из-за сильного фона конкурирующих - и +-распадов, приводящихк образованию изотопов таких же химических элементов.Радиоактивные ряды.Ядра, возникающие в результате радиоактивных превращений, могут сами оказаться радиоактивными. Они распадаются со скоростью, которая характеризуется их постоянной распада. Новые продукты распада, в свою очередь, могут быть радиоактивными и т. д. В итоге возникает целый ряд радиоактивных превращений.Все - и - радиоактивные элементы можно объединить в четыре радиоактивных ряда,или радиоактивных семейства.

Каждый из членов такого ряда получается из предыдущегоэлемента за счет - или - распадов. Каждый ряд имеет своего родоначальника - ядро снаибольшим периодом полураспада. Внутри ряда массовые числа ядер А могут либо бытьодинаковыми (при - распаде), либо отличаться на число, кратное четырем (при - распаде).Если для всех членов ряда А = 4n+С, где n - целое число, то этот ряд называется рядом(4n+С). Выделяют три естественных радиоактивных ряда и один искусственный.Естественные ряды: ряд тория (4n) - начинается с нуклида уран 23692 U ; ряд радия (4n+2) начинается сU ; ряд актиния (4n+3) - начинается с23892стабильными изотопами свинца20882Pb ,20682Pb ,20782U .

Все они заканчиваются различными23592Pb соответственно.Искусственный ряд - ряд нептуния (4n+1) - начинается стом2098323793Np и заканчивается висму-Bi .Радиоизотопный метод датировкиДля установки возраста археологических находок, растительных и животных ископаемых остатков и минералов широко используется радиоизотопный анализ. Он основан на постоянной долевой скорости распада слаборадиоактивных изотопов, независимой от температуры, давления и химических реакций.В определении возраста горных пород используются в основном радиоактивные ряды,начинающиеся с изотопов урана 238U - наиболее стабильного изотопа урана с периодом полураспада 4,51109 лет, 235U с периодом 7,13105 лет и изотопа тория 232Th с периодом 1,411010 лети заканчивающиеся различными изотопами свинца.

В расплаве исходной горной породы до застывания уран и свинец разделены вследствие различия массы. После застывания горной поро5Семестр 4. Лекция 16.ды продукты распада урана оказываются перемешенными вместе с остатками урана. По количественному соотношению изотопов урана и свинца можно относительно точно установитьвремя, прошедшее с момента застывания породы.Для определения возраста растительных и животных останков и археологических находок в основном используется более короткопериодный метод - радиоуглеродный анализ. Оносновывается на определении соотношения радиоактивного изотопа углерода 14С, который образуется в верхних слоях атмосферы из изотопа азота 14N под воздействием нейтронов космических лучей:14147 N  n  6C  p .Радиоизотоп углерода 14C подвержен - распаду с периодом полураспада T1/2 = 5730±40 лет:14146 С  7 N  e  e .Соотношение радиоактивного изотопа углерода 14С и стабильных изотопов углерода 12Св атмосфере и в биосфере примерно одинаково из-за активного перемешивания атмосферы, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене, получая углерод изокружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом.

При радиоуглеродном анализе возраст определяется по удельной остаточной активности радиоактивного изотопа.Гамма-излучение ядер.Это излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение,испускаемое ядрами при переходе из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией.

Поскольку ядро является квантовой системой с дискретным набором энергетическихуровней, то и спектр - излучения также дискретен.Энергия -квантов Е, испускаемых различными ядрами, лежит в диапазоне10 кэВ < Е < 5 МэВ.Соответствующая длина волны - излучения составляет 210-13 м <  < 10-10 м.Замечание. Изолированный свободный нуклон не может испустить или поглотить - квант, таккак при этом были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса.

Это означает, что прииспускании - излучения ядром - квант обменивается импульсом не с одним, а с несколькиминуклонами. Таким образом, испускание - излучения является внутриядерным процессом.- излучение сопровождает - и - распады ядер. Это происходит в тех случаях, когдараспад с переходом материнского ядра в основное состояние дочернего ядра либо маловероятен, либо запрещен правилами отбора.

Среднее время жизни ядра в возбуждённом состоянииразлично для разных ядер и обычно находится в пределах 10-15 с <  <10-7с. За это время ядропереходит на более низкий энергетический уровень, испуская при этом - излучение.Возможен и другой канал перехода ядра в состояние с меньшей энергией - передачаизбытка энергии непосредственно одному из атомных электронов. Такой процесс называется внутренней конверсией электронов, а сами электроны - электронами внутреннейконверсии (конверсионными электронами).Конверсионный электрон (обычно это электрон К- или L- оболочки), получив энергиюот ядра, вырывается из атома, поскольку энергия, передаваемая ему ядром, как правило, заметно превышает энергию связи электронов в атоме. На освободившееся место переходит один изэлектронов с вышележащих оболочек.

Такой процесс сопровождается испусканием рентгеновского излучения.Эффект Мессбауэра.Явление резонансного испускания и поглощения -квантов ядрами атомов кристалланазывается эффектом Мессбауэра.Пусть покоящееся свободное ядро, переходя из возбуждённого состояния в основное,испускает - квант с энергией Е и импульсом p . В результате ядро приобретает импульс отдачи pЯ и кинетическую энергию (энергию отдачи) W . Если разность энергий основного и6Семестр 4. Лекция 16.возбуждённого состояний ядра равна E, TO из законов сохранения энергии и импульса следует:p  p Я  0 .E  E  WЯ ,Откуда энергия отдачи W , которая передается ядру при испускании - кванта, равна2WЯ где M  - масса ядра.

Так как p EcppЯ2  ,2M Я 2M Я, тоWЯ E2.2M Я c 2При этом бoльшую часть энергии, выделяемой ядром при испускании -излучения, уносит квант. Действительно,E E2M Я c 2 2 2M Я c 2  1W EEпоскольку энергия покоя ядра M  c 2 значительно превышает энергию -кванта Е. Поэтому всоотношении для W можно заменить Е на E:WЯ  E 22M Я c 2Именно это выражение и определяет энергию отдачи ядра при испускании - кванта.Ядро, поглощая - квант, получает импульс отдачи и энергию отдачи W . Чтобы сообщить ядру энергию Е, необходимую для перевода его из основного состояния в возбуждённое,энергия налетающего -кванта Е' должна превысить энергию перехода Е на W , т. е.Е' = E + W .Таким образом, линии испускания и поглощения - квантов ядрами должны быть сдвинуты относительно друг друга по шкале энергии на величинуE = E E = 2 W .Поскольку - излучение, испускаемое ядрами, имеет энергетическую линию конечной шириныГ, то, для того чтобы можно было наблюдать в эксперименте резонансное поглощение квантов, т.

е. поглощение ядром - излучения, энергия которого точно равна энергии переходаЕ, необходимо, чтобы линии испускания и поглощения перекрывались. Это означает, чтодолжно выполняться соотношение  WЯ .В случае изолированного ядра ширина Г линии излучения является естественной шириной,задаваемой соотношением неопределённостей:  , где  — время жизни ядра в возбуждён-ном состоянии.Оценки ширины линии излучения, испускаемого ядром, и энергии отдачи W при испускании - квантов ядром показывают, что резонансное поглощение - квантов изолированными ядрами свободных атомов невозможно, т.к.