physics_saveliev_3 (535941), страница 72
Текст из файла (страница 72)
Может случиться, что возникающие в результате радиоактивного превращения ядра в свою очередь окажутся радиоактивными и будут распадаться со ско; ростью, характеризуемой постоянной распада.л'. Новые продукты распада могут также оказаться радиоактивными, и т. д. В результате возникнет целый ряд радиоактивных превращений. В природе существуют три радиоактивных ряда (илн семейства), родоначальниками которых являются ()"о (ряд урана), ТЬООО (ряд тория) и !)оло (ряд актиноурана). Конечными продуктами во всех трех случаях служат изотопы свинца — в первом случае РЬООО, во втором РЬооо и; наконец, в третьем РЬОО!.
Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. французским ученым А. Беккерелем. Большой вклад в изучение радиоактивных веществ внесли Пьер !5 И. В. Савельев, е. !П 449 откуда получается закон радиоактивного превращения: й( = й(ое-хе, (90.2) Кюри н Мария Склодовская-Кюри. Было обнаружено, что радиоактивное вещество является источником трех видов излучения. Одно из них под действием магнитного поля отклоняется в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положительно заряженных частиц; оно получило название я-л уче й. Второе, названное й-л у ч а и и, отклоняется магнитным полем в противоположную сторону, т. е.
так, как отклонялся бы поток отрицательно заряженных частиц. Наконец, третье излу-чение, никак не реагирующее на действие магнитного поля, было названо у-луча ми. Впоследствии выяснилось, что у-лучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны (от 10 'Л до 1Л). Альфа-распад. Альфа-лучи представляют собой поток ядер гелия еНе', Распад протекает по следующей схеме: хХ вЂ” х гу +зНе. (90.4) Буквой Х обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой У вЂ” химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа-распад обычно сопровождается возникновением у-лучей. Как видно из схемы, атомный номер дочернего вещества на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного вещества.
Примером может служить распад изотопа урана (Р", протекающий с образованием 'тория: Б~м юТУ~'+ Нез Скорости, с которыми и-частицы (т. е. ядра гНе') вылетают из распавшегося ядра, очень велики ( 10э см/сек; кинетическая энергия порядка нескольких л4зв). Пролетая через вещество, а-частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионнзацню молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эв. Таким образом, а-частица образует на своем пути примерно 1Ох пар ионов. Естественно, что чем больше плотность вещества, тем меньше пробег а-частиц до остановки. Так, в воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров, в твердом веществе пробег достигает всего нескольких десятков микрон (а-частицы полностью задерживаются обычным листом бумаги). чбв ЮЛР 7777- г7"нг51™ Е, Мзл гг л77 5снж Рис. 252.
а-частиц близкой, но различной энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, но н в возбужденных состояниях. На рис. 252 приведена схема, поясняющая возникновение различных групп а-частиц (возннкновение тонкой структуры а-спектра), испускаемых при распаде ядра ззВгтгв (его называют торием С). В левой колонке показана схема энергетических уровней дочернего ядра згТ!ззз (его называют торием С"). Энергия основного состояния принята за нуль. Избыток энергии покоя материнского ядра над энергией покоя гх-частицы и дочернего ядра ') При скоростях, с ноторыми вылетают а-чвстицы (порядке 0,05 с), можно пользоваться клвссическими вырзжениялги лля' импульсе и кинетической знергин чвстнцы.
!5» 451 Кинетическая энергия сс.частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и а.частицы. Эта избыточная энергия распределяется между сс-частицей н дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их лгассам '). Энергии (скоростн) а-частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, оказываются строго определенными. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп в нормальном состоянии составляет 6,203 Мэв. Если дочернее ядро возникает в невозбужденном состоянии, вся эта энергия выделяется в виде кинетической энергии, причем на долю а-частицы приходится л 6 203 з)з 6 086 Мза (эта группа частиц обозначена на схеме через сто).
Если же дочернее ядро возникает в пятом возбужденном состоянии, энергия которого на 0,617 Мзв превышает энергию нормального состояния, то выделившаяся кинетическая энергия составит 6,203 — 0,617 = 5,586 Мзв и на долю а-частицы достанется 5,481 Мэв (группа частиц ссз). Относительное количество частиц равно — 27/о для ае, 70о/з для а~ и всего лишь 0,01'/о для аз. Относительные количества аз, из н ссь также очень малы (порядка 0,1 — ! е/о).
