Л.К. Мартинсок, Е.В. Смирнов - Квантовая физика (1023618), страница 63
Текст из файла (страница 63)
е. если М2о —— О, то выражение (7.216) упрощается: у 11) у 1 (е-Х1и е Хг') 2'2 2'1 Альфа-распад. а-распад представляет собой процесс самопроизвольного испускания радиоактивным ядром а-частиц (ядер гелия 2Не). Он происходит по схеме 2 2 2 2 АХ А-4 у+ 4Н где Х и У вЂ” химические символы распадающегося (материнского) и образующегося (дочернего) ядер соответственно. Как следует из схемы распада, массовое число дочернего ядра на четыре единицы, а зарядовое — на две единицы меньше, чем у материнского.
В качестве примера приведем схему а-распада ядра изотопа висмута, который протекает с образованием ядра галлия: 212В1 + 2о8Т1+4Не. 83 81 2 В настоящее время известно более двухсот ядер, испытывающих а-распад. Большинство из этих ядер получается искусственным путем. а-частицы вылетают из ядер с очень большими скоростями (о,„< 0,1с). Их кинетическая энергия Е,„равна нескольким мега- электрон-вольтам.
Распространяясь в среде, а-частица теряет свою энергию на ионизацию молекул вещества. Пробег а-частицы, т. е. расстояние, которое она проходит до полной остановки, зависит от плотности среды. Так, в воздухе при нормальном давлении ее пробег составляет несколько сантиметров, а в твердом теле примерно 10 см. Кинетическая энергия а-частицы образуется за счет превышения энергии покоя материнского ядра над суммой энергий покоя 422 дочернего ядра и а -частицы (см.
выражение (7.13)). Этот иЯцтпк эне ме в отноше- Ра — Рд Р. Кинетические энергии продуктов а-распада составляют 2 2 Рд Р 2шд 2шд 2 2 Е,„=— Ра Р гта 2 „ Отсюда находим, что Е тд Ед ша В силу того что масса дочернего ядра заметно превышает массу а-частицы, ббльшая часть избыточной энергии уносится а-частицей. Обычно при а-распаде образуется несколько моноэнергетических групп а-частиц, незначительно отличающихся по энергиям (так называемая тонкая структура а-распада). Это объясняется тем, что доче нее о может азовыв ться нетольков основном о возб денных состояниях. На рис.
7.5 пред- а, ставлена условная схема энергетических уровней материнского и дочернего ядер,на которой для простоты ае приведен только один возбужденный уровень дочернего ядра. Наиболее интенсивными явля- 7 ются группы а-частиц, связанные с образованием дочернего ядра в основном ао и в первом возбужРис. 7.5. К механизму возденном а1 состояниях. Так, в рас- икновеиия 7-излучения, сосмотренном выше примере а- провождающего а-распад 423 ни о о опо о . Действительно, поскольку при а-распаде выполняется закон сохранения импульса, то импульсы а-частицы и дочернего ядра должны быть равны по модулю: распада висмута 83В1 доля частиц ао составляет 27 %, а даля 212 частицы а1 — 70 % от общего числа всех а-частиц.
Время жизни большинства ядер, находящихся в возбужденном состоянии, 10 ... 10 ~с. За зто время возбужденное дочернее ядро переходит в основное нли в возбужденное состояние. Избыток энергии при этом расходуется на непускание у-квантов или каких-либо других частиц — протонов, нейтронов и т.
д. Основы теории а-распада были заложены в 1927 г. русским физиком Г.А. Гамовым и независимо от него американскими физиками Э. Кондоном и Р. Герни. В работах этих авторов была дана квантово-механическая трактовка а-распада, учитывающая волновые свойства а-частицы. Как уже отмечалось в 4.3, а-частица, пок ая о ео олевает потел альный ба ье соз аваемый си- и силами лон ко о кив лами е ного п (см. рис. 4.11). Посколь вы а ба ье а заметно в не ько аз ев а возможен тальк а счет нел . Теория а -распада, в основе которой лежит туннельный эффект, хорошо подтверждается результатами экспериментальных исследований.
Следует отметить, что радиоактивные ядра могут испускать и более крупные частицы, чем ядра гелия 2Не (а-частицы), напри- 4 мер ядра углерода 6С или ядра неона 10Хе. Такие распады бы- 14 24 ли экспериментально обнаружены в 1984 и 1985 гг. Возможные схемы распадов имеют вид 222К вЂ” 208РЬ+ 14С 233() - 209РЬ+ 24Х 88 а ~ 82 + 6 92 + 82 + 10 В отличие от - иоактивн эти кла те ной адиоактивн . Поскольку массы ядер углерода и неона заметно превышают массу а-частицы, то вероятность таких распадов (вероятность туннелирования столь массивных часпщ) очень невелика. Действительно, вероятность вылета ядра 6С 14 примерно в 10 раз меньше вероятности вылета а-частицы.
