Закономірності радіоактивного випромінювання атомних ядер
Альфа - розпад
- розпадом називається випускання ядрами деяких хімічних елементів
- частинок.
Альфа-випромінювання відхиляється електричними і магнітними полями, має високу іонізуючу здатність і малу проникну здатність (поглинається шаром алюмінію завтовшки ~0,05 мм). - випромінювання – це потік іонізованих атомів гелію. Заряд
- частинки дорівнює +2е, а маса рівна масі ядра ізотопа гелію
.
Відомо більше ніж дві сотні - активних ядер, в основному важких елементів
. Лише невелика група
- активних ядер знаходиться в області з масовими числами А=140-160 (рідкісноземельні).
Всередині важких ядер утворюються - частинки, кожна з яких складається з двох протонів і двох нейтронів. Відокремленню цих чотирьох нуклонів сприяє властивість насичення ядерних сил. Можливість
- розпаду викликана тим, що маса материнського ядра
більша від суми мас дочірнього ядра
і
- частинки.
.
Отже, при - розпаді виділяється енергія
.
Енергія - розпаду
виділяється у вигляді кінетичної енергії продуктів розпаду:
- частинки і дочірнього ядра. Кінетична енергія між ними розподіляється обернено пропорційно до їх маси, тому практично всю енергію розпаду отримує
- частинка.
В ядрі - частинок немає, вони утворюються з чотирьох нуклонів лише в момент
- розпаду.
Здійсненню - розпаду перешкоджає значний кулонівський потенціальний бар’єр
, який виник при утворенні ядра. Значення
в декілька разів перевищує різницю енергій
між початковим і кінцевими станами системи при
- розпаді (рис 338).
- частинка вилітає з ядра, проходячи крізь заборонену зону, завдяки тунельному ефекту, який характеризується певною прозорістю потенціального бар’єра.
.
Ця формула свідчить про велику чутливість прозорості бар’єра до найменших змін енергії - частинки, що перебуває всередині потенціальної ями. Навіть незначні зміни в значеннях E приводять до того, що величина D буде дуже змінюватись. Цим пояснюються великі відмінності в періодах піврозпаду
- випромінювачів – від
років до
с при порівняно невеликому зростанні енергії
- частинок
.
Знайдемо зв’язок між сталою розпаду і прозорістю D потенціального бар’єру для
-частинки. Заради спрощення замінимо реальний бар’єр прямокутним бар’єром довжиною L. В цьому випадку
,
де n – число ударів - частинок об стінку бар’єра за одиницю часу і
, де
– швидкість
- частинки в ядрі. Величина L=R, де R – радіус ядра. Тоді у випадку прямокутного бар’єра дістанемо
Ця формула свідчить про існування залежності між сталою розпаду і початковою енергією - частинки.
Дослідження кривих питомої іонізації, яку здійснюють
- частинки в різних газах, показало, що залежність кількості
- частинок N від довжини відрізків шляху R, які ці частинки проходять у певній речовині, зображується кривою, поданою на рис. 339. До деякого значення
кількість частинок залишається майже сталою. Потім кількість частинок, які пройшли шлях
, швидко спадає. Довжини пробігів
- частинок мало відрізняються від деякої величини
, що є експериментальним значенням пробігу
-частинок. Проходячи через речовину,
- частинка витрачає свою енергію на непружні зіткнення з атомами, переважно на їх іонізацію. Очевидно, що довжина пробігу
- частинки повинна залежати від її початкової енергії. Дослідним шляхом Гейгер знайшов емпіричну формулу, яка пов’язує початкову швидкість
- частинки з її пробігом
у повітрі при
:
,
,
де b – деяка стала.
Г. Гейгер і Дж. Неттол на підставі аналізу численних дослідів установили співвідношення, яке називають законом Гейгера-Неттола:
чим менший період піврозпаду або більша стала розпаду
радіоактивного елементу, тим більший пробіг
- частинок, які він випускає.
Закон Гейгера-Неттола записують формулою
або
,
– емпіричні константи.
Дослідження показують, що здебільшого ядра випромінюють не одну, а кілька груп - частинок, енергії яких утворюють дискретний спектр. Його називають тонкою структурою
- спектра. На рис. 340 показано схематичне пояснення виникнення різних груп
- частинок, що випромінюються при розпаді ядра
. Зліва на рисунку наведено енергетичні рівні дочірнього ядра
.
У збуджених станах дочірнє ядро знаходиться доволі малий проміжок часу і переходить у стани з меншою енергією або в основний стан. При цьому відбувається випромінювання фотонів. На рис. 340 показано виникнення
- фотонів шести різних енергій.
Бета - розпад
- розпадом називається процес самочинного перетворення нестабільного ядра в ядро-ізобар із зарядом, який відмінний на
, за рахунок випускання електрона (позитрона) або захоплення електрона.
