Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. - Квантовая физика (2004) (1076130), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Практически для каждого атомного номера У, существуют нестабильные изотопы, обладающие ~3~-активностью. Энергия, выделяющаяся при р-распаде, лежит в пределах от 0,0186 МэВ ~1Н~2Не) до 1б МэВ ( ~Х-> ОС). Период полураспада р-активных ядер меняется от 10 с (для 4Ве) до 4 10 лет (для ~зКе).
428 Спонтанное деление тяжелых ядер. Самопроизвольное деление тяжелых ядер было впервые обнаружено советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком в 1940 г. у ядер урана. Оно осуществляется по схеме 2з'1)- 'зРХе+9ббг+З' с2 -Ь б4 Е+ За Г+ ОЛ, Ядро в состоянии, предшествующем делению Осколки деления в нормальном состоянии Рис. 7.7. Спонтанное деление тяжелого ядра: а — схема деления; б — потенпнааьнмй 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 при всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильно (по экспоненциальному закону) зависит от высоты барьера деления ЬУ (см. формулу (4.53)). Для изотопов урана и соседних с ним элементов высота барьера деления составляет ЛУ =6 МэВ. Спонтанное деление является основным каналом распада сверх- тяжелых ядер.
Осколки деления ядер урана У и плутония Рп 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 ~э+ -распадов, приводящих к образованию 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 продукпл распада, в свою очередь, могут быть радиоактивными и т. д. В итоге возникает целый ряд радиоактивных превращений. Все а- и 1)-радиоактивные элементы можно объединить в четыре радиоактивных ряда, или радиоактивных семейства. Каждый из членов такого ряда получается из предыдущего элемента за счет а- или р-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 =4п, где и — целое число, то этот ряд называется рядом 4л. Соответственно для А = 4л+ 1, А = 4л+ 2, А = 4п+ 3 радиоактивные ряды называются рядом 4л+ 1, рядом 4л+2, рядом 4л+3. 430 Родоначальниками этих рядов являются следующие ядра: Ряд 4л ~ уРан '9г11, ряд 4л+1 -+ нептуний ~9зХР, ряд 4п+2 -+ уран ~ф0, Ряд 4п+3 -~ УРан щ0. 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 оии заканчиваются различными стабильными изотопами свинца аг РЬ, ~аг РЬ, ~аг РЬ. Приведем в качестве примера ряд 4л (рис. 7.8). Этот ряд называется рядом торна, хотя родоначальником его является уран гз61) 9г 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 дискреген. Энергия Т-квантов Е, испускаемых различными ядрами, лежит в диапазоне 10кэВ <Е,< 5 МэВ. Соответствующая длина 2. 10 13 < Х < 10 10 Отметим, что изол рвани " свободный он не может испустить или поглотить -квант как ом были бы на е- ны законы сох анения эн гии и и льса.
Это означает, что при испускании Т-излучения ядром у-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 р-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 н 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 из 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 Мессбаузра. Явление езонансного ис скания и погло ения -квантов ами атомов истаяла называ я э ек- Ео=Ет+УР„, р,+р„=О. (7.22) Отсюда находим, что энергия отдачи Ф„которая передается ядру при испускании Т-кванта, равна 2 2 рп рт а 2М 2М Е, где М„ — масса ядра. Так как р. = †, то с Е 2 )ӄ— 2М„~~ (7.23) Легко убедиться, что ббльшую часть энергии, выделяемой ядром при испускании у-излучения, уносит 7-квант. Действительно, Ет Ет 2 2М„с — — — 2Мас — >> 1, поскольку энергия покоя ядра Мас значительно превышает энергию Т-кванта Е . Поэтому в выражении (7.23) можно заме- 7' нить Е, на Ео..
433 ! 5 — Ю329 ~ М ~бадзры. Рассмотрим сначала процесс испускания и поглощения 1-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) Ф„.
Если разность энергий основного и возбужденного состояний ядра равна Ео, то из законов сохранения энергии и импульса следует, что (7.24) Именно это выражение и определяет энергию отдачи ядра при испускании Т-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 )У„, т. е. Е. = Ео+)Р„. Таким образом, линии испускания и поглощения 7-квантов ядрами (рис. 7.9) должны быть сдвинуты относительно друг друга по шкале энергии на величину ЛЕ = Еу Еу = 2)Ул.
(7.25) Ет Ет- Ео Ео Ня Ео Ее+На Е 434 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 я где т„— время жизни ядра в возбужденном состоянии.
Приведем оценки ширины линии излучения, испускаемого ядром, и энергии отдачи Ж„при испускании 7-квантов ядром изотопа железа Ре. Энергия перехода из возбужденного в основ- 57 нос состояние для этого я~~а составляет Ео =14,4 кэВ, время жизни т„=10 а с, естественная ширина линии Г = 10 а эВ. Согласно (7.24), энергия отдачи ядра изотопа железа, у которого Мяс =5,35 10 эВ,равна $У„=0,00193эВ.
Поскольку энергия отдачи $У„ значительно (на пять порядков) превышает естественную ширину спектральной линии Г, то условие (7.26) заведомо не выполняется. Аналогичные оценки можно получить и для других ядер. Это означает, что резонансное поглощение 7-квантов изолированными ядрами свободных атомов невозможно. Совсем иначе обстоит дело, если ядро принадлежит атому, находящемуся в узле кристаллической решетки. В этом случае существуег вероятность того, что импульс отдачи будет передан не испускающему 7-квант ядру, а всему кристаллу в целом. При этом энергию отдачи можно определить из выражения (7.24), в котором массу ядра М„нужно заменить на массу всего кристалла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
