Фізика - Чолпан П.П. 2003

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.11. β-розпад


Бета-розпадом називають процес спонтанного перетворення нестабільного ядра в ізобарне із зарядом, відмінним на ΔZ = ±1, за рахунок випромінювання електрона (позитрона) або захоплення електрона з найближчої до ядра електронної оболонки. Період піврозпаду β -радіоактивния ядер змінюється від 0,025 с (125В) до 4 ∙ 1012 років (18775 Re). Енергія випромінюваних частинок досягає кількох мегаелектронвольт. Відомо три типи β -розпаду: β- , β+ -розпади, захоплення електрона ядром (К-захоплення). Найпростішим прикладом електронного β -розпаду (після β- -розпаду нейтрона) є β- -розпад тритію:

Період піврозпаду3 1H становить 12 років. Схематично цей процес зображено на рис. 17.9, а. Остаточно β -розпад тритію зводиться до перетворення одного нейтрона в протон. Енергетичну умову можливості β- -розпаду ядра з масовим числом А і зарядом Z можна записати так:

Отже, маса початкового β- -радіоактивного ядра має бути більшою, ніж сума мас кінцевого ядра і електрона. Цю умову можна виразити через маси атомів, якщо до лівої частини нерівності (17.34) додати Zme, тобто масу електронів у атомі:

Звідси можна підрахувати енергію, що виділяється при β -розпаді:

Для розглянутого прикладу ΔЕ β - = 0,019 МеВ.

Прикладом позитронного β -розпаду є β+ -розпад ядра11 6С:

Період піврозпаду11 6С становить 20 хв. У цьому разі β+ -розпад ядра11 6С зводиться до перетворення одного з його протонів у нейтрон (рис. 17.9, б). Звичайно, це перетворення слід розуміти умовно, оскільки маса протона менша від маси нейтрона, внаслідок чого позитронний розпад вільного протона неможливий. Однак для протона, зв’язаного в ядрі, подібне перетворення можливе, оскільки нестача енергії для такого перетворення доповнюється ядром. Енергетичну умову β- -розпаду можна записати за аналогією з умовою β+ -розпаду:

Якщо до обох частин нерівності додати масу електпонної оболонки Zme, то прийдемо від мас ядер до мас атомів і нерівність набере такого вигляду:

Енергія, що виділяється при β+ -розпаді,

Для β+ -розпаду ядра11 6С вона становить ΔЕ β + ≈ 1 МеВ.



Рис. 17.9


Третій вид β -радіоактивності — електронне захоплення (е-захоплення) було відкрите американським фізиком Л. Альваресом (1937 р.). Воно полягає в захопленні ядром електрона з електронної оболонки власного атома. Природу е-захоплення було виявлено при вивченні рентгенівського випромінювання, яке його супроводжує. Істотне значення для важких ядер має захоплення електрона з K -оболонки (K -захоплення). При цьому звільняється місце в K -шарі, внаслідок чого атом переходить у збуджений стан. Повернення до нормального стану відбувається внаслідок переходу одного з електронів зовнішніх шарів на звільнене місце в K -шарі, що супроводжується виникненням характеристичного рентгенівського випромінювання K -серії. Іноді перебудова електронної оболонки із заповненням вільного місця в К-шaрі відбувається і без рентгенівського випромінювання, за рахунок автоiонізації атома; в цьому разі надлишок енергії оболонки несе один із електронів, причому викинутий електрон має велику швидкість (ефект Оже).

Прикладом легкого K -радіоактивного ядра може бути ядро7 4Вe, яке захоплює K -електрон і перетворюється в ядро7 3Li:

Період піврозпаду7 4Вe становить 53,6 дня.

Схему е-захоплення зображено на рис. 17.9, в. Енергетичну умову можливості K -захоплення можна записати так:

де Е' K — енергія зв’язку K -електрона в атомі, виражена в одиницях маси (у. а. о. м.). Додаючи до лівої і правої частини нерівності (17.12) (Z - 1) me , дістанемо

Енергія, що виділяється при K -захопленні,

Для розглянутого випадку ΔЕк = 0,864 МеВ.

Порівнюючи наведені нерівності для атомних мас, можна переконатися, що окремим ядрам властиві два, а то й три типи β -перетворень.

Тепер розглянемо деякі особливості β -розпаду. На відміну від α -частинок, що випромінюються з певними, характерними для кожної радіоактивної речовини, енергіями, β -частинки випромінюються з різними початковими енергіями, розподіленими за статистичним законом від найменших значень до максимальних (рис. 17.10). Для одних речовин це максимальне значення близько кількох десятих мегаелектронвольта, для інших — 1...4 МеВ і в окремих випадках ще більше. Наприклад, максимальна енергія електронів, випромінюваних2 14 82Рb, дорівнює 0,65 МеВ, а у2 14 83Ві — 7,68 МеВ.


Рис. 17.10


Суцільний характер β -спектрів, здавалося б, суперечить квантовій механіці. Справді, оскільки при β -розпаді ядро переходить із деякого певного енергетичного стану в інший (також певний квантовий стан), то швидкості випромінених електронів (позитронів) повинні були б мати тільки такі значення, при яких їхня енергія дорівнює різниці квантових станів ядра, як це відбувається при випромінюванні α -частинок. Неперервний характер розподілу енергії β -частинок з цього погляду свідчить про те, що частина енергії під час розпаду немовби безслідно втрачається. Тому деякі фізики запропонували відмовитись від закону збереження енергії в елементарних актах. Було поставлено під сумнів універсальність закону збереження енергії. Тоді В. Паулі висловив припущення, розвинуте Е. Фермі, що одночасно з випромінюванням електрона випромінюється ще одна частинка, яка забирає «залишок» енергії квантового переходу. Якби ця частинка мала заряд або масу (порядку маси електрона), то при експериментальних дослідженнях β -перетворень вона не залишалася б непоміченою. Тому, безумовно, ця частинка, яка згодом дістала назву антинейтрино, не несе заряду і має дуже малу або навіть нульову масу. Коли в явищах штучно викликаної радіоактивності було виявлено позитрони, які мають розподіл енергій, аналогічний електронам, таку частинку, що супроводжує випромінювання позитронів, почали називати нейтрино.

Оскільки ядро одночасно випромінює електрон і антинейтрино (позитрон і нейтрино), то зрозуміло, що енергія, яка дорівнює різниці стаціонарних станів ядра, може як завгодно розподілятись між двома викинутими частинками. Цим пояснюється неперервний спектр ядерного β -випромінювання. Якби нейтрино (антинейтрино) не існувало, то в одиничному акті β -розпаду порушувався б закон збереження енергії: частину енергії квантового переходу ядра несе із собою електрон, а залишок енергії довелось би вважати таким, що зникає безслідно.

Через відсутність заряду і дуже малу масу антинейтрино (нейтрино) не iонізує на своєму шляху повітря.

Отже, при звичайних β -перетвореннях викидання антинейтрино () відбувається разом з викиданням електрона е-, тоді як позитронний розпад супроводжується викиданням нейтрино (ν). Схему перетворення нейтрона на протон і протона на нейтрон можна записати так:

де n — нейтрон; р — протон; е- — електрон; е+ — позитрон; — антинейтрино; ν — нейтрино.

Наявністю нейтрино (антинейтрино) пояснюється і збереження спіну ядра при β -розпаді.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити