Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 63
Текст из файла (страница 63)
В качестве примера приведем схему а-распада ядра изотопа висмута, который протекает с образованием ядра таллия: 212 В1 208Т1 4И 83 1 81 2 В настоящее время известно более двухсот ядер, испытывающих а-распад. Большинство из этих ядер получается искусственным путем. а-частицы вылетают из ядер с очень большими скоростями (сп < 0,1с). Их кинетическая энергия Е„„равна нескольким мега- электрон-вольтам. Распространяясь в среде, а-частица теряет свою энергию на ионизацию молекул вещества. Пробег а-частицы, т. е.
расстояние, которое она проходит до полной остановки, зависит от плотности среды. Так, в воздухе при нормальном давлении ее пробег составляет несколько сантиметров, а в твердом теле примерно 10 см. Кинетическая энергия а-частицы образуется за счет превышения энергии покоя материнского ядра над суммой энергий покоя 422 дочернего ядра и а -частицы (см. выражение (7.13)). Этот иЯытпк эне г ме в отноше- Ра =Рд = Р. Кинетические энергии продуктов а-распада составляют 2 2 Рд Р Ед 2тд 2тд Рг г Еп =— Ра Р гт, г , Отсюда находим, что Еп тд Е т„ В силу того что масса дочернего ядра заметно превышает массу а-частицы, ббльшая часть избыточной энергии уносится а-частицей. Обычно при а-распаде образуется несколько моноэнергетических групп а-частил„незначительно отличающихся по энергиям (так называемая тонкая структура а-распада). Это объясняется тем, что 71оч нее о может о азовываться не только в основном возб денных соспжниях.
На рис. 7.5 пред- а, ставлена условная схема энергетических уровней материнского и дочернего ядер, на которой для простоты аа приведен только один возбужденный уровень дочернего ядра. Наиболее интенсивными явля- 7 ются группы а-частиц, связанные с образованием дочернего ядра в основном ао и в первом возбужРие. 7.5. К механизму возденном а1 состояниях. Так, в Рас ннкновения 7-излучения, сосмотренном выше примере а- провождающего а-Распял 423 нии о но опо .
Действительно, поскольку при а-распаде выполняется закон сохранения импульса, то импульсы а-частицы и дочернего ядра должны быть равны по модулю: распадависмута 83В1 доля частиц ао составляет 27%, а доля 212 . частицы а1 — 70% от общего числа всех а-частиц. Время жизни большинства ядер, находящихся в возбужденном состоянии, 10 7 ... 10 ~~с. За это время возбужденное дочернее ядро переходит в основное или в возбужденное состояние.
Избыток энергии при этом расходуется на непускание 7-квантов илн каких-либо других частиц — протонов, нейтронов и т. д. Основы теории а-распада были заложены в 1927 г. русским физиком Г.А. Гамовым и независимо от него американскими физиками Э. Кондовом и Р. Герни. В работах этих авторов была дана квантово-механическая трактовка а-распада, учитывающая волно- ЦК б 43, к ая ~б и силами лон кого отталк лам е ного (см. рис. 4.11). Поскольк вы о а ба ье а заметно в не ько аз ев а г а возможен тольк за с ег нел а. Теория а -распада, в основе которой лежит туннельный эффект, хорошо подтверждается результатами экспериментальных исследований.
Следует отметить, что радиоактивные ядра могут испускать и более крупные частицы, чем ядра гелия 2Не (а-частицы), напри- 4 мер ядра углерода 0С или ядра неона 10Хе. Такие распады бы- 14 лн экспериментально обнаружены в 1984 и 1985 гг. Возможные схемы распадов имеют вид 222 — 208РЬ+!4С 2331) — 209РЬ+ 24Х 88 а б 82 + б 92 + 82 + 10 В отличие а- оактивн эти кла те ной адиоак ив т .
Поскольку массы ядер углерода и неона заметно превышают массу а-частицы, то вероятность таких распадов (вероятность туннелирования столь массивных частиц) очень невелика. Действительно, вероятность вылета ядра 0С 14 примерно в 10 раз меньше вероятности вылета а-частицы. Для 1О ядра неона 10Ме это отношение достигает 10 раз. В дальней- 24 12 424 шем было обнаружено самопроизвольное непускание тяжелыми ядрами ядер магния, кремния и серы. Бета-распад.
р-распадом называется самопроизвольное превращение радиоактивного ядра иХ в ядро-изобар ~+1У или 2 1У, А А А В этом оцессе один нз не" онов а и ев ается в прщон нлн один нз стонов — в не" он. Таким образом, 13-распад является не внутриядерным, а внутринуклонным процессом. Ответственным за 13-распад является слабое взаимодействие нуклонов в ядре (см. 7.4). Существует трн вида 13-распада: электронный (13 -распад ), позитронный (13+-распад ) и электронный захват.
1. Электронный ф-распад (13 -распад). В этом случае материнское ядро 2Х испускает электрон, поэтому зарядовое число до- А чернего ядра 2+1У увеличивается на единицу. Электронный рраспад протекает по схеме ~Х вЂ” э ~+1У+ 1е+ч,. А А О При этом распаде наряду с дочерним ядром образуется электрон и электронное антинейтрино. Здесь мы приписали электрону зарядовое число 4 = — 1 и массовое число А= О, чтобы подчеркнуть сохранение электрического заряда и числа нуклонов в процессе распада. Примером электронного 13-распада может служить превращение у~парола '~~С в азот '7Х: 14 14 О ОС-1 7Х+ 1е+Ч,.
Из приведенной схемы распада видно, что массовые числа обоих ядер одинаковы, а зарядовое число дочернего ядра на единицу больше, чем у материнского. В основе электронного 13-распада, как уже отмечалось, лежит превращение в ядре нейтрона в протон: л-+р+е +О,. 425 у рл ~ -р с~л рд~~щ~ вольного превращения не" она в отон в омног а. Дочернее ядро, образующееся при ~3 -распаде, может находип ся в возбужденном состоянии. При переходе ядра в основное со- а- асп может со ово ться «Е ис сканием -квантов.
Как показывают экспериментальные исследования, электроны, образующиеся при ~3 -распаде, имеют широкий энергетический Епа спектр от нуля до максимального о Е значения Е (рис. 7.6). Величина ЙЧ, определяет число электронов, энергия которых заключена в Рве. 7.6. Энергетический спектР интервале от Е до Е+ (Е. Плоэлектронов при ~3 -распаде щадь под кривой (см. рис. 7.б) чис- ленно равна полному числу электронов, испускаемых радиоактивным препаратом в единицу времени. Энергия Е определяется разностью значений массы материнского ядра и массы продуктов распада — электрона и дочернего ядра (см.
выражение (7.12)) Е =~М„-(М„+т,)~с . Первоначально, до открытия нейтрино, казалось, что ~3 -распад протекает с нарушением закона сохранения энергии. Действительно, если бы материнское ядро распадалось только на дочернее ядро и электрон, то энергия электрона, согласно (7.12), не могла быть меньше Е . Для того чтобы объяснить "исчезновение" энергии (ЛЕ = Е, — Е)), В.
Паули в 1932 г. вы- двинул гипотезу, согласно которой при )3 -распаде испускается еще одна частица, которая и уносит энергию ЬЕ. Так как эта частица никак себя не проявляла, то следовало предположить, что она электронейтральна и обладает очень малой массой. Эта частица, 426 названная Э. Ферми нейтрино, что дословно означает "маленький нейтрон", была экспериментально обнаружена лишь в 1956 г. За проведение экспериментальных исследований по обнаружению нейтрино Ф. Райнес и К.
Коуэн в 1995 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. Установлено, что с ес онно мюонное ч ое ч и их античастицы. Тип не ино о е еляется за яженной части ей вместе с котоой не ино ождается и с кото . К -распдд со во ается ис ино 9 . Именно эта частица и приведена в записанных выше схемах распада. Вопрос о массе нейтрино рассмотрен в 7.4.
2. Позитронный ф-распад ф+-распад). В случае позитронного б-распада ядро испускает позитрон, в результате чего его зарядовое число е, уменьшается на единицу. Позитронный ~3-распад осуществляется по схеме А А О ~Х-+~ 1У+ ~е+ч,. В качестве примера приведем превращение азота 7Н в углерд ",С 1З 1З О 7Х вЂ” > 6С++,е+ч,. Позитронный р-распад сопровождается испусканием позитрона е+ и нейтрино ч„т. е.
тех частиц, которые представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при электронном р-распаде (е и 9,). В основе ~3+-распада, как уже отмечалось, лежит превращение в ядре протона в нейтрон: р-~н+е++ч,. Пи у 1 йр д д ддбдного протона такой оцесс нев зможен по эн гетическим сооб- дщдднд[ . р ю<7.1дд.од р ~,~ дед м ядре, может получать необходимую энергию от других нуклонов ядра. 427 3.
Электронный захват. Третий вид р-распада — электронный захват — представляет собой поглощение ядром одного из электронов электронной оболочки своего атома. Чаще всего поглощается электрон из К-оболочки, поэтому электронный захват называют еще К-захватом. Реже поглощаются электроны из 1 илн М-оболочек. В результате К-захвата происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон, сопровождающееся испусканием нейтрино: р+е — ь и+и,. Схема К-захвата имеет следующий вид: А О А хХ+ 1е-+ г-А+9 .
На освободившееся в результате К-захвата место в эле н- ной обо чке атома мо п ехо ь эле сны из вышележ их сл в ез ль ате чего возникает ентгеновс и ение. При исследовании этого излучения был открыт К-захват американским физиком Л. Альваресом в 1937 г. Примером электронного захвата может служить превращение калия 19К в аргон ИАг: 19 1~+ -1е + 18Аг+уе 40 О 40 Подводя итог описанию а- и 13-распадов, следует отметить, что а-распад наблюдается только у тяжелых ядер и некоторых ядер редкоземельных элементов. Напротив, ~3-активные ядра более многочисленны. Практически для каждого атомного номера У существуют нестабильные изотопы, обладающие р~-активностью. Энергия, выделяющаяся при 13-распаде, лежит в пределах от 0,0186 МэВ (1Н вЂ” э2Не) до 16МэВ ( 7Х-+ ОС).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