Період піврозпаду - радіоактивних ядер змінюється від
до
років. Енергія
- розпаду знаходиться в межах від
(для
) до
(для
).
- випромінювання відхиляється електричними і магнітними полями; його іонізуюча здатність значно менша (приблизно на два порядки), а проникна здатність значно більша (поглинається шаром алюмінію 2 мм), ніж у
- частинок.
- випромінювання – це потік швидких електронів.
Терміном b- розпад називають три типи ядерних перетворень: електронний - розпад, позитронний
- розпад, а також електронне захоплення (
або
- захоплення).
Явище електронного - розпаду відбувається за правилом зміщення
і супроводжується випромінюванням електрона. Електрони, що випромінюються в процесі - розпаду, мають широкий спектр енергій від нуля до деякого максимального значення (рис. 341).
При розпаді кількість нуклонів в ядрі не змінюється. Однак, якщо з ядра випромінюється електрон, який має спін
, то спін ядра повинен змінитися на
. Таке неузгодження спіну ядра до і після розпаду, а також наявність суцільного
енергетичного спектра випромінюваних електронів привели В. Паулі до гіпотези (1931 р.) про те, що при - розпаді разом з електроном випускається ще одна нейтральна частинка – нейтрино. Нейтрино має нульовий заряд, спін
і нульову масу спокою. Нейтрино позначають
.
Проте виявилось, що при - розпаді випускається не нейтрино, а антинейтрино, (античастинка за відношенням до нейтрино, яка позначається
).
Гіпотеза про існування нейтрино дала змогу Е. Фермі створити теорію - розпаду (1934), а через 20 років (1956 р.) нейтрино було виявлено експериментально. Такі довгі пошуки нейтрино пов’язані з відсутністю у цієї частинки заряду та маси спокою, а також тим, що іонізуюча здатність нейтрино надзвичайно мала (один акт іонізації припадає на пробіг 500 км в повітрі), а проникна здатність – дуже висока (пробіг нейтрино з енергією 1 МеВ в свинцю порядку
м).
Для експериментального виявлення нейтрино використовували метод, який ґрунтується на тому, що в ядерних реакціях виконується закон збереження імпульсу.
Введення нейтрино дозволило пояснити не лише збереження спіна ядра, а й неперервність енергетичного спектра випромінюваних електронів. Суцільний спектр - частинок зумовлений розподілом енергії між електронами і антинейтрино, причому сума енергій обох частинок становить
.
Оскільки при - розпаді кількість нуклонів в ядрі не змінюється, а Z збільшується на одиницю, то єдиний шлях, яким може відбуватись цей процес, це перетворення одного з нейтронів ядра в протон з одночасним утворенням електрона і антинейтрино:
.
Цей процес супроводжується виконанням законів збереження електричних зарядів, імпульсу і масових чисел.
Прикладом - розпаду може бути така реакція:
.
Явище - розпаду характерне лише для штучно радіоактивних ядер і було вперше виявлено Фредериком та Ірен Жоліо-Кюрі при бомбардуванні різних ядер
- частинками. Цей вид радіоактивного розпаду відбувається за таким правилом зміщення:
.
Прикладом - розпаду може бути така реакція перетворення азоту
у вуглець
:
.
Процес - розпаду проходить за такою схемою: один з протонів ядра перетворюється у нейтрон, випромінюючи при цьому позитрон і нейтрино:
.
Оскільки маса спокою протона менша, ніж маса спокою нейтрона, то для вільного протона реакція відбуватися не може. Однак для протона, який знаходиться в ядрі, внаслідок ядерної взаємодії частинок, ця реакція є енергетично можливою.
Позитрон - – частинка з масою спокою, яка точно дорівнює масі спокою електрона, спіном
, і яка має додатний електричний заряд +е.
Позитрони можуть народжуватись при взаємодії - квантів великих енергій
з речовиною. Цей процес відбувається за схемою
.
Для багатьох ядер перетворення протона в нейтрон, крім описаного вище процесу, може відбуватись через електронне захоплення, або е- захоплення, при якому ядро спонтанно захоплює електрон з однієї із внутрішніх оболонок атома, випускаючи нейтрино:
.
Необхідність появи нейтрино випливає із закону збереження спіна. Схема е-захоплення:
,
тобто один з протонів ядра перетворюється у нейтрон, заряд ядра зменшується на одиницю і воно зміщується вліво, так само, як і при позитронному розпаді.
Електронне захоплення супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, що виникає при заповненні вакансій, які утворюються в електронній оболонці атома. При е-захопленні, крім нейтрино, ніякі інші частинки не випромінюються. Прикладом електронного захоплення може служити перетворення радіоактивного ядра берилію у стабільне ядро літію:
.