Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 116
Текст из файла (страница 116)
Этого еще не сделано, хотя множитель и оценивался и с другой точки зрения, отличной от той, которая была принята Гамовым. з 74) Бета-распад 467 В свете сделанного замечания не приходится удивляться, что сг-распады разделяются на облегченные и невблег генные. Облегченным называется сг-распад, для которого достаточно хорошо выполняется формула (73.8). Если же реальный период полураспада превышает рассчитанный по этой формуле более чем на порядок (наблюдаются отклонения примерно на два- три порядка), то процесс называется необлегченным (ср, с изложенным в п.2).
Причин возникновения необлегчснных распадов мы касаться не будем, поскольку этот вопрос выяснен еще недостаточно, хотя и имеются качественные соображения относительно указанных причин. Отметим только, что облегченные распады обычно происходят в четно-четных ядрах, а необлегченные— в нечетно-четных и нечетно-нечетных. 3 74. Бета-распад 1. Бета-распад есть самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро '~Х превращаегся в ядро-изобар лэ Х или л Х. Конечным результатом этого процесса является превращение в ядре нейтрона в протон или протона в нейтрон.
Можно сказать, что р'-распад есть не внутриядерный, а внутринуклоннаай процесс. При нем, следовательно, происходят более глубокие изменения вещества, чем при сг-превращении. Поэтому и его теория более сложна и разработана с меньшей полнотой, чем теория сг-распада. Различают три вида Б-распада: 1) элеьчпронный Д"-распад, в котором ядро испускает электрон, а потому зарядовое число У увеличивается на единицу; 2) поэитропный Д+-распад, в котором ядро испускает позитрон и по этой причине его зарядовое число уменьшается на единицу; 3) электронный захват (е-захват), в котором ядро поглощает один из электронов электронной оболочки, а потому зарядовое число уменьшается на единицу. Обычно электрон поглощается из К-слоя атома, поскольку этот слой ближе всего находится от ядра.
В этом случае е-захват называют также К-захватом. Электрон может поглощаться и из Ь- или М-слоя и т.д., но эти процессы значительно менее вероятны. Электронный захват имеет особенно существенное значение в случае тяжелых ядер, у которых К-слой расположен близко к ядру. Можно сказать, что в этом случае у электрона К-слоя имеется конечная вероятность находиться внутри ядра. Электронный захват всегда сопровождается рентгеновским излучением. Допустим, например, что был захвачен электрон из К-глоя. На освободившееся место в К-слое переходит электрон из Б-слоя. На освободившееся место в Ь-слое в свою очередь переходит электрон из М-слоя и т.
д. В результате возбуждается весь спектр характеристического рентгеновского излучения атома. По наблюдению такого спонтанного характеристического излучения и было открыто явление е-захвата. 2. СФормулируем условие энергетической возможности всех перечисленных процессов. В случае (э' -распада в конечном состоянии получается ядро, электрон и, возможно, какая-то одна или несколько [Гл.!Х Радиюиктивностпь 468 неизвестных частиц, которые при обычных условиях опыта ускользают от наблюдения. Но эти неизвестные частицы, если они действительно сущесгвуют, уносят определенную энергию. Поэтому для возможносги ф -распада энергия (масса) начального ядра во всяком случае должна превосходить сумму энергий (масс) конечного ядра и электрона: (74.1) М(Е, А) > М(У+ 1, А) + т„ где М означает массу ядра.
Однако в таблицах всегда приводятся не массы ядер М, а массы атомов М„,. Поэтому целесообразно выразить условие (74.1) через М„,. Для этого к обеим час гам неравенства (74Л) прибавим массу У электронов Ят,. Тогда получим М„(У, А) > М„,(Я+ 1, А) (Д -распад). (74.1а) Здесь мы пренебрегли различием энергий связи электронов в атомах. Это различие находится за пределами точности самых прецизионных измерений.
Смысл условия (74.1а) легко также уяснить из следующих соображений. Электронный Р' -распад есть процесс, происходящий внутри атома. Один из нейтронов ядра превращается в протон с рождением электрона. Электрон захватывается электронной оболочкой, а заряд ядра возрастает на единицу. В конечном состоянии возникает атом с зарядовым числом Я + 1.
Этот внутренний процесс может идти самопроизвольно только с уменьшением массы атома, что и выражает условие (74.1а). Аналогично, для )1'г-распада М(У, А) > М(Х вЂ” 1, А) + т„ (74.2) так как масса позитрона равна массе электрона. После прибавления Ет, к обеим частям неравенства получается М„(Я, А) > М„,(Я вЂ” 1, А) + 2т, (Дт-распад). (74.2а) Позигронный,З г-распад есть также процесс, происходящий внутри ядра атома.
