Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Еше один тип корреляций обычно называют кластеризацией. Он состоит в том, что а ядрах систематически на мгновение возникают квазичастицы — «почти дейтроны», «почти альфа-частицы» и т.д. Зги живущие очень малые промежутки времени нуклонные структуры, конечно, отличны от реальных дейтронов и альфа- частиц, но в то же время относительно близки к ним по основным чертам своего строения. Обычно их называют кластерами.
В настоящее время нет никаких сомнений в реальном существовании кластерных явлений в ядрах. Еше одной своеобразной особенностью ядер является присутствие в них, опять-таки в течение очень малых времен, других адронов — пионов, р-мезонов, Ь-резонансов и других возбужденных состояний нуклонов. Присутствие пионной компоненты в ядрах устанавливается по дополнительному взаимодействию с ними гамма-квантов. В заключение можно сказать, что в целом ядерная материи есть новое, не встречающееся в обычном, окружающем нас мире состояние вещества, которое в полной мере начинает играть свою выдающуюся роль в нейтронных звездах.
Относительно легкие ядра, т.е. ядра, о которых нельзя говорить как о «куске» бесконечной ядерной материи, следует рассматривать как систему фермиевских частиц, с особым, ядерным взаимодействием между ее составляющими. Глава 7 Радиоактивность 4 1. Введение Радиоактивный распад возможен тогла, когда он энергетически вьы годен, т.
е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы М исходного ядра суммы масс гп, продуктов распада, т.е. неравенство М > ~ т;. Это условие является необходимым, 1 но не всегда достаточным. Распад может быть запрещен другими законами сохранения — сохранения момента количества движения, электрического заряда, барнонного заряда и т.д. Радиоактивный распад характеризуется временем жизни радиоактивного изотопа, типом испускаемых частиц, их энергиями, а при вылете из ядра нескольких частиц еще и относительными углами между направлениями вылета частиц.
Иногда изучаются, например, ориентации спинов конечных ядер, а также вылетающих частиц. Основными видами радиоактивного распада являются: ° а-распад — испускание ядрами а-частиц, ° р-распад — непускание (или поглощение) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино, ° 7-распад — непускание Г-квантов, ° спонтанное деление — распял ядра на два осколка сравнимой массы. К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух протонов, а также испускание кластеров— легких ядер от '~С до ~'3. Во всех видах радиоактивности (кроме гамма- радиоактивности) изменяется состав ядра — число протонов Я, массовое число А или и то и другое. На характеристики радиоактивного распада оказывают существенное влияние взаимодействия, вызывающие распад, Альфа-распад вызывается сильным взаимодействием.
Бета-распад вызывается слабым взаимодей- ствием, а гамма-распад — электромагнитным. Существуют различные причины, в силу которых времена жизни нестабильных ялер могут изменяться на несколько порядков: А. Испускание тяжелых положительно заряженных частиц сильно подавляется потенциальным (кулоновским) барьером. 340 Глава 7.
Радиоактивность Б. Причиной больших времен жизни радиоактивных ядер может быть малая интенсивность взаимодействия, за счет которого происходит распад. В. Время жизни радиоактивного ядра сильно зависит от энергии, выделяющейся при распаде. Если эта энергия мала, то время жизни резко возрастает.
Особенно резкой зависимостью от энергии распада «„1 характеризуется слабое взаимодействие: тд 1/ь)з. Г Время жизни ралиоактивного ядра сильно зависит и от разности значений спинов исходного и конечного ядер. ф 2. Альфа-распад (А, Я) (А — 4, Я вЂ” 2) +,Не. (7.1) Перечислим характерные эмпирические особенности а-распада: 18(7'Ш), с гО А. а-распад происходит только на тяжелых ядрах с Я > 60. Б. Периоды полураспада известных а-радиоактивных ядер варьируются в широких пределах. Так, изотоп вольфРама 'т~«% имеет 10д ) 8,3 к 10м лет, а изотоп протактиния ззбзбра имеет 10з = 5,3 .
10 ~ с. Лля четно-четных изотопов зависимость периода полураспада от энергии а-распада ф, хорошо описывается эмпирическим законом Гейгера— Оетта«а !Π— 1О 4 5 6 7 8 е«ьб Рис. 7.1. ЛогариФмы периодов полу- распада а-радиоактивных четио-чет- ных ядер в зависимости от 8« «/ Д В 181буз = А+ —, (7.2) ,/о ' где А и  — константы, слабо зависящие от Я. С учетом заряда конечно- го ядра о связь между периолом полураспада 10з и энергией а-распада может быть представлена в виде оь,« 181гд = 9,54 — 51,37, хб бее (7.3) Явление а-распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают сг-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер — на две: ~ 2. Альфа-распад 341 В, Большинство вылетающих а-частиц имеет энергии Е, = 2-9 МэВ. Испускаемые а-частицы, как правило, имеют определенные энергии, характерные для кшкдого ядра.
