Основные типы радиоактивности

К основным типам радиоактивности относятся альфа-,бета- и гамма-распады..

Альфа-распад. В этом случае происходит самопроизвольное испускание ядром α-частицы (ядра нуклида ⁴Не), и это проис­ходит по схеме

где X — символ материнского ядра, Y — дочернего.

Установлено, что α-частицы испускают только тяжелые ядра. Кинетическая энергия, с которой α-частицы вылетают из рас­падающегося ядра, порядка нескольких МэВ. В воздухе при нормальном давлении пробег α-частиц составляет несколько сантиметров (их энергия расходуется на образование ионов на своем пути).

Альфа-частица возникает только в момент радиоактивного распада ядра. Покидая ядро, ей прихо­дится преодолевать потенциальный барь-­
ер, высота которого превосходит ее энер­гию (см.рис.).

Внутренняя сторона барь­ера обусловлена ядерными силами, внешняя же — силами кулоновского от­талкивания α-частицы и дочернегоядра.
Преодоление α-частицей потенциаль­
ного барьера в данных условиях происходит благодаря туннельному эффекту

Квантовая теория, учитывая вол­новые свойства α-частицы, «позволяет» ей с определенной веро­ятностью проникать сквозь такой барьер. Соответствующий расчет хорошо подтверждается результатами измерений.

Бета-распад. Так называют самопроизвольный процесс, в котором исходное ядро превращается в другое ядро с тем же массовым числом А, но с зарядовым числом Z, отличающимся от исходного на ±1. Это связано с тем, что β -распад сопровождается испусканием электрона (позитрона) или его захватом из оболочки атома. Различают три разновидности β -распада:

1) электронный - распад, в котором ядро испускает электрон и его зарядовое число Z становится Z + 1;

2)позитронный - распад, в котором ядро испускает позитрон и его зарядовое число Z становится Z - 1;

3) К - захват, в котором ядро захватывает один из электронов электронной оболочки атома (обычно из К -оболочки) и его зарядовое число Z становится равным Z -1. На освободив­шееся место в К -оболоч-ке переходит электрон с другой обо­лочки, и поэтому К -захват всегда сопровождается характе­-
ристическим рентгеновским излучением.

«Проблему -распада» ре­шил Паули (1930), предположивший, что вместе с электроном испускается электрически нейтральная частица, неуловимая вследствие очень большой проникающей способности. Ее назва­ли нейтрино .

Важное обстоятельство в пользу гипотезы о существовании нейтрино — это необходимость сохранения момента импульса в реакции распада. Дело в том, что отличи­тельной чертой (-распада является превращение в ядре ней­трона в протон, и наоборот. Поэтому можно сказать, что -распад есть не внутриядерный процесс, а внутринуклонный про­цесс. В связи с этим указанные выше три разновидности -распада обусловлены следующими превращениями нукло­нов в ядре:

Сейчас установлено, что спин ней­трино равен 1/2.

Наблюдать нейтрино непосредственно очень сложно. Это обу­словлено тем, что их электрический заряд равен нулю, масса (если она есть) чрезвычайно мала, фантастически мало и эф­фективное сечение взаимодействия их с ядрами. Согласно тео­ретическим оценкам средняя длина свободного пробега нейтри­но с энергией 1 МэВ в воде порядка 10¹⁶ км (или 100 световых лет!). Это значительно превышает размеры звезд. Такие ней­трино свободно пронизывают Солнце, а тем более Землю.

Чтобы зарегистрировать процесс захвата нейтрино, необхо­димо иметь огромные плотности потока их. Это стало возмож­ным только после создания ядерных реакторов, которые и были использованы как мощные источники нейтрино.

Непосредственное экспериментальное доказательство суще­ствования нейтрино было получено в 1956 г.

Гамма-распад. Этот вид распада заключается в испускании возбужденным ядром при переходе его в нормальное состояние γ-квантов, энергия которых варьируется в пределах от 10 кэВ до 5 МэВ. Существенно, что спектр испускаемых γ-квантов диск­ретный, так как дискретны энергетические уровни самих ядер.

В отличие от β -распада, γ -распад — процесс внутриядерный, а не внутринуклонный.

Возбужденные ядра образуются при β -распаде в случае, если распад материн­ского ядра X в основное состояние дочерне­го ядра Y запрещен. Тогда дочернее ядро Y оказывается в одном из возбужденных состояний, переход из которого в основное состояние и сопровождается испусканием у-квантов (см.рис.).

Возбужденное ядро может перейти в основное состояние и другим путем, путем непосредственной передачи энергии воз­буждения одному из атомных электронов, например, в К -оболочке. Этот процесс, конкурирующий с β -распадом, называют внутренней конверсией электронов.Внутренняя конверсия сопровождается рентгеновским излучением.

Ядерные реакции

Ядерная реакция — это процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, — процесс, сопровождающийся преобразованием ядер. Это взаи­модействие возникает благодаря действию ядерных сил при сближении частиц до расстояний порядка 10^{-13 см.}

Отметим, что именно ядерные реакции дают наиболее широ­кую информацию о свойствах ядер. Поэтому изучение ядерных реакций является самой главной задачей ядерной физики.

Наиболее распространенным типом ядерной реакции явля­ется взаимодействие частицы а с ядром X, в результате чего об­разуется частица b и ядроY. Это записывают символически так:

или

Роль частиц а и b чаще всего выполняют нейтрон п, протон р, дейтрон d, α -частица и γ -квант..

Частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции, могут быть не только b и Y, но вместе с ними и другие b', Y'. В этом случае говорят, что ядерная реакция имеет несколько ка­налов, причем различным каналам соответствуют различные вероятности.

Типы ядерных реакций. Установлено, что реакции, вызыва­емые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап — это захват налетающей частицы а ядром X с об­разованием составного (или промежуточного) ядра. При этом энергия частицы а быстро перераспределяется между всеми нуклонами ядра, и составное ядро оказывается в возбужденном состоянии. В этом состоянии ядро пребывает до тех пор, пока в результате внутренних флуктуации на одной из частиц (кото­рая может состоять и из нескольких нуклонов) не сконцентри­руется энергия, достаточная для вылета ее из ядра.

Такой механизм протекания ядерной реакции был предло­жен Н. Бором (1936) и впоследствии подтвержден эксперимен­тально. Эти реакции иногда записывают с указанием составно­го ядра С, как например

где звездочка у С указывает на то, что ядро С* возникает в воз­бужденном состоянии.

Составное ядро С* существует достаточно долго — по сравне­нию с «ядерным временем», т. е. временем пролета нуклона с энергией порядка 1 МэВ (v 10⁹см/с) расстояния, равного диа­метру ядра. Ядерное время _я10^-21с. Время же жизни состав­ного ядра в возбужденном состоянии ~ 10^-14с. Т. е. в ядерном масштабе составное ядро живет действительно очень долго. За это время все следы истории его образования исчезают. Поэто­му распад составного ядра — вторая стадия реакции — проте­кает независимо от способа образования составного ядра.

Реакции, вызываемые быстрыми частицами с энергией, пре­вышающей десятки МэВ, протекают без образования составно­го ядра. И ядерная реакция, как правило, является прямой. В этом случае налетающая частица непосредственно передает свою энергию какой-то частице внутри ядра, например, одному нук­лону, дейтрону, α -частице и т. д., в результате чего эта частица вылетает из ядра.

Типичная реакция прямого взаимодействия — это реакция срыва, когда налетающей частицей является, например, дей­трон. При попадании одного из нуклонов дейтрона в область действия ядерных сил он будет захвачен ядром, в то время как другой нуклон дейтрона окажется вне зоны действия ядерных сил и пролетит мимо ядра. Символически реакцию срыва запи­сывают как (d, n) или (d, p).

При бомбардировке ядер сильно взаимодействующими час­тицами с очень высокой энергией (от нескольких сотен МэВ ивыше) ядра могут «взрываться», распадаясь на множество мел­ких осколков. При регистрации такие взрывы оставляют след в виде многолучевых звезд.

Энергия реакции. Принято говорить, что ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии.

Реакции с выделением энергии называют экзоэнергетическими, реакции с поглощением энергии — эндоэнергетическими.

У электрона есть античастица — позитрон, который был обнаружен в составе космического излучения. Существо­вание позитронов также было доказано наблюдением их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле. Позитрон — частица с массой, равной массе электрона, и спином 1/2 (в единицах ), несущая положительный заряд +е.

Согласно Бору, ядерные реакции протекают в две стадии по схеме:

Первая стадия — захват ядром частицы а и образование промежуточного ядра С, называемого составным, или компаунд-ядром. Вторая стадия — распад составного ядра на ядро Y и частицу b.

Фредерик и Ирен Жолио-Кюри бомбардировали α -частицами В, А1 и Mg, что привело к искусственно радиоактивным ядрам, претерпеваю-щим -распад (позитронный распад или ⁺р- распад):

В ядерных реакциях выполняется правило смещения

Процесс р⁺ - распада протекает так, как если бы один из протонов ядра превратился в нейт­рон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

Позитроны могут рождаться при взаимодействии γ -квантов большой энергии (E_γ > 1,02 МэВ = 2 m_eс²) с веществом. Этот процесс протекает по схеме

Электронно-позитронные пары были обнаружены в камере Вильсона, поме­щенной в магнитное поле, в которой и отклонялись в противопо­ложные стороны. Процесс превращения электронно-позитронной пары (при столкновении позитрона с электроном) в два γ - кванта, называется аннигиляция. При аннигиляции энергия пары переходит в энергию фотонов

Появление в этом процессе двух γ -квантов следует из законов сохранения импульса и энергии.

Захват ядром электрона с одной из внутренних оболочек атома (К, L и т. д.) с испусканием нейтрино (электронный захват или е-захват) происходит по следующей схеме:

(появление нейтрино вытекает из закона сохранения спина). В общем виде схема е -захвата:

В зависимости от скорости (энергии) нейтроны делят на медленные и быстрые.

Медленные нейтроны: ультрахолодные (≤ 10^-7эВ),

очень холодные(10^-7÷10^-4 эВ),холодные(10^-4÷10^-3 эВ),

тепловые (10^-3÷0,5 эВ), резонансные (0,5÷10⁴эВ) Электронный захват обнаруживается по сопровождающему его харак­теристическому рентгеновскому излучению, возникающему при заполнении образовавшихся вакансий в электронной оболочке атома. Вся энергия распада уносится нейтрино.

Замедлить нейтроны можно пропуская их через вещество, содержащее водород (например, воду). Они испытывают при этом рассеяние и замедляются.