Известно около 2000 b-излучающих нуклидов, из них только 20 – естественные, остальные получены искусственным путем.
Различают три вида b-распада: b--распад, b+-распад и е -захват (электронный захват, ЭЗ).
b- -распад. Электронный (b-) распад ядра происходит, если нейтрон в ядре превращается в протон по схеме n ® p + e - + . Возникший электрон не может оставаться в ядре и вылетает из него. Одновременно из ядра вылетает электронное антинейтрино. Для ядер с избыточным содержанием нейтронов характерен b--распад; b--распад возможен, если масса ядра (А, Z) удовлетворяет условию
M (A, Z) > M (A, Z +1) + me, | (1.23) |
где me – масса электрона.
b +-распад. Позитронный (b+) распад ядра происходит, если протон в ядре превращается в нейтрон p ® n + e + + n, при этом из ядра вылетает нейтрино и позитрон, а заряд ядра уменьшается на единицу. Позитроны испускаются ядрами с относительным недостатком нейтронов. Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, т.к. масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов ядра. b+-распад возможен, если масса ядра (А, Z) удовлетворяет условию
M (A, Z) > M (A, Z- 1) + me, | (1.24) |
т.е. масса исходного b+-радиоактивного ядра должна быть больше суммы масс конечного ядра и электрона.
Электронный захват. Если ядро поглощает один из орбитальных электронов (чаще всего с K- оболочки) своего атома, то один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино: p + e - ® n + n. Электронный захват (ЭЗ) возможен, если масса ядра (А, Z) удовлетворяет условию
M (A, Z) > M (A, Z- 1). | (1.25) |
Условия b-распада (1.23) – (1.25) можно выразить через массы атомов, если к левой и правой частям неравенств (1.23) – (1.25) прибавить по Z × me (например, M (A, Z) + Z× me = M ат(A, Z); M (A, Z- 1) + Z× me + me = M ат(A, Z +1) и т.д.).
Энергетические условия бета-распада, таким образом, могут быть записаны (в предположении очень малой энергии покоя нейтрино) в следующем виде:
(1.26)
где Q β – энергия β-распада; Ма – масса атома; mе – масса покоя электрона (позитрона); ε е – энергия связи электрона в атоме.
Рис. 1.7. Зависимость разности масс изобар с А = 62 и 62Ni от зарядового числа Z |
Вследствие β-распада материнского ядра образуется изобар с массой, которая меньше массы исходного ядра на величину, приблизительно равную энергии β-распада. Если такое дочернее ядро также является нестабильным, то превращение материнского нуклида инициирует радиоактивную цепочку изобар, которая заканчивается стабильным ядром. Энергия, которая при этом выделяется, равна разнице масс материнского и стабильного ядер. На рисунке 1.7 приведены изобары с А = 62, которые образуют две цепочки радиоактивных ядер. Последовательность b--распадов нейтроноизбыточных изобар, инициированная распадом 62V (T 1/2 = 33,5 мс), приводит к выделению суммарной энергии 44,32 МэВ. Последовательность b+-распадов ЭЗ нейтронодефицитных изобар, инициированная распадом 62Ge (T 1/2 = 129 мс), приводит к выделению суммарной энергии 24,50 МэВ.
β+ |
β− |
Рис. 1.7. Зависимость разности масс изобар с A = 62 и 62Ni от зарядового числа Z |
Помимо энергетических соотношений для β-распада существенны и так называемые правила отбора, разрешающие или запрещающие переходы, также существенно замедляющие возможный распад. Диапазон времени жизни для β-распада изменяется от 13 месяцев (12N) до ~ 2·1013 лет (естественный радиоактивный изотоп 180W). Энергия b-распада ныне известных изотопов лежит в пределах от 0,0186 МэВ (3Н) до 16,6 МэВ (12N).
Основной процесс, при котором испускаются b-частицы или электроны, - радиоактивные превращения ядер. Энергия, выделяющаяся при b-распаде, распределяется между тремя частицами - собственно b-частицей, ядром и антинейтрино, поэтому спектр b-частиц сплошной от Е b = 0 до граничной энергии b-спектра Еβmax (иногда обозначается Егр)
Еβmax= Qb - (Е ЯО + mν·c2), | (1.27) |
где Qb - энергия распада; Е ЯО - кинетическая энергия ядра отдачи; mν·c2 - энергия покоя нейтрино (близка к нулю).
Некоторые радионуклиды являются чистыми b-излучателя-ми, т. е. переход в них происходит в основное состояние, например, 3Н, 14С, 31Р, 35S, 90Sr и др. В подавляющем большинстве случаев b-распад имеет сравнимые вероятности переходов на различные возбужденные состояния и, таким образом, b-излучение почти всегда сопровождается электромагнитными переходами с соответствующим им излучением. Бета-спектр в этом случае является сложным и состоит из нескольких компонент с различными граничными энергиями.
Энергия возбуждения ядра может передаваться непосредственно орбитальным электронам атома (без предварительного испускания γ-кванта). При этом освобождаются моноэнергетические электроны, энергия Е которых равна разности между энергией возбуждения ядра Е возб и энергией связи на той оболочке, с которой испускаются электроны. Наиболее вероятно электроны испускаются с K -оболочки, в этом случае кинетическая энергия конверсионного электрона
(1.28) |
где – энергия связи на K -оболочке. Если энергия возбуждения меньше энергии связи на K -оболочке, то конверсия на K -оболочке становится невозможной и она будет происходить на L -оболочке и т.д. Образовавшаяся вакансия (дырка) на K - (или другой) оболочке немедленно занимается электроном с другой оболочки, при этом испускается либо характеристическое излучение, или оже-электрон. Таким образом, электроны Оже испускаются в процессе непосредственной передачи энергии возбуждения атома одному из его внешних электронов (без предварительного испускания фотонов).
Электромагнитные переходы с возбужденных состояний, сопровождающиеся вылетом конверсионных электронов и электронов Оже, добавляют к непрерывному спектру при b-распаде дискретные линии. Пример подобного спектра представлен на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Типичный b-спектр: 1, 2 - b-спектр при переходе на два уровня энергии дочернего ядра; 3 - суммарный непрерывный спектр; 4 - конверсионные электроны; 5 -электроны Оже |
1 |
0 |
Е 1 гр |
Е 2 гр |
Е b |
2 |
5 |
3 |
4 |
K |
L |
M |
Внутренней конверсией обладают многие радионуклиды, однако в большинстве своем выходы конверсионных электронов невелики, преобладают невысокие энергии конверсионных электронов или же радионуклиды имеют малые периоды полураспада[6].
Распад ядер, как правило, сопровождается испусканием частиц или фотонов, при этом лишь в частных случаях число испускаемых частиц совпадает с числом распадающихся ядер (например, для радионуклидов 3H, 90Sr). Примером, когда число испускаемых частиц не совпадает с числом распадающихся ядер, может служить распад нуклида , схема распада которого приведена на рис. 1.9.
е.с.(44,9%) |
b- (37,2%) |
b+ (17,9%) |
Рис. 1.9. Схема распада |
Таким образом, справедливо лишь выражение «активность столько-то беккерелей», а выражения «a- или b-активность столько-то беккерелей» не являются правильными, хотя они и используются на практике.
1.2.3. Электромагнитные переходы и спектры фотонного
излучения
Ядра, находящиеся в возбужденном состоянии, переходят в состояние с меньшей энергией, в основном, путем испускания фотонов, электронов внутренней конверсии и электрон-позитронных пар.
При радиационном переходе атомного ядра из возбужденного состояния с энергией Е возб в основное или менее возбужденное с энергией Е испускается один g-квант с энергией, равной Е g = Е возб – Е.
При внутренней конверсии энергия перехода передается одному из орбитальных электронов, как правило, с ближайших к ядру оболочек атома. При этом часть энергии затрачивается на отрыв электрона. В результате конверсии атом становится возбужденным, возникает вакансия, которая приблизительно за 10-15 с заполняется электроном с более высокой оболочки; при этом либо возникает характеристическое фотонное излучение (флуоресценция), либо испускаются электроны Оже. Возникающие при этом новые вакансии последовательно заполняются электронами с более высоких оболочек. Эти два процесса снятия возбуждения – флуоресценция и испускание электронов Оже – конкурируют между собой. Вероятность радиационного перехода носит название выхода флуоресценции w и для K -оболочки может быть определена по эмпирической приближенной формуле
(1.29) |
где Z – атомный номер; С – константа. Вероятность безрадиационного перехода на K -уровень характеризуется величиной оже-выхода e K, причем
e K + w K = 1. | (1.30) |
На рисунке 1.10 представлены зависимости вероятности переходов с испусканием характеристического флуоресцентного фотона и электрона Оже при первичной ионизации K- оболочки. Возможен переход электронов между подоболочками одной и той же электронной оболочки. Такие переходы называются переходами Костера-Кронига, и испускаемые при этом электроны также называются электронами Костера-Кронига.
