Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Период полураспада 13-активных ядер меняется от 10 с (для 4Ве) до 4.10 лет (для ззйе). 428 Спонтанное деление тяжелых ядер. Самопроизвольное деление тяжелых ядер было впервые обнаружено советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком в 1940 г. у ядер урана. Оно осуществляется по схеме 288и- '89Ке+9ббг+3'и 92 + 54 +38 + Оп' о Ы Ядро в состоянии, прелшествуюшем делению Осколки деления в нормальном состоянии Рис. 7.7. Спонтанное деление тяжелого ядра: а — схема деления; б — потенциальный барьер деления 429 т, е. ядро урана распадается на ядра ксенона и стронция с испусканием трех нейтронов. Спонтанное деление, так же как и а-распад, происходит за счет туннельного эффекта. Пользуясь капельной моделью ядра, т.
е. считая, что ядро подобно капле жидкости, можно выделить стадии, которые проходит ядро в процессе деления (рис. 7.7, а). Соответствующий вид потенциальной энергии ядра У для различных деформаций ядра г представлен на рнс. 7.7, б. Как и при всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильно (по экспоненциапьному закону) зависит от высоты барьера деления ЛУ (см. формулу (4.53)). Для изотопов урана и соседних с ним элементов высота барьера деления составляет ЛУ =6 МэВ.
Спонтанное деление является основным каналом распада сверх- тяжелых ядер. Осколки деления ядер урана 0 и плутония Ри асимметричны по массе. С ростом массового числа распадающегося ядра осколки деления становятся более симметричными. Протонная радиоактивность. При протонной радиоактивности ядро испытывает превращения, испуская прн этом один или два протона. Протонная радиоактивность впервые была обнаружена в 1963 г.
группой советских физиков под руководством Г.Н. Флерова. Протонная радиоактивность возможна лишь у небольшого числа искусственно получаемых легких ядер, которые характеризуются относительно короткими временами жизни и большим избытком протонов. Однако при проведении эксперимента протонную радиоактивность очень трудно обнаружить из-за сильного фона конкурирующих а- и ~3+ -распадов, приводящих к образова- нию изотопов таких же химических элементов. Радиоактивные ряды. Как уже отмечалось, ядра, возникающие в результате радиоактивных превращений, могут сами оказаться радиоактивными.
Они распадаются со скоростью, которая характеризуется их постоянной распада. Новые продукты распада, в свою очередь, могут быть радиоактивными и т. д. В итоге возникает целый ряд радиоактивных превращений. Все а- и р-радиоактивные элементы можно объединить в четыре радиоактивных ряда, нли радиоактивных семейства.
Каждый из членов такого ряда получается из предыдущего элемента за счет а- или р-распадов. Каждый ряд имеет своего родоначальника— ядро с наибольшим периодом полураспада. Внутри ряда массовые числа ядер А могут либо быть одинаковыми (при р-распаде), либо отличаться на число, кратное четырем (прн а-распаде). Если для всех членов ряда А = 4л, где л — целое число, то этот ряд называетсярядом 4л. Соответственнодля А=4п+1, А=4л+2, А = 4л+ 3 радиоактивные ряды называются рядом 4л+ 1, рядом 4л+2, рядом 4п+3. 430 Родоначальниками этих рядов являются следующие ядра: Ряд 4п -+ уран дг(), ряд 4п+1 -к нептуний ~9зХр, ряд 4и+2 ~ уран ~ф1, Ряд 4и+3 — к уран о2(). Ряд 4и+1 — ряд нептуния — состоит из изотопов, не встречающихся в природе, а получающихся искусственным путем (искусственная радиоактивность).
Остальные три ряда обусловлены естественной радиоактивностью. Все они заканчиваются различными стабильными изотопами свинца ~а2~РЬ, ~фРЬ, ~ЯРЬ. Приведем в качестве примера ряд 4и (рнс. 7.8). Этот ряд называется рядом торна, хотя родоначальником его является уран 236(1 92 Рис.
7.8. Радиоактивный ряд 4п (рял торна) 431 Гамма-излучение ядер. Это излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое ядрами при переходе из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Поскольку ядро является квантовой системой с дискретным набором энергетических уровней (см. задачу 4.5), то и спектр Т-излучения также дискретен. Энергия Т-квантов Е., испускаемых различными ядрамн, лежит в диапазоне 10 кэВ < Е < 5 МзВ. Соответствующая длина волны Т-излучения составляет 2 10 13 <1<10 10 Отметим, что из л рвани й свободный он не может исстить нли поглотить -квант а как ом были бы н е- ны законы сох анения эне гни и им льса.