В результате этого процесса один из протонов ядра превращается в нейтрон с рождением позитрона. Освобождается, кроме того, один электрон из электронной оболочки атома. В результате возникает система, состоящая из атома с чииюм электронов Š— 1, освободившихся электрона и позитрона (общей массой 2т,). Условие (74.2а) и выражает, что для возможности,д+-распада необходимо, чтобы масса атома в начальном состоянии превосходила суммарную массу образовавшейся системы. Наконец, в случае е-захвата в начальном состоянии имеются ядро (У, А) и электрон, а в конечном ядро (Я вЂ” 1, А) без электрона.
Поэтому энергетическое ушювие е-захвата записывается в виде М(У,А)+т, > М(Я вЂ” 1,А), (74.3) или после прибавления к обеим частям неравенства по Лт, (74.3а) М,(Я, А) > М, (У вЂ” 1, А) (е-захват). з 74) Бета-распад 469 Это условие также непосредственно очевидно, так как в начальном состоянии имеегся атом (Я, А), а в резулыате е-захвата в конечном состоянии возникает только атом (7 — 1, А) и больше ничего, что обычно доступно наблюдению. 3. Для некоторых ядер могут одновременно выполнягься ус ювия (74.1) и (74.2). Из второго из них следует, что будет выполняться и условие (74.3). В таком случае ядро (У, А) может испытывать все три вида Б-превращений.
Например, ядра ~за~Си в 40% случаев испускают электроны, в 20% позитроны, а в 40% случаев они испытывают езахват. Позитронный Д-распад и электронный захват в случае исходных ядер одного и того же сорта приводят к одинаковым окончательным состояниям. Поэтому эти два процесса часто идут одновременно, конкурируя друг с другом. Как уже ныяснено, условие (74.2а) позитронного распада вытекает из условия (74.3а) электронного захвата. Поэтому принято говорить, что электронный захват энергетически более выгоден, чем позитронный ф-распад. В частности, если Мат(Ф 1 '4) < Мат(Ф 4) < Мат(2! 1 4) + 2те или 0 < (М„(Я, А) — М„(тб — 1, А)) < 2т„ то электронный захват разрешен, а позитронный Д-распад запрещен.
Примером может служить ядро бериллия 4Ве. В этом случае В = 4, А = 7. По таблицам находим Лдат(4,7) — М,(3,7) = 0,8616 МэВ, тогда как 2те = 1,022 МэВ. Поэтому электронный захват наблюдается, а позитронный !3-распад невозможен. Если энергетически возможны оба конкурирующих процесса— Дт-распад и е-захват, — - то для легких н средних ядер обычно преобладает позитронный распад, который часто практически полностью подавляет е-захват. Это связано с тем, что при электронном захвате вероятность обнаружения электрона даже из К-слоя в об ьеме, занятом ядром, исчезающе мала по сравнению с вероятностью обнаружения его вне ядра.
Отношение этих вероятностей порядка (Л/га)', где Л— радиус ядра (10 — 10 ш см), а га — радиус К-слоя (10 в — 10 'в см), так что указанное отношение меняется в пределах 10 ш — 10 ь, При переходе к тяжелым ядрам 72 увеличивается, а гд уменьшается. Оба эти обстоятельства ведут к увеличению (й/га)з. Поэтому для тяжелых ядер, перегруженных протонами, обычно основным Д-процессом является электронный захват. Отметим попутно, что в мезоатомах, где электрон замешен отрицательным мкюном, масса которого примерно в 207 раз больше массы электрона (а следовательно, гв во столько же раз меньше), отношение (й( е а) э возрастает на семь порядков.
Поэтому в этом случае вероятность К-захвата (мюона) увеличивается примерно на семь порядков, и в тяжелых ядрах этот процесс становится более вероятным, чем распад мнюна, среднее нремя жизни которого 2,2. 10 ь с. 4. Масса нейтрона т„= 939,5731 МэВ несколько больше массы протона тр = 938,2796 МэВ. Разница масс составляет 1,2935 МэВ. [Гл. !Х Рвдиввктивностпь 470 Поэтому энергетически возможно самопроизвольное превращение свободного нейтрона в протон. Такое превращение действительно наблюдается — среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 16,3 мин, а период полураспада — 10,6 мин.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