Для 1О ядра неона 10Хе зто отношение достигает 10 раз. В дальнеи- 24 12 шем было обнаружено самопроизвольное непускание тяжелыми ядрами ядер магния, кремния и серы. Бета-распад. р'-распадом называется самопроизвольное превращение радиоактивного ядра 2Х в ядро-изобар 2+1у или 2 1У. А А А В этом оцессе один из не" онов а ев ащается в стон или один из стонов — в не" он.
Таким образом, 13-распад является не внутриядерным, а внутринуклонным процессом. Ответственным за 13-распад является слабое взаимодействие нуклонов в ядре (см. 7.4). Существует три вида 13-распада: электронный (13 -распад ), позитронный ( 13+-распад ) и электронный захват. 1. Электронный р-распад (13 -распад). В этом случае материнское ядро 2Х испускает электрон, поэтому зарядовое число до- А чернего ядра ~+1У увеличивается на единицу. Электронный 13- распад протекает по схеме 2Х~2+1У+ 1е+ч,. А А О При этом распаде наряду с дочерним ядром образуется электрон и электронное антинейтрнно.
Здесь мы приписали электрону зарядовое число У = — 1 и массовое число А =О, чтобы подчеркнуть сохранение электрического заряда и числа нуклонов в процессе распада. Примером электронного р-распада может служить превращениеуглерода ОС вазот ~Х: 14 14 О ОС-+ тХ+ 1е+ч,. Из приведенной схемы распада видно, что массовые числа обоих ядер одинаковы, а зарядовое число дочернего ядра на единицу больше, чем у материнского. В основе электронного 13-распада, как уже отмечалось, лежит превращение в ядре нейтрона в протон: л -> р+ е + ч,. 425 Поэтому можно определить р -распад как процесс самощюизвольного превращения не она в стон в омного а. Дочернее ядро, образующееся при ~3 -распаде, может находиться в возбужденном состоянии.
При переходе ядра в основное со- е ФФ а- асп может соп в аться аЕ ис сканием -квантов. Как показывают экспериментальные исследования, электроны, образующиеся при р -распаде, имеют широкий энергетический Евах спектр от нуля до максимального О Е значения Е (рис. 7.6). Величина ЖЧ, определяет число электронов, энергия которых заключена в Рис.
7.6. Энергетический спектР интервале от Е до Е+ 1Е. Плоэлектронов лри б -распаде щадь под кривой (см. рис. 7.6) чис- ленно равна полному числу электронов, испускаемых радиоактивным препаратом в единицу времени. Энергия Е определяется разностью значений массы материнского ядра и массы продуктов распада — электрона и дочернего ядра (см. выражение (7.12)) Е =~̄— (М +гл )Зс .
Первоначально, до открытия нейтрино, казалось, что ~3 -распад протекает с нарушением закона сохранения энергии. Действительно, если бы материнское ядро распадалось только на дочернее ядро и электрон, то энергия электрона, согласно (7.12), не могла быть меньше Е . Для того чтобы объяснить "исчезновение" энергии (ЬЕ = Š— Е), В. Паули в 1932 г. вы- двинул гипотезу„согласно которой при р -распаде испускается еще одна частица, которая и уносит энергию ЬЕ.
Так как эта частица никак себя не проявляла, то следовало предположить, что она электронейтральна и обладает очень малой массой. Эта частица, названная Э. Ферми нейтрино, что дословно означает "маленький нейтрон", была экспериментально обнаружена лишь в 1956 г. За проведение экспериментальных исследований по обнаружению нейтрино Ф.
Райнес и К. Коуэн в 1995 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. Установлено, что с ес нес лько типов не ино: элекнно мюонное у ое ч и их античастицы. Тип не ино о е еляется за яженной части ей вместе с кото- ой не" ино ождается и с кото й' -распад со ово ается ис е ино >>д. Именно эта частица и приведена в записанных выше схемах распада. Вопрос о массе нейтрино рассмотрен в 7.4. 2. Позитронный ф-распад ф+-распад). В случае позитронного >3-распада ядро испускает позитрон, в результате чего его зарядовое число У уменьшается на единицу.
Позитронный >3-распад осуществляется по схеме А А О тХ~ ~ >У++>е+ч,. В качестве примера приведем превращение азота 7Х в углерод ьС >з >з о 7 М ~ ьС+ +>е+ ч,. Позитронный >3-распад сопровождается испусканием позитрона е+ и нейтрино ч„т. е. тех часпщ, которые представляют собой античастицы по отношению к часпщам, испускаемым при электронном р-распаде (е и 9,). В основе р~-распада, как уже отмечалось, лежит превращение в ядре протона в нейтрон: р->л+е++ч,. р юр ц* д„,.л ного стона такой цесс нев зможен по эн г туче ким сооб- ~( . р Рлг)).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
