Л.К. Мартинсок, Е.В. Смирнов - Квантовая физика (1023618), страница 64
Текст из файла (страница 64)
ол р . ют~ ядре, может получать необходимую энергию от других нуклонов ядра. 427 3. Электронный захват. Третий вид ~3-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. Реже поглощаются электроны из Е или М-оболочек.
В результате К-захвата происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон, сопровождающееся испусканием нейтрино: р+е -«л+Уе. Схема К-захвата имеет следующий вид: 2Х+ 1е — «2 1У+Ч,. А О А На освободившееся в результате К-захвата место в эле риной обо е атома мо пе ехо ить эле сны из вышележ их сл в е ьтате чего возникает ентгеновс и ение. При исследовании этого излучения был открыт К-захват американским физиком Л. Альваресом в 1937 г. Примером электронного захвата может служить превращение калия гзК в аргон 18Аг: 19 К+ 1е-«18Аг+ч . Подводя итог описанию а- и р-распадов, следует отметить, что а-распад наблюдается только у тяжелых ядер и некоторых ядер редкоземельных элементов. Напротив, ~3-активные ядра более многочисленны.
Практически для каждого атомного номера Е существуют нестабильные изотопы, обладающие ~3~-активностью. Энергия, выдел«пощаяся при ~3-распаде, лежит в пределах от 0,0186 МэВ (з1Н-«2зНе) до 16 МэВ ( 7~1«1-« ~О~С). Период полураспада р-активных ядер меняется от 10 с (для 4Ве) до 4 10 лет (для тзКе).
428 Спонтанное деление тяжелых ядер. Самопроизвольное дедение тяжелых ядер было впервые обнаружено советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Пегржаком в 1940 г. у ядер урана. Оно осуществляется по схеме 288и -ь '"Хе+ 9бяг+ З 'л 92 Ь 54 Е 38 Г оп -О ООсколки деления Ядро в состоянии, предшествующем делению в нормальном состоянии О Рис. 7.7. Спонтанное деление тяжелого ядра: а — схема деления; б — потенциальный барьер деления 429 т.
е. ядро урана распадается на ядра ксенона и стронция с испусканием трех нейтронов. Спонтанное деление, так же как и а-распад, происходит за счет туннельного эффекта. Пользуясь капельной моделью ядра, т. е. считая, что ядро подобно капле жидкости, можно выделить стадии, которые проходит ядро в процессе деления (рис. 7.7, а).
Соответствующий вид потенциальной энергии ядра У для различных деформаций ядра г представлен на рис. 7.7, б. Как и прн всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильно (по экспоненциальному закону) зависит от высоты барьера деления ЛУ (см. формулу (4.53)). Для изотопов урана и соседних с ним элементов высота барьера деления составляет АУ=6 МэВ. Спонтанное деление является основным каналом распада сверх- тяжелых ядер.
Осколки деления ядер урана () и плутония Ри 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 один или два протона. Протонная радиоактивность впервые была обнаружена в 1963 г. группой советских физиков под руководством Г.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 радиоактивность очень трудно обнаружить из-за сильного фона конкурирующих а- и ~»+ -распадов, приводящих к образова- нию изотопов таких же химических элементов. Радиоактивные ряды. Как уже отмечалось, 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 а- н ~3-радиоактивные элементы можно объединить в четыре радиоактивных ряда, или радиоактивных семейства.
Каждый из членов такого ряда получается из предыдущего элемента за счет а- или ))-распадов. Каждый ряд имеет своего родоначальника— ядро с наибольшим периодом полураспада. Внутри ряда массовые числа ядер А могут либо быть одинаковыми (при ~)-распаде), либо отличаться на число, кратное четырем (при а-распаде). Если для всех членов ряда А = 4л, где л — целое число, то этот ряд называется рядом 4п. Соответственно для А = 4п+1, А = 4л+ 2, А = 4п+ 3 радиоактивные ряды называются рядом 4л+ 1, рядом 4п+2, рядом 4л+3. 430 Родоначальниками зтих рядов являются следующие ядра: ряд 4л ~ уран 2фА ряд 4л+1 — ~ нептуний 9зХР, ряд 4л+2 — > уран 9з1), ряд 4л+3 -э уран ~~~1).
Ряд 4л+1 — ряд нептуния — состоит из изотопов, не встречающихся в природе, а получающихся искусственным путем (искусственная радиоактивность). Остальные три ряда обусловлены естественной радиоактивностью. Все они заканчиваются различными стабильнымиизотопами свинца а2РЬ, я2РЬ, а2РЬ. Приведем в качестве примера ряд 4л (рис. 7.8). Этот ряд называется рядом торна, хотя родоначальником его является уран 2зе Ы Рис. 7.8. Радиоактивный ряд 4л (ряд торна) 431 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 (см. задачу 4.5), то и спектр Т-излучения также дискретен. Энергия Т-квантов Е,, испускаемых различными ядрами, лежит в диапазоне 10 кэВ < Е ~ 5 МэВ. Соответствующая длина волны Т-излучения составляет 2 10 ~3 < Х < 10 ю Отметим, что из л ванн й свободный он не может исстить или поглотить -квант как п ом были бы на е- ны законы сох анения эне гии и льса.
