belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 36
Текст из файла (страница 36)
определенными полным моментом импульса и четностью. Фотон мультипольности 2 обладает угловым моментом 5 абсолютное Ь значение которого, согласно квантовой механике, равно ь11 + Ц, т. е. точно такое же, как и в случае частицы конечной массы, соответствии с законом сохранения момента импульса должно выполняться следующео соотноп1ение между моментами 1„и 1, начального и конечного ядра и моментом Г, уносимым у-квантом: ~1„ — 1,~ < 1 < Х„ + 1,.
(10.55) 10.3. ЕСТЕСТВЕННАЯ И ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ 130 Оно является правилом отбора по моменту количества движения. Согласно (10.55) дипольные у-кванты (1 = 1) могут быть испущены при переходах между состояниями с Ы = О, ~1, кроме (О-0)-переходов; квадрупольные 7-кванты (б = 2) при переходах между состояниями с 1А1 = ~ 2, +1, О, кро- ме (О 0), (О 1) и (1 0) переходов и ъ.
д. Еще одно правило отбора связано с выполнением закона сохранения четности волновой функции. Чет- 8 1 1 А ность, как мы уже говорили ранее, определяется по влиянию на знак волновой функции системы отраже- З вЂ” -6 ния ВСРХ трРХ ОСРИ ОтноситРльно на~ада координат. Рис. 10.15 Такое отражение в случае статического диполя приводит к взаимной перестановке положения каждого заряда (рис. 10.15).
Следовательно, если смотреть из исходной системы координат, то происходит очевидное изменение знаков всех зарядов. Однако такое же отражение в случае магнитного диполя (кругового тока) не изменяет направления (знака) тока в магнитном диполе (см.
также рис. 8.1). Поэтому разрошенное измонение четности ядра, испускающего электрическое ч-излучение мульгипольности Л, описывается формулой Р„/Р„= ( — 1)~, (10.56) а для ядра, испускающего магнитное 1.-мультипольпое излучение, формулой Р.1Р. = (-1)' ', (10.57) где Р„ и Р, — соответственно четности начального и конечного состояний ядра. Часто снятие возбуждения в ядре происходит не путем непосредственного перехода в основное состояние, а путем испускания каскада т-квантов, обладающих меньшей мультипольностью. При этом оказывается, что существует угловая корреляция последоватг.льно испускаемых у-кваптов, т, е.
наблюдается преимущественное направление испускания второго кванта. Появление корреляционной зависимости обусловлено тем, что проекция гп полного момента ч-кванта на его импульс может принимать только значения гн = ~1 (единицей измерения является постоянная Планка Й). Значение т = 0 исключено условием поперечности электромагнитных волн. Поэтому, если, например, ядро на уровне с моментом пуль испустило ч-квант, вылетевший в определенном направлении, т. е.
зарегистрированный в этом направлении детектором, то проекция спина ядра в новом, более низком энергетическом состоянии на данное направление может быть только ~1, но не нуль. Таким образом, оказывается, что ядро ориентировано в пространстве уже не совсем хаотически.
Поэтому и каскадные т-кванты вылетают из него в разных направлениях с разной вероятностью. Угловая корреляция существенно зависит от моментов последовательно распада1ощихся состояний. Времена жизни 7-активных ядер в среднем невелики и обычно имеют порядок 10 г 10 "с. В редких случаях, при сочетании высокой степенизапрета с малой энергией перехода., могут наблюдаться у-активные ядра с временами жизни макроскопического порядка до нескольких часов, а иногда даже лет. Такие возбужд1шные долгоживущие состояния ядер называются изомерп ии. Данное явление было открыто в 1935 г.
И.В. Курчатовым с сотрудниками. Изомерный уровень должен иметь спин, сильно отличающийся 140 ГЛ. 10. АТОМНОЕ ЯДРО от спинов уровней, лежащих ниже, и низкую энергию возбуждения. Как правило, изомернос состояние относится к первому возбужденному уровню ядра. Так, например, в ядре '4~~01п, основное состояние имеет характеристику 9/2т, а первый возбужденный уровень с энергией 335 кэВ --. характеристику 1/2 . Переход этот настолько сильно запрещен, что время жизни возбужденного уровня оказывается равным 14.,4 часа. Следует обратить внимание на то, что все лабораторные источники т-квантов являются фактически долгоживущими 13-активными ядрами, а 7-излучение возникает из-за р-распада материнского ядра на возбужденные уровни дочернего ядра. Так,например, в широко распространенном источнике 7-излучения 00Со ~Т170 — — 5,3 г) происходят вылет электронов с энергией 0,3 МэВ и последующие у-переходы в ядре 00% с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ.
