Вихман Э. Квантовая физика (1185110), страница 32
Текст из файла (страница 32)
~~и::: Эти моды диссоциации также 9 показаны на правой части схе- Гу мы. сб Заметим, что изотоп ",В име- %9 ет систему уровней энергии, рас-,~9 положенных над энергией диссоциация, равной 8,667 МэВ. При с« меньших энергиях возбуждения ЯДРО НСГГ1СКаЕт ТОЛЬКО У-ИЗЛУ- «99У тйо+ „ чение, а при большей — также Я.г9Гх: 5 «~«тР и материальные частицы (на- '' блюдаемые в ",В у-переходы 959 9,. ЯЯЯ~~~ 9 59 М/2 эг' показаны вертикальными стрел- 99 ками).
999 И +с« 9,99гт Этот пример показывает, 599 что мы должны соблюдать осто- 951 рожность в интерпретации «непрерывного» спектра. Даже выше энергии диссоциации воз- 449 можиы уровни энергии. Если энергия возбуждения превьппает энергшо диссоциация, система может распасться на две 51атс- 9уб рпадьные частицы. Ниже энергии диссоциации система может «распасться» лишь на одну материальную частицу и у-квант. Будем считать у-квант материальной частицей; тогда можно считать, что уровни, лежащие вьппе энергии диссоциации (нх часто называют «виртуальными уровнями»), в принципе не отличаются от расположенных ниже уровней — все возбужденные уровни нестабильны. Заметим, что нестабильным может быть и основное состояние; вспомним основные состояния радиоактивных ядер.
В нашем примере основное состояние ядра ззВ стабильно — изотоп ",В найден в природном боре. 39. Мы отмечали, что два ядра образуют пару зеркальных ядер, если одно может быть получено из другого заменой всех нейтронов 1лТ на протоны и протонов на нейтроны. Как было сказано в п. 37 гл. 2, сильные взаимодействия (а именно они играют основную роль в строении ядра) инвариантны относительно такой замены. Если это верно н нет других взаимодействий, кроме сильных, то у двух зеркальных ядер должны быть идентичны системы уровней. На рис. 39А и 39В показаны экспериментально найденные системы уровней двух пар а,ХУ вЂ” —:::== — ~ко пай — — ===' бгут ,улза — — — — = -;,Лу" г,огт ==:.- — — г ут аЛ 44Е- ----.
„'„у 7туг71 7'7уо 4Ю- — --- -4рг l РгВ Р/4 — — -- .77о с74АУ 77ы ~1,1 "Яе дг г 773 Рис. авд. изотопы .»н» и бсриллия с массовмм числом 7 образуют пару зеркальных ядер. Если в ядре лития все нейтроны превратить в протоны, а протоны — н нейтроны, то мы получни ядро бериллая. У зеркальных ядер очень близкие, но нс идентичные схемы уровней. Различие уровней является следствием злеитромагннтаых взаимодег1ствнй Рис. Зв В. другой промер зеркальных ядер: ядра изотопа» бора в углерода с массовым числом 1! зеркальных ядер.
Мы видим, что, действительно, между уровнями пар имеются соответствия, хотя из тех же рисунков следует, что энергии соответствующих уровней не идентичны. Причина небольшого различия в энергии уровней заключается в существовании электростатических снл, которые не инвариантны относительно замены нейтрона протоном. 40. Схема уровней на рис. 40А объясняет, почему а-частицы, испущенные радиоактивными ядрами, не всегда имеют одну и ту же энергию. На рисунке показано превращение радиоактивного изотОПа ВИСМУта тзгаВ1 В ИЗОТОП таЛЛИЯ езозтТ1.
РаенаД ПРОИСХОДИТ ИЗ ОС- нооного состоягтия лтатгриггсгбого ядра ЯзтзВ1 в одно нз нескольких возбужденных илн в основное состояние дочернего ядра -"",,Т1. На схеме основное состояние материнского ядра расположено на 6,2 МэВ выше основного состояния дочернего; таким образом, 6,2 Мэ — это максимальная энергия, которая может быть унесена гх-частицей. Очевидно, что если распад происходит на одно из возбужденных состояний ",",Т1, то а-частица будет иметь меньшую энергию. При показанной на рис. 40А системе уровней бд-частицы будут испущены с любым нз -пяти возможных значений энергии. Соответствующие распады показаны наклонными линиями.
Цифры в скобках обозначают вероятность различных мод распада. 1йа Если после а-распада дочернее ядро остается в одном из возбужденных состояний, оно испускает у-кванты и, таким образом, достигает основного состояния. У многих других а-активных ядер распад всегда происходит в основное состояние дочернего ядра ввиду отсутствия доступных возбужденных состояний.
В этом случае все 55-частицы имеют одно-единственное значение энергии, и у-лучи, связанные с ~ бб-распадом, отсутствуют. 41. Под р-распадом понимают процесс, в котором ядро нспускаетэлектрон или по- . зитрон. Простейшим процессом такого рода является 13-распад нейтрона, который хорошо изучен экспериментально. Среднее время жизни свободного нейту рона равно 16 мин. Разность масс протона и нейтрона М„ — Мр=-!,3 МэВ, и схема уровней будет иметь Вид, показанный на рис. 41А.
