β-Частицы отклоняются электрическим и магнитным полями; их ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощаются слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у α-частиц. β-Излучение представляет собой ноток быстрых электронов, вытекает из определения их удельного заряда).
γ-Излучсние не отклоняется электрическим и магнитным нолями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. γ-Излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны м и вследствие этого — ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц — -γ-квантов (фотонов).
I.3. Закон радиоактивного распада. Правила смещения.
I Под радиоактивным распадом, или просто распадом, понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро — дочерним.
Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики. Ввиду самопроизвольное и радиоактивного распада можно считать, что число ядер d/V, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t + dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N не распавшихся ядер к моменту времени t:
dN = -λNdt, (1)
где λ — постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается,
Разделив переменные и интегрируя:
получим
где — начальное число не распавшихся ядер (в момент времени t = 0), N — число не распавшихся ядер в момент времени t. Формула выражает закон радиоактивного распада, согласно которому число не распавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.
Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада и среднее время жизни t радиоактивного ядра. Период полураспада — промежуток времени, за который в среднем число не распавшихся ядер уменьшается вдвое. Тогда
.
Периоды полураспада для естественно-радиоактивных 'элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.
Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна t │dN│= λNt dt.
. Таким образом, среднее время жизни τ радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада λ.
Активностью А нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N) в радиоактивном источнике называется величина, равная отношению числа ∆N распавшихся ядер ко времени ∆t, за которое произошел распад:
следовтельно
А = - λN
Единица активности в СИ — беккерель (Бк):/1 Бк - активность нуклида, при которой, за 1 с. происходит один акт распада, до сих пор в ядерной физике применяется и внесистемная единица активности нуклида в радиоактивном источнике кюри (Ки): 1 Ки=3,7.1010 Бк.
Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения:
для α-распада
для β-распада
где— материнское ядро, Y - символ. дочернего ядра, — ядро гелия (α-частица), — символическое обозначение электрона (заряд его равен -1, а массовое число — нулю). Правила смещения являются не чем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, — сохранения электрическою заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел), возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.
Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, или ряда, радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом. Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством.
В настоящее время известно, что естественно-радиоактивные ядра образуют три радиоактивных семейства, называемых по наиболее долгоживущему (с небольшим периодом полураспада) «родоначальнику» семейства: семейство урана (от 238/92 U), семейство тория (от 232/90 Th) и семейство актиния (от 235/89 Ac). Все семейства заканчиваются стабильными ядрами свинца; семейство урана заканчивается 206/82 РЬ, семейство тория — 208/82 РЬ, семейство актиния — 207/82 Pb.
I.3.1. Закономерности α-распада
В настоящее время известно более двухсот α-активных ядер, главным образом тяжелых (А > 200, Z > 82). Только небольшая группа активных ядер приходится на области с А=140÷160 (редкие земли). α-Распад подчиняется правилу смещения (4). Примером α-распада служит распад изотопа урана 238U с образованием Th:
238/92 U→234/90 Th+4/2 He.
Скорости вылетающих при распаде α-частиц очень велики и колеблются для разных ядер в пределах от 1,4-107 до 2-107 м/с, что соответствует энергиям от 4 до 8,8 МэВ. Согласно современным представлениям, α-частицы образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов,
α-Частицы, испускаемые конкретным ядром, обладают, как правило, определенной энергией. Более тонкие измерения, однако, показали, что энергетический спектр α-частиц, испускаемых данным радиоактивным элементом, обнаруживает «тонкую структуру», т. е. испускается несколько групп α-частиц, причем в пределах каждой группы их энергии практически постоянны. Дискретный спектр частиц свидетельствует о том, что атомные ядра обладают дискретными энергетическими уровнями.
