Семестр_4_Лекция_24 (Отличные лекции от Семиколенова), страница 2

Третий вид β-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 + ν e .Схема К-захвата имеет следующий вид:A0AZ X + −1 e → Z −1Y + ν 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 α- и β-распадов, следует отметить, что α-распад наблюдаетсятолько у тяжелых ядер и некоторых ядер редкоземельных элементов.

Напротив, β-активные ядра более многочисленны. Практически для каждого атомного номера Z существуют нестабильные изотопы, обладающие β-активностью.Спонтанное деление тяжелых ядер.Самопроизвольное деление тяжелых ядер было впервые обнаружено советскими физикамиГ.Н.

Флеровым и К.А. Петржаком в 1940 г. у ядер урана.Спонтанное деление, так же как и α-распад, происходит за счет туннельного эффекта. Каки при всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильно зависит отвысоты барьера деления ∆U. Для изотопов урана и соседних с ним элементов высота барьераделения составляет ∆U ~ 6 МэВ.4Семестр 4. Лекция 24.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. Флерова.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 α- и β+ -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 α- и β-радиоактивные элементы можно объединить в четыре радиоактивных ряда,или радиоактивных семейства. Каждый из членов такого ряда получается из предыдущего элемента за счет α- или β-распадов. Каждый ряд имеет своего родоначальника - ядро с наибольшим периодом полураспада.

Внутри ряда массовые числа ядер А могут либо быть одинаковыми(при β-распаде), либо отличаться на число, кратное четырем (при α-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 с23892U ; ряд актиния (4n+3) - начинается сстабильными изотопами свинца20882Pb ,20682Pb ,2078223592U . Все они заканчиваются различнымиPb 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 породы 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.

Он основывается на определении соотношения радиоактивного изотопа углерода 14С, который образуется в верхних слоях атмосферы из изотопа азота 14N под воздействием нейтронов космических лучей5Семестр 4. Лекция 24.147N + n → 146 C + p .Радиоизотоп углерода 14C подвержен β−-распаду с периодом полураспада T1/2 = 5730±40 лет−14146 С → 7 N + e + νe .14Соотношение радиоактивного С и стабильных изотопов углерода 12С в атмосфере и вбиосфере примерно одинаково из-за активного перемешивания атмосферы, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене, получая углерод из окружающейсреды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом.

При радиоуглеродном анализе возраст определяется поудельной остаточной активности радиоактивного изотопа.Гамма-излучение ядер.Это излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое ядрами при переходе из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией.Поскольку ядро является квантовой системой с дискретным набором энергетических уровней,то и спектр γ-излучения также дискретен.Энергия у-квантов Еγ, испускаемых различными ядрами, лежит в диапазоне10 кэВ < Еγ < 5 МэВ.Соответствующая длина волны γ-излучения составляет 2⋅10-13 м <λ<10-10 м.Замечание. Изолированный свободный нуклон не может испустить или поглотить γ-квант, таккак при этом были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса.

Это означает, что прииспускании γ-излучения ядром γ-квант обменивается импульсом не с одним, а с несколькиминуклонами. Таким образом, испускание γ-излучения является внутриядерным процессом.γ-излучение сопровождает α- и β-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 возбужденном состоянииразлично для разных ядер и обычно находится в пределах 10-15 с < τ <10-7с. За это время ядропереходит на более низкий энергетический уровень, испуская при этом γ-излучение.Возможен и другой канал перехода ядра в состояние с меньшей энергией - передача избытка энергии непосредственно одному из атомных электронов.

Такой процесс называетсявнутренней конверсией электронов, а сами электроны - электронами внутренней конверсии(конверсионными электронами).Конверсионный электрон (обычно это электрон К- или L-оболочки), получив энергию отядра, вырывается из атома, поскольку энергия, передаваемая ему ядром, как правило, заметнопревышает 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 γ-квантов ядрами атомов кристалла называется эффектом Мессбауэра.Пусть покоящееся свободное ядро, переходя из возбужденного состояния в основное,испускает γ-квант с энергией Еγ и импульсом pγ . В результате ядро приобретает импульс отдачи pЯ и кинетическую энергию (энергию отдачи) WЯ. Если разность энергий основного и возбужденного состояний ядра равна ∆E, TO из законов сохранения энергии и импульса следует: ∆E = Eγ + WЯ , pγ + p Я = 0 .Откуда энергия отдачи WЯ, которая передается ядру при испускании γ-кванта, равнаp2p2WЯ = Я = γ2M Я 2M Я6Семестр 4.

Лекция 24.где МЯ - масса ядра. Так как pγ =Eγ, то WЯ =Eγ2.c2M Я c 2При этом большую часть энергии, выделяемой ядром при испускании γ-излучения, уносит γквант. Действительно,Eγ Eγ2M Я c 2= 2 2M Я c 2 =>> 1Wγ EγEγпоскольку энергия покоя ядра МЯс2 значительно превышает энергию γ-кванта Еγ. Поэтому в выражении можно заменить Еγ на ∆E.WЯ =( ∆E )22M Я c 2Именно это выражение и определяет энергию отдачи ядра при испускании γ-кванта.Ядро, поглощая γ-квант, получает импульс отдачи и энергию отдачи WЯ.

Чтобы сообщить ядру энергию ∆Е, необходимую для перевода его из основного состояния в возбужденное,энергия налетающего γ-кванта Е'γ должна превысить энергию перехода ∆Е на WЯ, т. е.Е'γ = ∆E + WЯ.Таким образом, линии испускания и поглощения γ- квантов ядрами должны быть сдвинуты относительно друг друга по шкале энергии на величинуδE = E′γ− Eγ = 2WЯ.Поскольку γ-излучение, испускаемое ядрами, имеет энергетическую линию конечной шириныГ, то, для того чтобы можно было наблюдать в эксперименте резонансное поглощение γквантов, т.