Время жизни т возбужденных состояний для большинства ядер лежит в пределах от 1О ' до 1О" сел'). За время, равное в среднем т, дочернее ядро переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние, испуская у-фотон. На рис. 252 показано возникновение у-фотонов шести различных энергий. Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и другими способами.
Возбужденное ядро может испустить какую-либо частицу: протон, нейтрон, электрон или а-частицу. Наконец, образовавшееся в результате а-распада возбужденное ядра может отдать избыток энергии непосредственно (без предварительного испускания у-кванта) одному из электронов К-, А- нли даже М-слоя атома, в результате чего электрон вылетает из атома. Этот процесс носит название внутренн е й к о н в е р с и и. Образовавшееся в результате вылета электрона вакантное место будет заполняться электронами с вышележащих энергетических уровней.
Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей. Подобно тому как фотон не существует в готовом виде в недрах атома и возникает лишь в момент излучения, а-частица также возникает в момент радиоак- ') В некоторьж случаях оно может оказаться очень большим (ло нескольких лет). Уровни с такам временем жнзнн называются нзомернымн, а возбужденное ядро — нзомером. 452 тивного распада ядра. Покидая ядро, сс'частице приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого больше, чем полная энергия х-частицы, равная в среднем 6 Мэв (рис. 253). Внешняя, спадающая асимптотически к нулю сторона барьера обусловлена кулоновским отталкиванием а-частицы и дочернего ядра. Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными силами.
Опыты по рассеянию а-частиц тяжелыми и-радиоактивными ядрами показали, что высота барьера заметно превышает энергию вылетающих при распаде Рис. 253. а-частиц. По классическим представлениям преодоление частицей потенциального барьера при указанных условиях невозможно. Однако согласно квантовой механике имеется отличная от нуля вероятность того, что частица просочится через барьер, как бы пройдя по туннелю, имеющемуся в барьере.
Это явление, называемое туннельным эффектом, было нами рассмотрено в 9 68. Теория а-распада, основывающаяся на представлении о туннельном эффекте, приводит к результатам, хорошо согласующимся с данными опыта. Бета-распад. Существуют три разновидности р-распада. В Ьдном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом — позитрон, в третьем случае, называемом К-захватом (или электронным захватом), ядро поглощает один из электронов К-слоя атома (значительно реже происходит Ь- и М-захват, т. е.
поглощение электрона из Ь- или М-слоя). Первый вид распада (Р -распад) протекает по схеме: )(А + УА+ еО+д (90.5) Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе В-распада, мы приписали 8-электрону зарядовое число 2 — 1 и массовое число А = О. Как видно из схемы (90.5), дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино т. Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра зХ" превратился в протон, претерпев превращение по схеме (87.5).
Вообще процесс (87.5) представляет собой част- ный случай процесса 4'Л' (90.5). Поэтому говорят, что свободный нейтрон б-радиоактивен. Бета-распад может сопровождаться испусканием у-лучей. Причина У нх возникновения та же, / I что и в случае сс-расе;„„ ~ нада, — дочернее ядро возникает не только в Рис. 254. нормальном, но и в воз- бу>кденных состояниях.
Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает у-фотон. В качестве примера 8=распада можно привести превращение торня Т!14" в протактиннй Раав с испусканием электрона и аптинейтрино: ааТ1Р4 +а1Раааа+,еа 1 и В отличие от а-частнц, обладаюших в пределах каждой группы строго определенной энергией, 8-электроны обладают самой разнообразной энергией от 0 до Е ,, На рис. 254 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при 8-распаде.
Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени, с(М вЂ” число электронов, энергия которых заключена в интервале г(Е. Энергия Е „ соответствует разности между массой (нмеется в виду масса покоя) материнского ядра и массами электрона и дочернего ядра. Следовательно, распады, при которых энергия электрона Е меньше Е .„протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии. Чтобы 454 объяснить исчезновение энергии Е„„„— Е, В. Паули высказал в 1932 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
