ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Распад нестабильных ядер из "Ядерная химия и радиохимия" При рассмотрении энергетической новерхности мы убедились в том, что при данном нечетном А в ряду изобар может быть только один стабильный нуклид. При четных 4 может быть до трех четно-четных изобар, стабильных по отношению к -распаду, приводящему к образованиям их нечетно-нечетных соседей. Поскольку двойной -распад, если он существует, является крайне маловероятным процессом (ii/j 10 лет), то такие ядра можно считать вообще стабильными по отношению к 3-распаду. [c.55] Если обратиться ко всем ядрам, а не только к изотопам, то из рассмотрения кривой энергии связи (рис. 5) следует, что, по существу, имеется только одно ядро (по-видимому, F0 ), которое представляет термодинамически стабильную форму ядерной материи. При абсолютном нуле все другие ядра должны самопроизвольно (но с неизмеримо малыми скоростями) превращаться в Fe . В гл. XV будут рассмотрены относительно быстрые превращения легких ядер в ядра, лежащие в области железа полагают, что эти превращения протекают при определенных жестких условиях (температура, давление) но внутренних областях звезд. [c.55] Выше уже было отмечено, что Ядра с А 140 нестабильны по отношению к а-распаду. Это явление связано с тем, что испускание а-частицы уменьшает кулоновскую энергию главную отрицательную составляющую энергии связи тяжелых ядер. Связь нуклонов в а-частице и в тяжелых ядрах почти одинакова. а-Радиоак Гивность при А 140 наблюдается и у природных и у искусственно полученных нуклидов. Периоды полураспада изменяются в пределах от малых долей секунды до 10 лет. Стабильные ядра в этой области А скорее можно назвать условно-стабильными по-видимому, они просто имеют слишком большой и недоступный для измерения период полураспада. [c.55] Распада нестабильных ядер с иЬпусканием протонов не происходит , так как, хотя такой процесс и приводит к уменьшению кулоновской энергии, он одновременно вызывает существенное уменьшение связи ядра. При избытке протонов в ядре с протонным распадом успешно конкурирует Р-распад, приводящий к испусканию позитронов (см. гл. VIII, раздел Б). [c.55] При рассмотрении радиусов ядер уже упоминалось, что квантовомеханическая теория а-распада устанавливает связь между периодом полураспада, с одной стороны, и кинетической энергией а-частицы и высотой и шириной потенциального барьера — с другой. Количественное рассмотрение этого вопроса приводится в гл. VIII. Здесь только укажем, что при изменении энергии а-частиц в пределах от 1,5 до 11 Мэе период полураспада изменяется более чем в 10 раз. Увеличение энергии приводит, естественно, к уменьшению периода полураспада. [c.56] Позитроны. Позитронный (или р+) распад связан с превращением протона в нейтрон и сопровождается уменьшением 2 на единицу. Этот тип распада встречается у ядер, обладающих избытком протонов по сравнению со стабильным изобаром (т. е, ядро лежит на правом склоне долины стабильности ). Процесс р -распада был обнаружен спустя несколько лет носле того, как существование позитрона было постулировано Дираком из чисто теоретических соображений. Исследуя свойства предложенного им релятивистского волнового уравнения для электрона, Дирак установил, что уравнение имеет решения, соответствующие существованию электрона в положительных и отрицательных энергетических состояниях, причем абсолютное значение энергии всегда больше тс (пг — масса электрона). Для объяснения физического смысла отрицательных, не наблюдающихся на опыте, уровней энергии Дирак предположил, что обычно все отрицательные уровни заполнены. В таком случае переход электрона с отрицательного уровня на положительный (связанный с увеличением его энергии на величину, превышающую 2тс ) должен обнаружиться не только по появлению обычного электрона, но и по одновременному появлению дырки в бесконечном море электронов с отрицательной энергией. Такая дырка должна обладать свойствами положительно заряженной частицы, а в остальном не должна отличаться от обычного электрона. Вслед за обнаружением позитрона — сначала в космических лучах, а затем при процессах р+-распада — вскоре последовало открытие процессов образования пар позитрон — электрон и их аннигиляции. Все эти опытные