Кроме у-излучения, существует еще один механизм потери энергии возбужденным ядром непускание электронов внутренней конверсии. В этом процессе энергия возбуждения ядра передается непосредственно одному из орбитальных электронов, который получает всю энергию кванта. С наибольшей вероятностью процесс внутренней конверсии идет на Л-электронах, волновая функция которых болыне всего перекрывается с ядром. Однако если энергия, освобождаемая при ядерном переходе, меньше энергии связи К-электрона, то наблюдается конверсия па Л-электронах и т. д.
Помимо конверсионных электронов, при внутренней конверсии можно наблюдать еще и рентгеновские кванты., возника- 203 н~,14 я ющие при переходе одного из наруж— ных электронов на уровень К- или А-оболочки, освобожденной вылетев- 372+ шим электроном. Моноэнергетичность Ей+У! вылетающих при внутренней конвер- 'т~ 4М сии электронов позволяет отличать их ~/2+ от 13-раснадных электронов, спектр ко- торых непрерывен. В качестве иллюРис. 10.16 страции этого процесса па рис. 10.16 приведен спектр электронов, вылетающих из 13-активного ядра ртути 000Н8, Процесс внутренней конверсии в некотором смысле аналогичен колебаниям в связанной системе с двумя степенями свободы.
Простейшим примером такой системы могут служить два маятника, связанные пружиной: колебания одного из маятников благодаря пружине возбуждают колебания другого. В случае внутренней конверсии роль «пружины» играет электрическое поле. Таким образом, внутреш1яя конверсия представляет собой первичный, а не вторичный процесс взаимодействия электромагнитного излучения с орбитальными электронами: энергия возбуждения ядра передается орбитальным электронам, как говорят, виртуальными, а не реальными квантами. Деление ядер. Деление атомных ядер -- это процесс, характерный только для самых тяжелых ядер, начиная от тория и далее в сторону бблыпих Я. Сейчас трудно себе представить, с каким недоумением и недоверием физики встретили в 1938 г, сообщение О.
Хана и Ф. П1трассмана о делении атомного ядра медленными нейтронами, поскольку было хорошо известно, что для вырывания из ядра одного пуклопа требуется энергия в миллионы электроновольт. По образному выражению Р. Личмена, это равносильно тому, что твердый камень раскалывается от легкого постукивания карандаша. Первое 1О.З. ЕСТЕСТВЕННАЯ И ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ 141 объяснение наблюдаемого процесса было выдвинуто Н. Бором и Дж. Уилером и независимо, В.И. Френкелем уже через несколько месяцев на основе аналогии деления ядра с делением заряженной капли жидкости при деформации. При попадании нейтрона ядро-капля начинает колебаться и в какой-то момент времени принимает вытянутую форму.
Действующие между нуклонами ядерные силы, подобно силам сцепления молекул в жидкости, приводят к появлению поверхностного натяжения. Они стремятся вернуть ядру первоначальную почти сферическую форму (тяжелые ядра в основном состоянии слегка деформированы и имеют форму вытянутого эллипсоида). Однако, если вытянутость ядра в какой-то момент времени оказывается достаточно большой, электростатические сии и лы отталкивания одноименных зарядов могут превзойти силы поверхностного натяжения.
Тогда ядро начнет еще болыпе растягиваться, пока не разорвется на два осколка. В качестве «мелких брызг» в момент деления вылетают два-три нейтрона, а-частицы и даже легкие ядра, правда, с очень малой вероят- Разрыв ностью. Последовательные стадии процесса перетяжки деления атомного ядра представлены на рис. 10.17. ,~'и В 1940 г. Г.Н. Флеров и К.А.
Петржак обнаружили, что ядра урана могут делиться и самопроизвольно (спонтанно). Период полураспада спонтанного деления ~з~'11 равен 8 101' лет. Как оказалось в дальнейшем, все ядра тяжелее тория испытывают спонтанное деление, причем чем тяжелее ядро, и чем больше его заряд, тем в среднем болыпс вероятность этого процесса, т. с. тем меньше период его спонтанного деления. Период спонтанного деления очень быстро уменьшается по мере перехода к более тяжелым ядрам.
Так, у изотопа плутония в4РРп он равен 6,8 10'0 лет, у калифорния звзСй уже 85 лет, а у фермия з'0Р1п - - 2,7 часа. Спонтанное деление ядер представляет собой чисто квантовомеханический эффект. Как указывалось выше, оно является результатом конкуренции двух процессов -- поверхностного натяжения, стремящегося вернуть и ядро в исходное состояние, и кулоновского отталкивания заряженных осколков.
Таким образом у ядра появляется потенциальный барьер, препятствующий его делению. На рис. 10.18 показана потенциальная энергия ядра как функция отклонения 4.гл поверхности ядра от сферической формы. Основное состояние ядра является слегка де о ми овапиым. 0 АР„ др ф р р Следовательно, спонтанное деление ядер является туннельным процессом, точно так же, как это происходит при туннелировании о-частиц. Отсюда и появляется столь сильная зависимость периода спонтанного деления от заряда ядра: по мере увеличения заряда ядра уменьшается величина барьера и резко увеличивается вероятность деления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