Это означает, что при испускании Т-излучения ядром у-квант обменивается импульсом не с одним, а с несколькими нуклонами. Таким образом, непускание у-излучения является внутриядерным процессом. Как уже отмечалось, Т-излучение сопровождает а- и р-распады ядер. Это происходит в тех случаях, когда распад с переходом материнского ядра в основное состояние дочернего ядра либо маловероятен, либо запрещен правилами отбора. Среднее время жизни ядра в возбужденном состоянии различно для разных ядер и обычно находится в пределах 10 с~ ь т„< 10 с. За это время ядро переходит на более низкий энергетический уровень, испуская при этом у-излучение.
Возможен и другой канал перехода ядра в состояние с меньшей энергией — передача избытка энергии непосредственно одному нз атомных электронов. Такой процесс называется внутренней конверсией электронов, а сами электроны — электронами внутренней конверсии (конверсионными электронами). Конверсионный электрон (обычно зто электрон К- или Т оболочки), получив энергию от ядра, вырывается из атома, поскольку энергия, передаваемая ему ядром, как правило, заметно превышает энергию связи электронов в атоме. На освободившееся место переходит один из электронов с вышележащих оболочек. Такой процесс сопровождается испусканием рентгеновского излучения.
Эффект Меесбауэра. Явление езонаисного ис скания и легло ения -квантов ами атомов исталла называ э ек- Ео=Е7+)Р„, Р„+Рл =О. (7.22) ОтСЮДа НаХОДИМ, ЧтО ЭНЕРГИЯ ОтДаЧИ бул, КОтОРаЯ ПЕРЕДаЕтСЯ ЯДРУ при испускании 7-кванта, равна 2 2 ~л рл рт 2Мл 2мл Е, где Мл — массаядра.Таккак р = —, то с Е 2 л 2Млс (7.23) Легко убедиться, что ббльшую часть энергии, выделяемой ядром при испускании 7-излучения, уносит 7-квант.
Действительно, Е7 Е7 2 2Млс 2 — — — 2млс — » 1, поскольку энергия покоя ядра Млс значительно превышает энергию 7-кванта Е . Поэтому в выражении (7.23) можно заме- 7' нить Е на Ео. 433 м Мб~ллярб~В. Рассмотрим сначала процесс испускания и поглощения 7-кванта свободным ядром. Пусть покоящееся ядро, переходя из возбужденного состояния в основное, испускает 7-квант с энергией Е. и импульсом р . В результате ядро приобретает импульс отдачи рл и кинетическую энергию (энергию отдачи) )тл. Если разность энергий основного и возбужденного состояний ядра равна Ео, то из законов сохранения энергии и импульса следует, что )у„= Ео,.
2М„с (7.24) Именно это выражение и определяет энергию отдачи ядра при испускании у-кванта. Рассмотрим теперь процесс поглощения 7-кванта ядром. Ядро, поглощая Т-квант, получает импульс отдачи и энергию отдачи, которая также определяется выражением (7.24). Чтобы сообщить ядру энергию Ео, необходимую для перевода его из основного состояния в возбужденное, энергия налетающего 7-кванта Е. 'должна превысить энергию перехода Ео на Ф„, т. е. Е =Ее~У„.
Таким образом, линии испускания и поглощения 7-квантов ядрами (рис. 7.9) должны быть сдвинуты относительно друг друга по шкале энергии на величину Е7 Е7 21га' (7.25) Ет Ет — ~ Ео Ео Ео — ~„' Ео Ео+ В'„ 434 Рнс. 7.9. Линии испускания и поглощения ядрами 7-излучения Поскольку 7-излучение, испускаемое ядрами, имеет энергетическую линию конечной ширины Г, то, для того чтобы можно было наблюдать в эксперименте резонансное поглощение у-квантов, т. е. поглощение ядром 7- излучения, энергия которого точно равна энергии перехода Ео, необходимо, чтобы линии испускания и поглощения перекрывались. Это означает, что должно выполняться соотношение (7.26) В рассматриваемом случае изолированного ядра ширина Г линии излучения является естественной шириной, задаваемой соотношением неопределенностей (2.22) Ь Г= —, я где т„— время жизни ядра в возбужденном состоянии. Приведем оценки ширины линии излучения, испускаемого ядром, и энергии отдачи )т'„при испускании 7-квантов ядром изотопа железа Ре.
Энергия перехода из возбужденного в основ- 57 ное состояние для этого ядра составляет Ео — — 14,4 кэВ, время жизни т„=10 с, естественная ширина линии Г = 10 эВ. Согласно (7.24), энергия отдачи ядра изотопа железа, у которого М„с =5,35 10 эВ, равна й'„=0,00193 эВ. Поскольку энергия отдачи Ф„ значительно (на пять порядков) превышает естественную ширину спектральной линии Г, то условие (7.26) заведомо не выполняется. Аналогичные оценки можно получить и для других ядер. Это означает, что резонансное поглощение 7-квантов изолированными ядрами свободных атомов невозможно. Совсем иначе обстоит дело, если ядро принадлежит атому, находящемуся в узле кристаллической решетки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