данные можно рассматривать как экспериментальное подтверждение теории Дирака. [c.57] Захват орбитального электрона. С точки зрения представлений Дирака, испускание позитрона эквивалентно поглощению электрона из континуума отрицательных энергетических состояний. Это позволяет предположить возможность процесса, в известном смысле эквивалентного р -рас-паду (т. е. приводящего к уменьшению 2 на единицу), но связанного не с испусканием позитрона, а с поглощением ядром электрона (с положительной энергией). Поскольку в атоме ближе всего расположены к ядру /(Г-электроны (в квантовомеханической трактовке амплитуда волновой функции С-электрона в области ядра больше, чем в случае Ь-, М- и других электронов), вероятность захвата / Г-электронов ( -захват), вообще говоря, должна быть наибольшей. В 1938 г. Альварец действительно экспериментально обнаружил такой тип распада. В последующие годы было установлено, что электронный захват (Э.З.) является весьма распространенным типом радиоактивного превращения в случае ядер с недостатком нейтронов. В сущности, для таких ядер это единственно возможный способ Р-распада, если энергия превращения (т. е. разность масс исходного и конечного ядер) меньше чем 2тс . Только в том случае, если энергия превращения превышает 2тс , наряду с электронным захватом возможен Р -раснад . Чем выше энергия распада, тем более эффективно процесс испускания позитронов конкурирует с Э.З. Кроме того, отношение вероятностей этих процессов зависит от атомного номера отношение Э.З./р при данной энергии распада растет с увеличением 2. Среди наиболее тяжелых элементов позитронный распад наблюдается очень редко. [c.58] Зависимость выхода Г-флуоресценции от атомного номера [22]. [c.59] В случае / -флуоресценции (или примерно такие же, как для / -флуорес-ценции, но В атомах, где энергия связи на С-оболочке равна энергии связи данного -электрона). Если известна величина выхода флуоресценции, то можно определить скорость радиоактивного превращения ядер, испытывающих Э. 3. [c.60] Непрерывность спектра -частиц, установленная Чэдвиком в 1914 г., с самого начала ставила ученых в тупик. Исследования спектров а- и у-лучей показали, что ядра существуют в некоторых определенных энергетических состояниях. Однако во всех известных случаях Р-распада переход из одного определенного состояния в другое сопровождается испусканием 3-частиц с различной кинетической энергией. Калориметрические измерения (т. е. поглощение энергии всех р-частиц в калориметре и измерение суммарного тенла) показали, что энергия, приходящаяся на долю каждой -частицы, равна не максимальной, а средней энергии р-снектра. Эти наблюдения, казалось бы, говорят о несоблюдении закона сохранения энергии при р-распаде. Более того, из экспериментов следовало, что не соблюдаются и другие хорошо известные законы сохранения. Действительно, как известно, все ядра с четными массовыми числами подчиняются статистике Бозе и имеют целочисленный спин, а все ядра с нечетными А следуют статистике Ферми и обладают полуцелым спином. Поскольку при Р-распаде массовое число не изменяется, то исходное и конечное ядра должны обладать одинаковой статистикой и спинами одного класса (целыми или полуцелыми). С другой стороны, вылетающая р-частица (электрон или позитрон) имеет спин, равный /г, и подчиняется статистике Ферми, что позволяет сделать заключение, что при р-распаде не соблюдается закон сохранения момента количества движения и меняется статистика. Наконец, опыты, в которых были измерены и сопоставлены импульсы р-частицы и ядра отдачи, указывают на несоблюдение закона сохранения импульса. [c.61] Бо избежание отказа от всех законов сохранения Паули постулировал, что при р-распаде вместе с каждой р-частицей вылетает еще одна неизвестная и ненаблюдаемая частица. Свойства, приписываемые этой гипотетической частице, получившей название нейтрино, таковы, что обеспечивают соблюдение всех законов сохранения. Предполагается, что нейтрино обладает нулевым зарядом, спином, равным /г, подчиняется статистике Ферми эта частица уносит соответствующие доли энергии и импульса, необходимые для выполнения законов сохранения. Поскольку нейтрино ускользает от наблюдения обычными ядерными методами, необходимо предположить, что эта частица обладает