Спектр g-излучения, образующегося при снятии возбужденных состояний ядер, всегда является дискретным. Спектр радионуклидного источника представляет собой набор ярко выраженных отдельных g-линий. Времена жизни возбужденных ядер по отношению к g-излучению по ядерным масштабам достаточно велики (больше 10-15 с, а чаще всего10-10 − 10-8 с) и естественная ширина g-линий, соответствующая соотношению неопределенностей D E g·D t» ћ, на пять − шесть порядков меньше энергии самих линий, т. е. составляет доли электрон-вольта. Снятие возбуждения с атомных оболочек происходит за более короткие времена (менее 10-17 − 10-16 с), чем для ядер, и естественная ширина характеристических линий, возникающих в таком процессе, довольно большая. Например, для атома урана при снятии возбуждения K -оболочки ширина линий около 110 эВ.
|
Характеристическое излучение атомов, возбужденных при электронном захвате или внутренней конверсии, имеет ряд дискретных линий с энергией, равной разности энергий связи электронов на оболочках: той, где появилась вакансия, и той, откуда эта вакансия заполняется. Энергия этих линий лежит в диапазоне от нескольких десятков электрон-вольт для легких элементов до порядка 150 кэВ для самых тяжелых элементов периодической системы.
В некоторых процессах, не связанных с перестройкой ядра, также может генерироваться электромагнитное излучение: тормозное (при торможении заряженных частиц имеет непрерывный спектр); аннигиляционное (при аннигиляции электрона и позитрона, аннигиляционные гамма-кванты имеют энергию по 0,511 МэВ); захватное (при реакции захвата нейтронов, моноэнергетические гамма-кванты) и т.д. Характеристическое излучение (о котором говорилось выше) возникает при снятии возбуждения атома и также не относится к процессам перестройки ядра.
Ядерная изомерия
Ядерная изомерия – это такое состояние ядра, при котором вблизи основного состояния ядра возможно существование энергетического уровня, сильно отличающегося от основного по величине момента количества движения. При этом γ-переходы между такими уровнями очень затруднены, поэтому времена жизни таких уровней могут быть очень велики и достигать даже нескольких лет. Эти уровни являются метастабильными состояниями ядер-изомеров, именно они объясняют такое явление, как существование у одного ядра двух периодов полураспада. В силу сложившейся традиции, обычно только возбужденные состояния со временем жизни 10–5 с и более называют изомер ными, или метастабильными.
Рис. 1.11. Схема распада |
Для примера (рис. 1.11) можно рассмотреть распад ядра (ядро образуется из ядра в результате захвата нейтрона, в первый момент своего существования находится в сильно возбужденном состоянии , имеет метастабильное состояние Снятие возбуждения может происходить двумя различными путями, отмеченными на рис. 1.11 цифрами I и II. Если переход проходит по первому пути, то ядро быстро (~ 10-13 с) приходит в основное состояние, из которого испускает β-частицы с периодом полураспада 18 мин. По второму пути ядро быстро приходит в долгоживущее (метастабильное) состояние , из которого уже медленно (Т 1/2 ~ 4,4 ч) переходит в основное состояние с последующим испусканием β-частицы. Таким образом, по второму пути β-распад становится возможным только после заключительного перехода ядра из метастабильного состояния в основное, который происходит с Т 1/2 = 4,4 ч, поэтому и соответствующий ему β-распад будет также характеризоваться периодом 4,4 ч. При этом, поскольку в обоих способах β-частицы испускаются с одного и того же энергетического уровня, их энергетические спектры будут одинаковы.
У некоторых ядер может быть несколько метастабильных состояний. Более того, в некоторых справочниках, если маловероятен переход из изомерного состояния в основное и времена жизни сравнимы, приводятся данные как для двух разных нуклидов с одинаковым обозначением. Например, данные для короткоживущей и долгоживущей форм сурьмы приводятся как 120 S Sb (short-living) и 120 L Sb (long-living) и как 120Sb и 120 m Sb.