Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 132
Текст из файла (страница 132)
Дискретный спектр а-частиц свидетельствует о том, что атомные ядра обладают дискретными энергетическими уровнями. Для а-распада характерна сильная зависимость между периодом полураспада Тых и энергией Е выле~ающих частиц. Эта взаимосвязь определяется эмпирическим законом Гейгера — Нэттола (1912) *, который обычно выражают в ви- » Д. Нэттол (1890 — 19о8) — английский физик; Х. Гейгер (1882 †19) — немецкий физик.
Г л а в а 32. Элементы физики атомного ядра де связи между пробегом )7, (расстоянием, проходимым частицей в веществе до ее полной остановки) сг-частиц в воздухе и постоянной радиоактивного распада )ы )п 8=А+В 1п )7„, (257.1) где А и  — эмпирические константы, й= =()п 2)/Тыь Согласно (257.1), чем меньше период полураспада радиоактивного элемента, тем больше пробег, а следовательно, н энергия испускаемых нм а-частиц.
Пробег а-частиц в воздухе (при нормальных условиях) составляет несколько сантиметров, в более плотных средах он гораздо меньше, составляя сотые доли миллиметра (а-частицы можно задержать обычным листом бумаги). Опыты Резерфорда по рассеянию а.частиц на ядрах урана показали, что а-частицы вплоть до энергии 8,8 МэВ испытывают на ядрах резерфордовское рассеяние, т. е. силы, действующие на а-частицы со стороны ядер, описываются законом Кулона. Подобный характер рассеяния а-частиц указывает на то, что они еше не вступают в область действия ядерных сил, т. е.
можно сделать вывод, что ядро окружено потенциальным барьером, высота которого не меньше 8,8 МэВ. С другой стороны, сг-частицы, испускаемые ураном, имеют энергию 4,2 МэВ. Следовательно, а-частицы вылетают из сг-радиоактивного ядра с энергией, заметно меньшей высоты потенциального барьера. Классическаи механика этот результат объяснить не могла. Объяснение и-распада дано квантовой механикой, согласно которой вылет гг-частицы из ядра возможен благодаря туннельному эффекту [см. $221) — проникновению а-частицы сквозь потенциальный барьер, Всегда имеется отличная от нуля вероятность того, что частица с энергией, меньшей высоты потенциального барьера, пройдет сквозь него, т.
е., действительно, из а-радиоактивного ядра и-частицы могут вылетать с экергией, меньшей высоты потенциального барьера. Этот эффект целиком обусловлен волновой природой а-частиц. Вероятность прохождения а-частицы сквозь потенциальный барьер определяет- ся его формой и вычисляется на основе уравнения Шредингера. В простейшем случае потенциального барьера с прямоугольными вертикальными стенками (см. рис.
298, а) коэффициент прозрачности, определяющий вероятность прохождения сквозь него, определяется рассмотренной ранее формулой (221.7): 0 =()~ехр — — 2т (У вЂ” Е)1 2 а Анализируя это выражение, видим, что коэффициент прозрачности 0 тем больше (следовательно, тем меньше период полураспада), чем меньший по высоте (У) и ширине (!) барьер находится на пути а-частицы. Кроме того, при одной и той же потенциальной кривой барьер иа пути частицы тем меньше, чем больше ее энергия Е. Таким образом качественно под. тверждается закон Гейгера — Нэттола (см. (257.1)), 5 258.
Р -Распад. Нейтрино Явление 8 -распада (в дальнейшем будет показано, что существует и йэ-распад) подчиняется правилу смешения (256.5) А а о Х,т,у+,е и связана с выбросам электрона. Пришлось преодолеть целый ряд трудностей с трактовкой 8 -распада. Во-первых, необходимо было обосновать происхождение электронов, выбрасы. ваемых в процессе 8 '-распада. Протоннонейтронвое строение ядра исключает воз. можность вылета электрона из ядра, поскольку в ядре электронов нет. Предположение же, что электроны вылетают не из ядра, а из электронной оболочки, несостоятельно, поскольку то~да должно было бы наблюдаться оптическое или рентгеновское излучение, что не подтверждают эксперименты.
Во-вторых, необходимо было объяснить непрерывность энергетического спектра испуснаемых электронов (типичная для всех изотопов кривая распределении -частиц по энерпгям приведена на риг. 343). Каким же образом р -активные ядра, обладающие до н после распада Ы~ 7:>.нм|нты физики атомного нара н элеменгарньа частиц Рис 343 вполне определенными энергиями, мокнут выбрасывать электроны со значениями энергии от нуля до некоторого максимального Е„,,„У Т. е. энергетический спектр нс. пускаемых электронна нвляется непрерывнымо Гипотеза о том, что при б -распаде электроны покидают ядро со строго определеннычи энергиямн, но в результате каких.то вторичных взаимодействий теряют ту или иную долю своей энергии, так что их первоначальный дискретный спектр превращается в непрерывный, была опровергнута прямыми калориметрическичи опытами.