Это означает, что при испускании Т-излучения ядром Т-квант обменивается импульсом не с одним, а с несколькими нуклонами. Таким образом, непускание Т-излучения является внутриядерным процессом. Как уже отмечалось, у-излучение сопровождает а- и 13-распады ядер. Это происходит в тех случаях, когда распад с переходом материнского ядра в основное состояние дочернего ядра либо маловероятен, либо запрещен правилами отбора. Среднее время жизни ядра в возбужденном состоянии различно для разных ядер и обычно находится в пределах 10 с~ < т„< 10 ~ с.
За это время ядро переходит на более низкий энергетический уровень, испуская при этом Т-излучение. Возможен и другой канал перехода ядра в состояние с меньшей энергией — передача избытка энергии непосредственно одному нз атомных электронов. Такой процесс называется внутренней конверсией электронов, а сами электроны — электронами внутренней конверсии (конверсионными электронами). Конверсионный электрон (обычно это электрон К- или 1 оболочки), получив энергию от ядра, вырывается из атома, поскольку энергия, передаваемая ему ядром, как правило, заметно превышает энергию связи электронов в атоме.
На освободившееся место переходит один из электронов с вышележащих оболочек. Такой процесс сопровождается испусканием рентгеновского излучения. 432 Эффект Мессбауэра. Явление езонансного ис скания и погло ения -квантов ами атомов исталла называ я ек- тн~б РРВ рассмотрим сначала процесс испускания и поглощения 7-кванта свободным ядром. Пусть покоящееся ядро, переходя из возбужденного состояния в основное, испускает 7-квант с энергией Е и импУльсом Р . В РезУльтате ЯдРо пРиобРетает импУльс отдачи Р„и кинетическую энергию (энергию отдачи) $У„.
Если разность энергий основного и возбужденного состояний ядра равна Ео, то из законов сохранения энергии и импульса следует, что Ео = Ет+~, Рт+ Р„=0. (7.22) Отсюда находим, что энергия отдачи 1т",„которая передается ядру при испускании у-кванта, равна 2 2 Ра Рт 2М„ 2М„ где ̄— массаядра.Танках р = —, то с Е 2 И1 = 2М з (7.23) Легко убедиться, что ббльшую часть энергии, выделяемой ядром при испускании Т-излучения, уносит 7-квант.
Действительно, Ет Ет з 2М„с — — — 2Млс — >) 1, у 433 15 — 10329 поскольку энергия покоя ядра М„с значительно превышает энергию 7-кванта Е . Поэтому в выражении (7.23) можно заменить Е. на Ео. )р„= Ео,. 2М„с (7.24) Именно это выражение и определяет энергию отдачи ядра при испускании у-кванта. Рассмотрим теперь процесс поглощения 7-кванта ядром.
Ядро, поглощая Т-квант, получает импульс отдачи и энергию отдачи, которая также определяется выражением (7.24). Чтобы сообщить ядру энергию Ео, необходимую для перевода его из основного состояния в возбужденное, энергия налетающего 7-кванта Е.' должна превысить энергию перехода Ео на Ф„т. е. Р Ет = Ео+и' ° Таким образом, линии испускания и поглощения 7-квантов ядрами (рис. 7.9) должны быть сдвинуты относительно друг друга по шкале энергии на величину ЛЕ=Е',— Е =2)У„.
(7.25) Ет — е Ео Ео Ео " Ео Ее+И» Рис. 7.9. Линии испускания и поглощения ядрами 7-излучения Поскольку 7-излучение, испускаемое ядрами, имеет энергетическую линию конечной ширины Г, то, для того чтобы можно было наблюдать в эксперименте резонансное поглощение Т-квантов, т. е. поглощение ядром 7- излучения, энергия которого точно равна энергии перехода Ео, необходимо, чтобы линии испускания и поглощения перекрывались. Это означает, что должно выполняться соотношение (7.26) В рассматриваемом случае изолированного ядра ширина Г линии излучения является естественной шириной, задаваемой соотношением неопределенностей (2.22) Л Г та где т„— время жизни ядра в возбужденном состоянии. Приведем оценки ширины линии излучения, испускаемого ядром, и энергии отдачи )т'„при испускании 7-квантов ядром изотопа железа Ре.
Энергия перехода из возбужденного в основ- 57 ное состояние для этого ядра составляет Ео — — 14,4 кэВ, время жизни т„=10 с, естественная ширина линии Г =10 эВ. Согласно (7.24), энергия отдачи ядра изотопа железа, у которого М„с = 5,35 10 о эВ, равна )У„=0,00193 эВ. Поскольку энергия отдачи %'„ значительно (на пять порядков) превышает естественную ширину спектральной линии Г, то условие (7.26) заведомо ие выполняется. Аналогичные оценки можно получить и для других ядер. Это означает, что резонансное поглощение 7-квантов изолированными ядрами свободных атомов невозможно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
