§ 7.4. Виды радиоактивного распада

α- распад представляет собой испускание материнским ядром ядра атома гелия, в результате дочернее ядро Y смещено на две клетки ближе к началу таблицы Менделеева по сравнению с материнским ядром. Схема α- распада:

→+ (7.7)

Формулу (7.7) называют законом смещения при α- распаде. Примером является процесс превращения ядра урана в ядро тория: . Измерения показывают, что поток α- частиц, измеряемый счетчиком, не изменяется при увеличении расстояния между счетчиком и испускающим препаратом, пока это расстояние не достигнет определенного значения, на котором он обрывается. Это расстояние называют длиной свободного пробега. Оно свидетельствует о том, что испущенные α- частицы имеют одинаковую кинетическую энергию, которую полностью расходуют на ионизацию атомов вещества на длине свободного пробега. Длина свободного пробега зависит от плотности вещества, т.е. от плотности расположения в нем атомов. Измерения длины свободного пробега позволяют определить исходную кинетическую энергию α-частиц, она составляет (4…6) МэВ. Два протона и два нейтрона, из которых при вылете образуется α-частица, внутри материнского ядра удерживают ядерные силы, т.е. α-частица находятся внутри потенциальной ямы, ширина которой равна радиусу ядра r₀, и там их потенциальная энергия отрицательная. За пределами ядра ядерные силы перестают действовать, и α-частица, имеющая положительный заряд, отталкивается кулоновскими силами от положительно заряженного ядра. Там ее потенциальная энергия положительная и. уменьшается обратно пропорционально увеличению расстояния r между дочерним ядром и частицей. .На расстоянии, равном размеру ядра, потенциальная энергия кулоновского отталкивания составляет около 9 МэВ. Кулоновское взаимодействие образует потенциальный барьер. Рассмотренная потенциальная кривая изображена на рис 7.5. Там же показана красным кружочком α-частица, вылетевшая из ядра при его распаде. Это типичный туннельный эффект (см. §5.4). α-распад представляет собой квантовое явление. Решение уравнение Шредингера для α-частицы позволяет найти вероятность туннельного эффекта и рассчитать период полураспада. Его значение хорошо согласуется с результатами опыта.

Рис.7.6

Рис. 7.6

Еще одним свидетельством квантового механизма радиоактивного распада служит следующий опытный факт: у одного и того же радиоактивного препарата наблюдаются группы α-частиц с разными кинетическими энергиями. Это свидетельствует о квантовании энергии ядра и дискретности его уровней энергии. В результате распада дочернее ядро может оказаться в возбужденном состоянии, и при переходе в основное состояние оно испускает γ-фотон. Опыт подтверждает, что α- и β- распад сопровождается γ – излучением, имеющим линейчатый спектр. На рис. 7.6 показан механизм образования групп α-частиц с разными кинетическими энергиями и испускание γ – излучения на примере превращения радия в радон. Синими линиями обозначены уровни энергии, соответствующие основным состояниям, красной – возбужденному.

γ – излучение обнаруживает себя по ионизации вещества, когда в нем возникают электрически заряженные частицы. Одним из таких явлений является рождение электрон-позитронной пары. Позитрон (его обозначают е₊) – это антиэлектрон, т.е. частица, отличающаяся от электрона только знаком заряда. Позитрон имеет положительный элементарный заряд и такую же массу, как электрон. При определенных условиях фотон, не имеющий массы покоя, превращается в две частицы с отличными от нуля массами покоя, в частности, в позитрон (е₊) и в электрон (е_-). Минимальная энергия такого фотона должна быть не меньше суммарной энергии покоя появившихся частиц. Энергия покоя электрона Е=т₀с²=0,51 МэВ, такую же энергию покоя имеет позитрон, так что рождение электрон- позитронной пары возможно, если энергия γ- кванта не менее 1,02 МэВ. Схема рождения электрон-позитронной пары такова: γ→ е_-+е₊ . Возможен обратный процесс, его называют аннигиляцией: е_-+е₊ → 2 γ , т.е. при встрече электрона и позитрона происходит их превращение в γ-кванты.