Наклонной линией показан переход. Если бы при таком распаде испускался только электрон, он всегда имел бы одну и ту же энергию (равную 1,3МВВ), подобно ,гуЕЙПДГ5У г,у чую — и;— '; Д Упрг гмт1 ст Рис. 40А. При и-распаде изотопа висмута тзЭВ1 дочернее ядро зюн,ет оназзться либо в основ- ав иом, либо подлом нз четырех возбужденных состояний. Соотнетсюгепно и-частицы имеют пять различных значений эяергин. да~гриве ядра персходяг в основное состояние, ис- пуская у.ггэанты Рис.
41А. Схема уровней, изобрамаююая 5-распад иеятрона. Масса яейтрона ранна 939,55МэВ, а масса протона — 935,25МэВ. Разность масс нейтрона и протона равна 1,3 Мэв. 1аст э и р зно ю. и ни 0,5МэВ, вя и с сс й ск рона. о«ыток переходят в княетическую энергию электрона, антвнейтри«о и протона, ьозннкаютцвх прн распаде нейтрона. Кинетическая энерг я ротон о ень.,ла, н почюг вся асвободинюаяся при распаде энергия делятся мслгду электроном и антнвейтрийо тому как это происходит в 55-распаде. Опыт показывает, однако, что электрон может быть испущен с любой энергией в пределах от О,б МВВ до полной энергии 1,3 МВВ, доступной при распаде. Дело в том, что при распаде одновременно с электроном появляется другая частица, в данном случае антинейтрино. Эта частица не имеет массы покоя. Энергия распада, равная 1,3 МэВ, распределяется между этими двумя частицами — электроном и антинейтрино. !29 Реакции р-распада записываотся следующим образом: 2Х', 'у,лтХ+е +р (электронный распад), 2Х вЂ” Г ЛХ 4-Ег-(-р (ПОЗИГрзинмй раенад).
уулуу ный уровень изотопа никеля,",%, который на 2,4 МэВ выше основного состояния. Максидральная кинетическая энергия электронов равна 0,3 МэВ, по электрон может быть испущен с люоой кинетической энергией, лежащей между нулем и этим пределом. Реакция для) этой части процесса имеет вид ееСЭ ав*(ч1 Звездочка означает, что изотоп никеля возникает в возбужденном состоянии. Из этого состояния происходят (практически немедленно) два последовательных перехода — в другое возбужденное состояние, отстоящее на 1,3 МэВ от основного, и из бдят последнего в основное состояние, Таким образом, ))-распад,",Со всегда сопровождается появлением двух уквантов с энергиями 1,1 и 1,3 МэВ. Период полураспада ядра кобальта равен 5,3 года.
Следующий за ()-распадом каскадный процесс делает "эСо удобным долгоживущим источником у-квантов. ()-активные ядра, подобно тх-активным, часто имеют очень большие периоды полураспада. В случае ~)-распада причиной является чрезвычайная слабость взаимодействия, ответственного за распад. Соответствующее взаимодействие так и называется слабым взаимодействием.
По грубой оценке, оно в 10" раз слабее сильных взаимодействий и значительно слабее электромагнитного. Слабое взаимодействие служит причиной (относительно медленного) распада многих элементарных частиц. В качестве примеров таких распадов назовем распад заряженных пионов, нейтрона, мюона, К-мезонов и лямбда-гиперона. Рвс. 42Д. Стена урознзз, нззбрзмашзззая В -у-каскад, Э испускаемые нзотопом кобальта аеео Этот изотоп вт ' сперва н результате (З-распада переходьт н возбу кденное состояние изотопа никеля ЗИЬ которое выше основного нв 2,4 Мзк.
Максинаэьиая кннетняеская энергия электроне равна О,З Мэв. Возбумденное со стояние изотопа никеля «вы зеяява атея» последовательным испусканн см двух у.квантов 130 Здесь Х вЂ” химический символ радиоактивного изотопа; б — электрон или позитрон; р — нейтрино, появляю:цееся всегда в паре с позитроном; р — антинейтрино, парное электрону, 42. Схема уровней на рис. 42А изображает ~ — у-каскад, источ44икои которого является изотоп кобальта .,",Со.
Этот изотоп вначале испытывает (1-распад на возбужден- Расширение спектральных линий вследствие доплер-эффекта и столкновений 43. В начале этой главы мы рассмотрели связь между естественной шириной Лы спектральной линии атома и средним временем жизни т состояний, участвующих в переходе.
В частном случае, когда нижним уровнем энергии является основное состояние, мы нашли, что Ла=!~'т, (43а) где т — среднее время жизни возбужденного состояния. В п. 26 мы привели типичные значения т для атомов и получили оценку относительной ширины линии: Лы,'ю-10 '. Разумеется, это лишь грубая оценка порядка величины. Наблюдаемые на опыте ширины спектральных линий, как правило, значительно больше приведенной оценки. Теория, изложенная в п. 14 — 2б, относилась к изолированнолр и первоначально покоящемуся атому. Реальные атомы ие изолированы и не находятся в покое.
Чтобы понять причину дополнительного расширения, рассмотрим исцускание света атомным газом, находящимся при температуре Т и давлении р. Обозначим через Л относительную атомную массу атомов. Атомы газа движутся случайным образом н сталкиваются друг с другом. 44. Тепловое движение приводит к тому, что у части атомов возникает составляющая скорости, направленная к наблюдателю, а у другой части составляющая имеет противоположное направление. В результате спектральная линия, являющаяся суперпозицией линий, испускаемых многими атомами, расширяется вследствие донлер-эффекта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