Так как максимальная энергия Е„„„определяется разностью масс материнского и дочернего ядер, то распады, при которых энергия электрона Е( Е ,„, как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Вор даже пытался обосновать зто нарушение, высказывая предположение, что закон сохранения энергии носит статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить зто затруднение. В-третьих, необходимо было разобраться с несохранением спина при -распаде.
При () -распаде число нуклонов в ядре не изменяется (так как не изменяется массовое число А ), поэтом> не должен изменяться и спин ядра, который равен целому числу й при четном А и по луцелому 6 при нечетном А. Однако выброс электрона, имеющего спин й/2, должен изменить спин ядра на величину Ь/2. Последние два затруднения привели В.
Паули к гипотезе ()93!) о том, что при -распаде вместе с электроном нспускается еще одна нейтральная частица— нейтрино. Нейтрино имеет нулевой заряд, спин й/2 и нулевую (а скорее( )О 'т,! массу покоя; обозначается ~~э„. Впоследствии оказалось, что при ))' -распаде испускается не нейтрино, а антинейтрино (античастица по отношению к нейтрино; обозначается оч,).
оГипотеза о существовании нейтрино позволила Э. Ферми создать теорию -распада ()934), которая в основном сохранила свое значение и в настоящее время, хотя экспернменз алька существо- ванне нейтрино было доказано более чем через 20 лет ()956). Сталь длительные «иоискн» нейтрино сопряжены с большими трудноглямн, обусловленными отсутствием у нейтрино электрического заряда и массы. Нейтрино — единственная частица, не участвующая ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях; единственный вид взаимодействий, в кото.
ром может принимать участие нейтрино,— слабое взаимодействие. Поэтому прямое наблюдение нейтрино весьма затрудни. тельно Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится на 500 км пути. (!Роникающая же способность нейтрино столь огромна (пробег нейтрино с энергией ! МэВ в свинце составляет порядка )Оы м!), что затрудняет удержание этих частиц в приборах. Лля экспериментального выявления нейтрино (антинейтрино) применялся поэтому косвенный метод, основанный на точ, что в реакциях (в том числе и с >частием нейтрино) выполняется закон сохранения импульса.
Таким образом, нейтрино было обнаружено при изучении отдачи атомных идер при )> -распаде Если нри (! -Распаде ядра вместе с электроном выбрасывается и аитинейтрино, то векторная сумма трех импульсов — ядра отдачи, электрона и антинейтрино -- должна быть равна нулю. Это действительно подтвердилось на опыте. Непосредственное обнару. жение нейтрино стало возможным лишь значительно позднее, после появления Г л з в з Тй Эхочевти фиоиоо втомног, моро мощных реакторов, позволяющих получать интенсивные потони нейтрино.
Введение нейтрино (антинейтрино) позволило не только объяснить кажущееся несохранение спина, на и разобраться с вопросом непрерывности энергетического спектра выбрасываемых электронов. Сплошной спектр 8 -частиц обязан распределению энергии между электронами и антинейтрнна, причем сумма энергий обеих частиц равна Е ,„. В одних актах распада ббльшую энергию получает анти нейтрино, в других — электрон; в граничной точке кривой на рис.
343, где энергии электрона равна Е ,„, вся энергия распа. да уноситси электроном, а энергия анти- нейтрино равна нулю. Наконец, рассмотрим вопрос о происхождении электронов при 8 -распаде. Поскольку электрон не вылетает из ядра и не вырывается из оболочки атома, было сделано предположение, что 8-электрон рождается в результате процессов, происходящих внутри ядри. Так как при () -распаде число нуклаиов в ядре не изменяется, а 2 увеличивается на единицу (см, (255.5)), то единственной возможностью одновременного осуществления этих условий является превращение одного из нейтронов )) -активнога ядра в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрина; оп 1р+ ~~с+ото. (258 !) Этот процесс сопровождается выполнением законов сохранения электрических зарядов, импульса и массовых чисел.
Кроме того, данное превращение энергетически возможно, так как масса покоя нейтрона превышает массу атома водорода, т.е. протона и электрона вместе взятых. Данной разности в массах соответствует энергия, равная 0,782 МэВ. За счет этой энергии может происходить самопроизвольное превращение нейтрона в протон; энергия распределяется между электраном и антинейтрина. Если превращение нейтрона в протон энергетически выгодно и вообще возможно, то должен наблюдаться радиоактивный распад свободных нейтронов (т. е. нейтронов вне ядра), Обнаружение !4 Т И Трофимова этого явления было бы подтверждением изложенной теории й' -распада.
Действительно, в !950 г. в потоках нейтронов большой интенсивности, возникающих в ядерных реакторах, был обнаружен радиоактивный распад свободных нейтронов, происходящий по схеме (258.! ). Энергетический спектр возникающих при этом электронов соответствовал приведенному на рис. 343, а верхняя граница Е ,„ энергии электронов оказа.тась равной рассчитанной выше (0,782 МэВ). 4 2')й. Гамма-излуч~ иие и гга свойстиа Экспериментально установлена, чта у-излучение (см. 4 255) не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает и- и 8-распады и также возникает при ядерных реакцинх, при торможении заряженных частиц, их распаде и т. д. у-Спектр является линейчатым.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