очень малой или даже нулевой массой покоя и очень малым или равным нулю магнитным моментом. Верхний предел массы покоя нейтрино можно определить путем тщательного измерения максимальной энергии Р-снектра и измерения масс исходного и конечного атомов. Для таких опытов лучше всего подходит Р-распад Н из наиболее точных опытных данных следует, что верхний предел массы покоя нейтрино составляет 200 эв (0,0004 массы покоя электрона). [c.61] Сравнительно недавно существование нейтрино было подтверждено прямыми опытами, при которых наблюдалось их поглощение протонами с образованием нейтронов и позитронов. Это пример так называемого обратного р-процесса, который происходит с исключительно малой вероятностью и поэтому чрезвычайно труден для наблюдения. Путем исследования обратных процессов определенно установлено, что нейтрино, испускаемые при р -распаде, не идентичны тем, которые возникают при р -распаде последние называются антинейтрино. Неидентичность нейтрино и антинейтрино следует также из современных теорий р-распада, учитывающих несохранение четности при слабых взаимодействиях. Однако в основном (кроме реакций захвата) свойства нейтрино и антинейтрино неразличимы, и в дальнейшем будем использовать термин нейтрино в обоих случаях. [c.61] При электронном захвате, как и во всех других случаях р-распада, согласно законам сохранения имнульса, вращательного момента и статистики, также должны испускаться нейтрино. Однако, поскольку захват электрона происходит с определенного уровня, нейтрино, испускаемые нри Э. 3., по-видимому, должны быть моноэнергетичны. [c.62] Периоды полураспада. Периоды полураспада в случае, известных процессов Р-распада простираются от миллисекунд до 10 лет. Соотношение между энергией перехода и периодом полураспада для этого процесса не является таким простым, как при а-распаде. Как будет показано в гл. УП1, период полураспада р-активных ядер сильно зависит не только от энергии распада, но также от изменения спина и четности. В соответствии с изменением спина и четности процессы р-распада подразделяют на разрешенные и запрещенные, которые в свою очередь могут быть первой, второй и т. д. степени запрещенности. В пределах каждой группы имеется относительно простое соотношение между периодом полураспада и энергией р-превращения. [c.62] Процессы снятия возбуждения. Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может отдать избыточную энергию и перейти в основное состояние несколькими путями. [c.62] Эмиссию 7-лучей часто сопровождает или даже может вытеснить процесс испускания электронов внутренней конверсии. Внутренняя конверсия является результатом чисто электромагнитного взаимодействия между возбужденным ядром и электронными оболочками. Процесс приводит к появлению моноэпергетических электронов, кинетическая энергия которых равна разности между энергией соответствующего ядерного перехода и энергией связи электрона в атоме. [c.62] Если энергия возбуждения превышает 1,02 Мэе, то возможен третий путь перехода в основное состояние. (Как известно, 1,02 Мэе — это энергия, эквивалентная массе двух электронов.) В этом случае возбужденное ядро может породить пару легких частиц — электрон и цозитрон, суммарная кинетическая энергия которых на 1,02 Мэе меньше энергии возбуждения. Это — не часто встречающийся вид снятия возбуждения. Таким путем происходит, например, разрядка первого возбужденного состояния 0 в этом случае Е = 6,05 Мэе, 1/ = сек. [c.62] Все перечисленные процессы будем называть 7-переходами, хотя 7-лучи реально испускаются только в первом из них. Для всех них характерно изменение энергии без изменения 2 и А. [c.62] Иногда ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может испытывать не у-нереход, а радиоактивный а- или р-раснад . [c.63] Ядерная изомерия. у-Переходы, подобно другим самопроизвольным ядерным процессам, происходят согласно экспоненциальному закону распада, хотя в большинстве случаев у-распад протекает настолько быстро, что период полураспада невозможно измерить. Косвенные способы, основанные на изучении конкуренции между у- и а-распадом и измерении ширин уровней, соответствующих у-переходам, показывают, что во многих случаях периоды полураспада у-переходов составляют около сек. [c.63] Вернуться к основной статье