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:

.