 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Различные виды распадов
27.3. Эффект Мессбауера.
Явлениеα распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают α частицы. Альфа-лучи представляют собой поток ядер гелия 
. При этом массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер - на две. Распад протекает по следующей схеме:
(27.1)
Буквой X обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y - химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа-распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром γ лучей. Примером может служить распад изотопа урана 238U, протекающий с образованием тория:
+ .
Основными характеристиками α распада, как и всякого радиоактивного процесса, является область ядер, у которых наблюдается распад, а также периоды полураспада ядер и энергия вылетающих α частиц.
Скорости, с которыми α-частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики (~109 см/с; кинетическая энергия порядка нескольких МэВ). Пролетая через вещество, α-частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эВ. Теория α-распада, основывающаяся на представлении о туннельном эффекте, приводит к результатам, хорошо согласующимся с данными опыта.
Бета-распад. Существуют три разновидности β-распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом - позитрон, в третьем случае, называемом электронным захватом (е-захватом), ядро поглощает один из электронов К-оболочки, значительно реже L- илиМ-оболочки (соответственно вместо е-захвата говорят о К-захвате, L-захвате или М-захвате).
Первый вид распада (
- распад или электронный распад) протекает по схеме:
27.2)
Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе β-распада, мы приписали β-электрону зарядовое число Z =-1 и массовое число А = 0.
Из схемы (3.2) видно, что дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больше, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино 
. Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра 
превратился в протон, претерпев превращение по схеме (1.1). Вообще процесс (1.1) представляет собой частный случай процесса (3.2). Поэтому говорят, что свободный нейтрон β-радиоактивен.
Бета-распад может сопровождаться испусканием γ-лучей. Механизм их возникновения тот же, что и в случае α-распада- дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях.
Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает γ-фотон.. Примером распада может служить
превращение тория 234Th в протактиний 234Ра с испусканием электрона и антинейтрино: 
.
 |
Рис. 27.1
β-электроны обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до 
. На рис. 5 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β-распаде. Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени, dN - число электронов, энергия которых заключена в интервале dE. Энергия соответствует разности между массой материнского ядра и массами электрона и дочернего ядра. Следовательно, распады, при которых энергия электрона Е меньше , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.
Чтобы объяснить исчезновение энергии - Е, В.Паули высказал в 1932 г. предположение, что при β-распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая уносит с собой энергию - Е. Таккак эта частица никак себя не обнаруживает, следовало признать, что она нейтральна и обладает весьма малой массой (в настоящее время установлено, что масса покоя этой частицы близка к нулю). По предложению Э.Ферми эту гипотетическую частицу назвали нейтрино (что означает «маленький нейтрон»).
Имеется еще одно основание для предположения о нейтрино (или антинейтрино). Спин нейтрона, протона и электрона одинаков и равен 1/2. Если написать схему (27.2) без антинейтрино, то суммарный спин возникающих частиц (который для двух частиц с s = 1/2 может быть либо нулем, либо единицей) будет отличаться от спина исходной частицы. Таким образом, участие в β-распаде еще одной частицы диктуется законом сохранения момента импульса, причем этой частице необходимо приписать спин, равный 1/2 (или 3/2).Установлено, что спин нейтрино (и антинейтрино) равен 1/2.
Второй вид распада (
- распад или позитронный распад) протекает по схеме:
(27.3)
Из схемы (27.3) видно, что атомный номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона 
(в формуле (27.3) он обозначен символом 
) и нейтрино ν, возможно также возникновение γ-лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде (27.3) представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при распаде (27.2).
Процесс - распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:
(27.4)
Третий вид β-распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов (реже один из L- или М-электронов) своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:
.
Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает γ-фотоны. Схема процесса выглядит следующим образом:
. (27.5)
Гамма-излучения ядер. Явление γ-излучения ядер состоит в том, что ядро испускает γ-квант без изменения A и Z. Гамма - излучение возникает за счет энергии возбуждения ядра. Спектр γ-излучения всегда дискретен из-за дискретности ядерных уровней.
Простейший и наиболее часто используемый способ получения γ-активных ядер основан на β-распаде на возбужденные уровни конечного ядра. Особенно интенсивное γ-излучение появляется, когда β-распад в высокой степени запрещен в основное состояние конечного ядра и разрешен в одно из возбужденных состояний.
Гамма-излучение ядер обусловлено взаимодействием отдельных нуклонов ядра с электромагнитным полем. Несмотря на это, в отличие от β-распада, γ-излучение - явление не внутринуклонное, а внутриядерное. Изолированный свободный нуклон испустить (или поглотить) γ-квант не может из-за совместного действия законов сохранения энергии и импульса. В то же время внутри ядра нуклон может испустить квант, передав при этом часть импульса другим нуклонам.
Эффект Мессбауэра. В 1958 г. в физике γ-излучения было сделано интересное открытие, получившее по имени автора название эффект Мессбауэра. Этот эффект является ядерным аналогом резонансной флуоресценции и состоит в том, что если одно ядро испускает γ-квант, то другое такое же ядро с большой вероятностью (процесс резонансный) этот квант поглощает. До 1958 г. наблюдение резонансного поглощения γ-квантов ядрами считалось невозможным по следующим соображениям: при вылете фотона ядро получает импульс отдачи p, равный по абсолютной величине импульсу фотона. Соответственно ядро приобретает кинетическую энергию 
, где M - масса ядра. Поэтому энергия сp вылетающего фотона не точно равна энергии перехода Е (т. е. разности уровней ядра), а связана с ней соотношением:
, (27.6)
учитывающим, что энергия перехода делится между фотоном и ядром отдачи. Энергия отдачи ∆Е с хорошей точностью определяется формулой:
. (27.7)
Резонансное поглощение может иметь место только тогда, когда энергия отдачи меньше ширины линии Г:
∆Е<Г (27.8)
Для обычной оптической резонансной флуоресценции это условие прекрасно соблюдается.
Основная идея Мессбауэра состояла в том, что в квантовой механике эффект кристаллической связи проявляется не так, как в классической механике, а статистическим образом. Влияние кристаллической решетки мало в среднем. В большинстве случаев ядра испытывают полную отдачу, а в небольшом проценте случаев идут переходы без отдачи, в которых импульс фотона принимает на себя не отдельное ядро, а кристалл в целом. При таких переходах без отдачи и происходит резонансное поглощение.
Эффект Мессбауэра интересен и уникален тем, что с его помощью измерение энергии можно производить с колоссальной относительной точностью (до 15-17 порядков). Такая рекордная точность позволила, например, измерить столь тонкий эффект, как зависимость энергии (т.е. частоты) фотона от высоты источника за счет силы тяжести.
Поиск по сайту: