37. Альфа-распад радиоактивных ядер. Бета-распад. Спектр бета-частиц. Проблема массы нейтрино. Электронный захват (е-захват).

Альфа-распад. Альфа – лучи представляют собой поток ядер гелия . Распад протекает по следующей схеме:

68168\* MERGEFORMAT (.)

Буквой X обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y – химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа –распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром γ – лучей. Из схемы распада видно, что атомный номер дочернего вещества на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного вещества. Примером может служить распад изотопа урана , протекающий с образованием тория:

.

Скорости, с которыми α – частицы (т.е. ядра ) 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. Таким обра­зом, α – частица образует на своем пути примерно 10⁵ пар ионов. Естественно, что чем больше плотность вещества, тем меньше пробег α – частиц до остановки. Так, в воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров, в твердом веществе про­бег имеет величину порядка 10^-3 см (α – частицы полностью задержи­ваются обычным листом бумаги).

Кинетическая энергия α – частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя до­чернего ядра и α – частицы. Эта избыточная энергия распределяется между α – частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорцио­нальном их массам. Энергии (скорости) α – частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, оказываются строго определенными. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп α – частиц близкой, но различной энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях.

На рис. 4 приведена схема, поясняю­щая возникновение различных групп α – частиц (возникновение тонкой структуры α – спектра), испускаемых при распаде ядер (висмут-212).

Р и с. 4

Слева на схеме изображены энергетические уровни дочернего ядра (таллий-208). Энергия основного состояния принята за нуль. Избыток энергии покоя мате­ринского ядра над энергией покоя α – частицы и дочернего ядра в нормальном состоянии составляет 6,203 МэВ. Если дочернее ядро возникает в невозбужденном состоя­нии, вся эта энергия выделяется в виде кинетической энергии, причем на долю α – частицы приходится

(эта группа частиц обозначена на схеме через α₀). Если же дочернее ядро возникает в пятом возбужденном состоянии, энергия которого на 0,617 МэВ превышает энергию нормального состояния, то выделившаяся энергия составит 6,203-0,617 = 5,586 МэВ, и на долю α – частицы достанется 5,481 МэВ (группа частиц α₅). Относитель­ное количество частиц равно ~ 27% для α₀, ~ 70% для α₁ и всего лишь ~ 0,01% для α₅. Относительные количества α₂, α₃ и α₄ также очень малы (порядка 0,1-1%).

Среднее время жизни τ возбужденных состояний для большин­ства ядер лежит в пределах от 10^-8 до 10^-15 с. За время, равное в среднем τ, дочернее ядро переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние, испуская γ – фотон. На рис. 4 показано возникновение γ – фотонов шести различных энергий.

Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и дру­гими способами. Возбужденное ядро может испустить какую-либо час­тицу: протон, нейтрон, электрон или α – частицу. Наконец, обра­зовавшееся в результате α – распада возбужденное ядро может отдать избыток энергии непосредственно (без предварительного испускания γ – кванта) одному из электронов K-, L- или даже M – оболочки атома, в результате чего электрон вылетает из атома. Этот процесс носит название внутренней конверсии. Возникшее в результате вылета электрона вакантное место будет заполняться электронами с вышеле­жащих энергетических уровней. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей.

Подобно тому как фотон не существует в готовом виде в недрах атома и возникает лишь в момент излучения, α – частица также воз­никает в момент радиоактивного распада ядра. Покидая ядро, α – час­тице приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого превосходит полную энергию α – частицы, равную в среднем 6 МэВ (рис. 5). Внешняя, спадающая асимптотически к нулю сторона барьера обусловлена кулоновским отталкиванием α – частицы и дочернего ядра. Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными силами. Опыты по рассеянию α – частиц тяжелыми α – радиоактивными ядрами показали, что высота барьера заметно превышает энергию вылетаю­щих при распаде α – частиц. По классическим представлениям пре­одоление частицей потенциального барьера при указанных условиях невозможно. Однако согласно квантовой механике имеется отличная от нуля вероятность того, что части­ца просочится через барьер, как бы пройдя по туннелю, имеющемуся в барьере. Это явление, называемое туннельным эффектом, было нами рассмотрено раньше. 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 ( e –захватом), ядро поглощает один из электронов K – обо­лочки, значительно реже или L – или M – оболочки (соответственно вмес­то e – захвата говорят о K – захвате, L – захвате или M – зах­вате).

Первый вид распада (β^- – распад или электронный распад) про­текает по схеме:

69169\* MERGEFORMAT (.)

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе β – распада, мы приписали β – электрону зарядовое число Z = -1 и массовое число A = 0.

Из схемы 169 видно, что дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, 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 150. Вообще процесс 150 представляет собой частный случай процесса 169. 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.

Р и с. 6

Примером β – распада может служить превращение тория в протактиний с испусканием электрона и антинейтрино:

В отличие от α – частиц, обладаю­щих в пределах каждой группы строго определенной энергией, β – электроны обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до E_max. На рис. 6 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β – распаде. Площадь, охватываемая кривой, даст общее число электронов, испускаемых в единицу времени, dN – число электронов, энергия которых заключена в интервале dE. Энергия E_max соответствует разности между массой материнского ядра и массами электрона и дочернего яд­ра. Следовательно, распады, при которых энергия электрона E мень­ше E_max, протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Чтобы объяснить исчезновение энергии (E_max - E), Паули высказал в 1932 г. предположение, что при β – распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая уносит с собой энергию (E_max - E). Так как 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 равна 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 169 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.

Непосредственное экспериментальное доказательство существова­ния нейтрино было получено только в 1956 г.

Итак, энергия, выделяющаяся при β – распаде, распределяется между электроном и антинейтрино (либо между позитроном и нейтрино, см. ниже) в самых разнообразных пропорциях.

Второй вид распада (β⁺ – распад или позитронный распад) проте­кает по схеме

70170\* MERGEFORMAT (.)

В качестве примера можно привести превращение азота в угле­род :

Из схемы 170 видно, что атомный номер дочернего ядра на еди­ницу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона e⁺ (в формуле 170 он обозначен символом ) и нейтрино ν, возможно также возникновение γ – лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде 170, представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при распаде 169

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

71171\* MERGEFORMAT (.)

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других ну­клонов, входящих в состав ядра.

Третий вид β – распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один из K – 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:

72172\* MERGEFORMAT (.)

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электро­ном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи. Электронный захват легко обна­руживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению. Именно этим путем и был открыт К – захват Альварецом в 1937 г.

Примером электронного захвата может служить превращение калия в аргон :