В ряде случаев спектр вылетающих а-частиц имеет тонкую структуру, т. е. состоит из нескольких близких друг к другу по энергии групп а-частиц (см., например, рис, 7.2). Тонкая структура а-спектров связана с образованием конечного ялра не только в основном, но и в возбухгденных состояниях, т.е. а-спектры несут информацию об уровнях ядер. Для того чтобы происходил а-распад, необходимо, чтобы масса исходного ядра М(А, Я) была больше суммы масс конечного ядра М(А — 4, У вЂ” 2) и а-частицы пз,: М(А, Я) ) М(А — 4, Я вЂ” 2) + гп . (7.4) Энергия а -распада Я = '(М(А, Я) — М(А — 4, Я вЂ” 2) — т )с', Так как пзь ч.
М, основная часть энергии а-распада уносится а-частицей и лишь 2% — конечным ядром. (7.5) рц 5/2' 1/2' 7/2 5.15 5.20 5.10 Рвс.72. Энергетический спектр а-частиц, испускаемых пгвв, я схема соответствующих а-переходов тле периол полураспада /~/з выражен в секундах, а /;>ь — в МэВ. На рис. 7.1 показаны экспериментальные значения периодов полураспада для а-радиоактивных четно-четных ядер (В изменяется от 74 по 106) и их описание с помощью соотношения (7.3). Для нечетно-четных, четно-нечетных и нечетно-нечетных ядер общая тенденция сохраняется, но периоды полураспада в 2 — 1000 раз больше, чем для четно-четных ялер с теми же Я н Щ,. 342 Глава 7. Радиоокгляаяосгль д 7 Б 5 Ф д г 0 -/ -е -г ДД Ю /Ж Ю IЮ Ю ЛР Лт ГЕГ7 Д Ряс.
7.3. Зависямость энергии а-распала от массового числа А Для точного определения области значений А и Я ядер, для которых энергетически возможен а-распад, надо воспользоваться экспериментальными данными об энергиях связи. Зависимость энергии а-распада от массового числа А показана на рис. 7.3. Из этого рисунка видно, что а-распад становится возможным, начиная с А 140.
В областях А = 140-150 и А 2!О величина Я имеет отчетливые максимумы, которые объясняются в оболочечной модели ядра. Максимум при А = 140 — 150 связан с заполнением нейтронной оболочки с магическим числом Ж = А — Я = 82, а максимум при А 210 связан с заполнением протонной оболочки при Я = 82. Именно за счет такою оболочечного эффекта первая (редкоземельная) область а-активных ядер начинается с АГ = 84 = 82+ 2, а тяжелые а-радиоактивные ядра становятся особенно многочисленными, начиная с Я = 84.
Оболочечный эффект в а-распаде ярко проявляется в зависимости энергии а-частиц Е„от числа нейтронов Ю в исходном ядре (рис.7.4). Пик при Ф = 128 отвечает наиболее благоприятному (с точки зрения энергии) для а-распада случаю, когда образуется конечное сильно связанное магическое ядро. Альфа-частица, находяшаяся в ядре, окруженном потенциальным барьером, может выйти из ядра даже в том случае, если ее энергия меньше высоты потенциального барьера.
Это совершенно невозможное явление с точки зрения классической физики объясняется в квантовой физике. Пусть внутри ядра радиуса 22 двигается «готовая» а-частица. В те моменты, когда она оказывается на поверхности ядра, она имеет возможность покинуть его с вероятностью Р. Рассмотрим потенциал У(г), в котором движется а-частица (рис.
7.5). За пределами ядра (г > 22) — это положительный потенциал кулоновского 0 2. Адьфа-раслад 343 Е„, МзВ 10 4 ! 20 130 140 150 Число нейтронов, Ф Рве. 7.4. Энергии а-частиц в зависимости ст числа нейтронов ЛГ в исходном ялре. Линии соединяют изотопы одного и того же злемента Ряс.7.5. Потенцнад, в котором находится а-частица 2(Я вЂ” 2)ет Ъ'(г) = т 1' «4 22, (7.6) отталкивания.
На границе ядра вступает в игру мощное притяжение, обусловленное ядерными силами, и потенциальная кривая резко уходит вниз. Образуется потенциальный барьер. Потенциал внутри ядра (г ( зх) отрицателен, и его можно считать примерно постоянным. Итак, Глава 7. Радиоактивность Максимальная высота кулоноаского барьера Зг„„," » Е„. Действительно, Е, 2-9 МэВ. В то же время, например, для звззаз3 $'„з.„" = — в 35 МэВ. 2(Я вЂ” 2)е' Рассчитаем вероятность а-частице пройти сквозь такой барьер. Для этого необходимо решить стационарное уравнение Шредингера для ча- стицы в центральном потенциале зг(г): Йзр(г) = ~Е»+ )г(г))гр(г) = Е»~)Я, (7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
