14.2. Альфа-распад

Альфа-распадом называется процесс самопроизвольного испускания ядром α-частиц, которые по своей природе являются ядрами атомов гелия . Схематическиα-распад можно изобразить следующим образом:

(14.6)

где распадающееся ядро называется материнским ядром, образующееся– дочерним. Дочернее ядро также может оказаться нестабильным и в свою очередь подвергнуться радиоактивного распада. Таким образом, формируются цепочки радиоактивного распада. Конечным продуктом такой цепочки обязательно должен являться стабильный изотоп какого либо ядра.

Спонтанному α-распаду подвержены только тяжелые ядра с Z > 83 и небольшая группа редкоземельных ядер в области А = 140 ÷ 160. В качестве примера можно привести распад изотопа урана, протекающий с образованием тория:

(14.7)

Необходимым условием осуществления α-распада является следующее: масса материнского ядра должна быть больше суммы масс α-частицы и дочернего ядра. При этом выделяется энергия W, равная:

(14.8)

Эта энергия распределяется между α-частицей и дочерним ядром. α-частица возникает в ядре в момент распада ядра, так же как фотон возникает в момент излучения атома. Покидая ядро, α-частице приходится преодолевать потенциальный барьер, обусловленный ядерными силами. Величина этого барьера может составлять величину до 30 МэВ (рис. 14.3). За пределами ядра (r > R₀) высоты барьера быстро уменьшается вследствие кулоновского отталкивания материнского и дочернего ядер.

Экспериментально показано, что α-частицы, вылетающие из ядра, обладают кинетической энергией порядка 4 ÷ 9 МэВ (частица, имеющая такую энергию, двигается с очень высокой скоростью ~ 10⁹ см/с).

Рис. 14.3. Преодоление потенциального барьера α-частицей при α-распаде

Тем не менее, такой энергии недостаточно, чтобы в «классическом смысле» преодолеть барьер. α-распад возможен вследствие существования туннельного эффекта (см. раздел 6), имеющего чисто квантовую природу.

В зависимости от энергетического баланса распада дочернее ядро может образоваться в одном из возбужденных состояний (см. раздел 13, оболочечная модель). В этом случае спустя время порядка 10^–8 ÷ 10^–15 с ядро перейдет в более низкое состояние, испуская квант электромагнитного излучения большой энергии (γ-квант).

14.3. Бета-распад

Бета-распад – процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар (ядро с тем же атомным номером) с зарядом, отличным от исходного на ΔZ = ± 1, за счет испускания электрона (позитрона) или захвата электрона с атомной оболочки.

Существует три вида β-распада.

1) Электронный распад или β ^–-распад протекает по схеме:

(14.9)

где – элементарная частица, называемая антинейтрино.

Процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон, претерпев превращение, описываемое схемой 13.1 (см. раздел 13).

β-распад (любой из 3-х видов β-распада) может сопровождаться испусканием γ-кванта. Механизм возникновения этого явления при β-распаде тот же, что и при α-распаде.

Примером β-распада может служить превращение тория Th²³⁴ в протактиний Pa²³⁴ с испусканием электрона и антинейтрино.

(14.10)

Энергия, выделяющаяся при β-распаде, определяется разностью масс материнского и дочернего ядер:

(14.11)

Характерной особенностью β-распада является непрерывный энергетический спектр вылетающих частиц (рис. 14.4).

В отличие от α-частиц, энергия которых определяется соотношением масс начального и конечного ядер, β-электрон может обладать самой разнообразной энергией в интервале от 0 до E_max. Наблюдающаяся непрерывность является следствием участия в процессе распада еще одной частицы – антинейтрино. При одиночном акте распада соотношение энергий электрона и антинейтрино может быть любым, т. е. энергия электрона может принимать любые значения от нуля до максимальной возможной энергии (полной выделяющейся энергии, считаемой по формуле 14.11). Для Bi²¹² эта энергия составляет 11.7 МэВ.

Рис. 14.4. Энергетический спектр электронов, испускаемых при β-распаде

2) Позитронный распад или β⁺-распад аналогичен β^–-распаду протекает по схеме с испусканием позитрона и возможным излучением γ-кванта:

(14.12)

где – элементарная частица, называемая нейтрино. Нейтрино и антинейтрино имеют противоположно направленные спины, являются нейтральными частицами, не имеющими массы покоя и движущимися со скоростью света.

Вылетевший в результате β⁺-распада позитрон также, как β-электрон, имеет непрерывный энергетический спектр.

β⁺-распад происходит при превращении ¹³N в ¹³C:

(14.13)

3) Электронный захват является третьим видом β-распада, он заключается в том, что ядро поглощает один из электронов из K-оболочки собственного атома. Реже происходит захват электронов из L- или M-оболочки. Процесс протекает по схеме:

(14.14)

Например, (14.15)

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев. Такие переходы сопровождаются рентгеновским излучением. Как и другие два вида β-распада, электронный захват может протекать с излучением γ-кванта, которое наблюдается, если дочернее ядро после захвата электрона оказывается в возбужденном состоянии.