Для α-распада характерна сильная зависимость между периодом полураспада Ti/з и энергией £ вылетающих частиц. Эта взаимосвязь определяется эмпирическим законом Гейгера — Нэттола (1912)*, который обычно выражают в виде связи между пробегом Rα (расстоянием, проходимым частицей в веществе до ее полной остановки) α-частиц в воздухе и постоянной радиоактивного распада λ:
ln λ =A+В ln Rα, (1.1)
где А и В — эмпирические константы, λ = ln 2/T ½. Согласно (1.1), чем меньше период полураспада радиоактивного элемента, тем больше пpo6eг, а следовательно, и энергия испускаемых им α-частиц. Пробег α-частиц в воздухе (при нормальных условиях) составляет несколько сантиметров, в более плотных средах он гораздо меньше, составляя сотые доли миллиметра (α-частицы можно задержать обычным листом бумаги).
Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц на ядрах урана показали, что α-частицы вплоть до энергии 8,8 МэВ испытывают на ядрах резерфордовское рассеяние, т. е. силы, действующие на α-частицы со стороны ядер, описываются законом Кулона. Подобный характер рассеяния α-частиц указывает на то, что они еще не вступают в область действия ядерных сил, т, е. можно сделать вывод, что ядро окружено потенциальным барьером, высота которого не меньше 8,8 МэВ. С другой стороны, α-частицы, испускаемые ураном, имеют энергию 4,2 МэВ. Следовательно, α-частицы вылетают из а-радиоактивного ядра с энергией, заметно меньшей высоты потенциальною барьера. Классическая механика этот результат объяснить не могла.
Объяснение α-распада дано квантовой механикой, согласно которой вылет α-частицы из ядра возможен благодаря туннельному эффекту— проникновению α-частицы сквозь потенциальный барьер. Всегда имеется отличная от нуля вероятность того, что частица с энергией, меньшей высоты потенциального барьера, пройдет сквозь него, т. е. действительно, из α-радиоактивного ядра α-частицы могут вылетать с энергией, меньшей высоты потенциального барьера- Этот эффект целиком обусловлен волновой природой α-частиц.
Вероятность прохождения α-частицы сквозь потенциальный барьер определяется его формой и вычисляется на основе уравнения Шредингера. В простейшем случае потенциального барьера с прямоугольными вертикальными стенками коэффициент прозрачности, определяющий вероятность прохождения сквозь него, определяется рассмотренной ранее. Анализируя это выражение, видим, что коэффициент прозрачности D тем больше (следовательно, тем меньше период полураспада), чем меньший по высоте {V) и ширине (0 барьер находится на пути α-частицы. Кроме того, при одной и той же потенциальной кривой барьер на пути частицы тем меньше, чем больше ее энергия Е. Таким образом качественно подтверждается закон Гейгера — Нэттола .
I.3.2. β-Распад. Нейтрино
Явление β-распада подчиняется правилу смещения
и связано с выбросом электрона. Пришлось преодолеть целый ряд трудностей, связанных с трактовкой β -распада.
Во-первых, необходимо было обосновать происхождение электронов, выбрасываемых в процессе β -распада. Протонно-нейтронное строение ядра исключает возможность вылета электрона из ядра, поскольку в ядре электронов нет. Предположение же, что электроны вылетают не из ядра, а из электронной оболочки, несостоятельно, поскольку тогда должно было бы наблюдаться оптическое или рентгеновское излучение, что не подтверждают эксперименты.
Во-вторых, необходимо было объяснить непрерывность энергетического спектра испускаемых электронов (типичная для всех изотопов кривая распределения β -частиц по энергиям приведена на рис. 1). Каким же образом β-активные ядра, обладающие до и после распада вполне определенными энергиями, могут выбрасывать электроны со значениями энергии от нуля до некоторого максимального Emax – т.е. энергетический спектр испускаемых электронов является непрерывным? Гипотеза о том, что при β-распаде электроны покидают ядро со строго определенными энергиями, но в результате каких-то вторичных взаи-
Рис.1
модействий теряют ту или иную долю своей энергии, так что их первоначальный дискретный спектр превращается в непрерывный, была опровергнута прямыми калориметрическими опытами. Так как максимальная 'энергия Emax определяется разностью масс материнского и дочернего ядер, то распады, при которых энергия электрона Е < Emax, как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположение, что чакон сохранения энергии носи! статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить это затруднение.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13
