52.Электрические и магнитные мультипольные гамма-переходы
Образование γ-квантов происходит под действием электромагнитных сил и обусловлено взаимодействием отдельных нуклонов ядра с электромагнитным полем, создаваемым движением всех нуклонов ядра. Поэтому γ-излучение, в отличие от β-распада, явление внутриядерное, а не внутринуклонное. Испускание или поглощение -квантов свободным нуклоном запрещено совместным действием законов сохранения энергии и импульса.
Собственный механический момент -кванта равен единице s=1. Это обусловлено тем, что электромагнитные колебания происходят в плоскости, перпендикулярной вектору перемещения волны (поперечные колебания) и поэтому не может быть сферической симметрии, которая в квантовой механике характеризуется нулевым механическим моментом. В этой связи -кванты, испускаемые ядрами, должны уносить из ядра момент импульса не меньше единицы. Для фотона вообще, имеющего нулевую массу покоя, в отличие от других микрочастиц, не существует понятия орбитального момента, и у фотона нет s-, p-, d- и других состояний с определенными значениями орбитального момента l. Фотон может обладать только полным моментом J = 1, 2, 3… J ≠ 0. Состояние свободно распространяющегося электромагнитного поля с определенным полным моментом J и четностью P называется мультиполем. J - мультипольность. Излучение, уносящее момент J = 1, называется дипольным, J= 2 – квадрупольным J = 3 - октупольным и т.д. Монопольных -квантов J = 0 не существует. Для радиационных переходов определенной мультипольности используются следующие обозначения. Радиационные переходы, вызванные перераспределением электрических зарядов в ядре, называют электрическими и обозначают буквой E (E1 - дипольные (J = 1), Е2 - квадрупольные (J = 1), и т.д.), переходы, вызванные перераспределением магнитных моментов нуклонов называют магнитными переходами (дипольные - M1, квадрупольные - М2 и т.д.). Для большинства ядер время жизни дипольных переходов τ = 10-12 до 10-17с.
В
соответствии с законом сохранения
полного момента количества двидения
(
)
существует следующие соотношение между
спином Jн
начального и спином Jк
конечного ядра и моментом J,
уносимым ‑квантом:
|
(16.5) |
.Это соотношение называется правилом отбора по спину. Согласно этому соотношению дипольные γ‑кванты (J = 1) могут быть испущены при переходах между состояниями с ΔJ= 0, ±1, кроме (0-0)-переходов; квадрупольные γ‑кванты (J= 2) – при переходах с ΔJ= 0, ±1, ±2, кроме (0-0)-, (0-1)- и(1-0)-переходов; октупольные γ‑кванты (J= 3) – при переходах с ΔI = 0, ±1, ±2, ±3, кроме (0-0)-, (0-2)- и(2-0)- и т.д.
Еще
одно правило
отбора по четности
связано с выполнением закона сохранения
четности (
).
Разрешенное изменение четности Р
ядра, испускающего электрический
γ-квант, описывается формулой
Рн/Рк = (-1)J, |
(16.6) |
а для ядра, испускающего магнитный γ-квант, - формулой
Рн/Рк = (-1)J+1, |
(16.7) |
где Рн иРк – четности начального и конечного состояний ядра. Совокупность соотношений (16.5) - (16.7) обычно называют правилами отбора для γ-излучения.
Теория
электромагнитного излучения дает
следующие зависимости вероятности λ
(постоянная распада
)
испускания -кванта
в единицу времени от мультипольности
J
перехода и длины волны
(а,
следовательно, и энергии -кванта;
см. (16.4)):
для электрических EJ переходов
|
(16.8) |
,а для магнитных HJ переходов
|
(16.9) |
,
где
R
– радиус ядра. Так как обычно
то
из (16.8) и (16.9) следует, что падение
вероятности излучения от энергии тем
резче, чем выше мультипольность, а
переходы высокой мультипольности
маловероятны (сильно запрещены).
В
основном происходит всегда излучение
γ-кванта с наинизшей мультипольностью.
Это связано с тем, что увеличение порядка
мультипольности на единицу приводит к
уменьшению вероятности излучения, т.е.
вероятности γ-перехода в
раз.
Кроме того, при одинаковых мультипольностях
вероятность магнитного излучения тоже
в
раз
меньше. Таким образом, в порядке уменьшения
вероятности излучения переходы
располагаются следующим образом:
Е1, Е2
и М1,
Е3
и М2
и т.д.
Рассмотрим пример.