Радиоактивные излучения. Нейтрино и антинейтрино. Изотопы.

Радиоактивность – спонтанное превращение одних ядер в другие с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность бывает естественной (наблюдается у изотопов, существующих в природе) и искусственной (наблюдается у изотопов, полученных в ядерных реакциях). Распадающееся ядро называется материнским, получающееся ядро – дочерним. Радиоактивный распад – это естественное превращение одних ядер в другие, происходящее самопроизвольно.

Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Число ядер , распавшихся в среднем за интервал времени от t до t +dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t: , где - постоянная радиоактивного распада, знак минус показывает, что в процессе распада общее число радиоактивных ядер убывает. , N – число нераспавшихся ядер к моменту времени t. - это закон радиоактивного распада: Число нераспавшихся ядер убывает с течением времени по экспоненциальному закону.

Нейтрино и антинейтрино

Обнаружение антинейтрино привело к очередной проблеме: являются ли нейтрино образующиеся в результате β⁺- и β^-‑распадов одинаковыми частицами или различными? Для выяснения вопроса являются ли ν и тождественными частицами или между ними существует какое-то различие, был поставлен эксперимент по регистрации реакции

+ n → p + e-.

(5.1)

Если ν и являются тождественными частицами, то реакция (5.1) должна наблюдаться. Это следует из того, что имеет место реакция

ν + n → p + e-.

(5.2)

являющаяся обращением во времени наблюдаемой Райнесом и Коэном реакции

p + e^- → ν + n.

Обе реакции (5.1) и (5.2) при тождественности ν и должны идти с одним и тем же характерным для нейтрино (антинейтрино) сечением ≈10^-43 см².
Так как в природе нет нейтронных мишеней, эксперимент можно было поставить только на нейтронах, входящих в состав атомного ядра. В 1946 г. Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию:

+ 37Cl → 37Ar + e-.

(5.3)

Если реакция + n → p + e^- возможна, то под действием антинейтрино реактора один из нейтронов, входящих в состав ядра ³⁷Cl, превращается в протон, что приводит к образованию радиоактивного изотопа ³⁷Ar с периодом полураспада 35.04 суток. В результате захвата одного из электронов атомной оболочки (е-захват) ядро ³⁷Ar вновь превращается в ³⁷Cl. e-захват можно зарегистрировать по появлению оже-электрона с энергией 2.8 кэВ, который должен сопровождать процесс е‑захвата.
Для регистрации реакции + ³⁷Cl → ³⁷Ar + e^- необходимо было использовать большую массу мишени, так как в случае тождественности нейтрино и антинейтрино, сечение реакции должно было составлять ≈10^-43 см². В качестве мишени использовалось около 4000 литров раствора четырехлористого углерода. Каждый сеанс облучения продолжался 2 месяца. Была разработана специальная методика извлечения радиоактивного изотопа ³⁷Ar из огромного объема мишени. Выделенный ³⁷Ar помещался затем в низкофоновый пропорциональный счетчик для регистрации его радиоактивности.
Образование радиоактивного изотопа ³⁷Ar в результате реакции + ³⁷Cl → ³⁷Ar + e^- не было зарегистрировано. Для величины сечения реакции + n → p + e^- была получена верхняя оценка

σ_эксп( + n → p + e^-) < 0.25×10^-44 см²,

что почти в 45 раз меньше того, что следовало ожидать, если бы нейтрино и антинейтрино были тождественными частицами.
Оказалось, что нейтрино, образующиеся в результате β⁺- и β^-‑распадов разные частицы – они являются частицей и античастицей. Частица, появляющаяся при β^-‑распаде вместе с электроном, была названа антинейтрино, а частица, появляющаяся при β⁺-распаде вместе с позитроном, была названа нейтрино.

Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, ¹²C, ²²²Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

Пример изотопов: ¹⁶₈O, ¹⁷₈O, ¹⁸₈O — три стабильных изотопа кислорода