Современная физическая теория считает, что всем частицам соответствуют античастицы. Они отличаются знаком квантового числа, характеризующего какую-либо физическую величину, а не только электрический заряд. И действительно, античастицы были экспериментально обнаружены не только для электрона. Из античастиц может быть построено антивещество точно таким же образом, как из частиц вещество. Однако возможность аннигиляции не позволяет античастицам существовать в веществе сколько-нибудь длительное время. Античастицы и антивещество могут существовать только при полном отсутствии контакта с частицами и веществом. Свидетельством существования антивещества где-нибудь вблизи Вселенной было бы мощное аннигиляционное излучение, приходящее на Землю из области соприкосновения вещества и антивещества. Но пока астрофизике не известны данные, которые говорили бы о том, что во Вселенной имеются области, заполненные антивеществом.

Изучение β-распада также явилось источником новых знаний о природе. Различают три вида β-распада.

β_- или электронный распад. Его схема и соответствующий закон смещения имеют вид:

→+ (7.8)

Дочернее ядро смещается в таблице Менделеева на одну клетку вправо от материнского ядра, и вылетает электрон, при этом материнское и дочернее ядра практически покоятся. Разницу их энергий покоя уносит электрон, и, казалось бы, что все вылетающие электроны должны иметь одинаковую кинетическую энергию. Однако опыт показал, что их кинетическая энергия различна и имеет значения от 0 до максимального значения Е_max, равного разности энергий покоя ядер за вычетом энергии покоя электрона. Физика столкнулась с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, с которым никогда прежде не встречалась. Другой загадкой этого процесса является вылет электрона из ядра, в котором есть только нейтроны и протоны, а электронов нет. Радиоактивный распад – ядерный процесс. При β_- - распаде происходит рождение электрона при превращении одного нейтрона в протон, и при этом испускается еще одна нейтральная частица, уносящая энергию, равную разности Е_max и кинетической энергии испущенного электрона. Эта частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Она не имеет заряда, ее масса покоя пренебрежимо мала, и эта частица, исходя из закона сохранения момента импульса, должна иметь полуцелый спин, как нуклоны и электрон. Первоначально открытая теоретически, она впоследствии была обнаружена экспериментально. Нейтрино из-за своей электронейтральности и практически нулевой массы обладает огромной проникающей способностью и практически не взаимодействует с веществом. Нейтрино так же широко распространены в природе, как и фотоны. Регистрировать их очень трудно, так как только одно нейтрино из 10¹¹, пришедших из космоса, «застревают» в земле, остальные пронизывают ее насквозь.

Позднее выяснилось, что при β_- - распаде рождается не нейтрино, а антинейтрино. Они отличаются друг от друга знаком спинового числа. Обозначение частицы и античастицы принято различать волнистой чертой: нейтрино - , антинейтрино -. Таким образом, β_- - распад происходит по схеме:

(7.9)

β₊ или позитронный распад. Его схема и соответствующий закон смещения имеют вид:

→+ (7.10)

Дочернее ядро смещается в таблице Менделеева на одну клетку влево по отношению к материнскому ядру и вылетает позитрон, который рождается при превращении протона в нейтрон, одновременно с позитроном рождается нейтрино. Нуклонная схема этого процесса такова:

(7.11)

Позитронный распад обычно наблюдается при искусственной радиоактивности, когда получившееся при ядерной реакции ядро перегружено протонами.

К-захват представляет собой ядерный процесс, возникающий при захвате электрона с ближайшей к ядру электронной оболочки (ее называют К-оболочкой), в результате чего происходит превращение протона в нейтрон с испусканием нейтрино:

+ (7.12)

На освободившееся в электронной оболочке место переходит электрон с более высокой оболочки, его место занимает другой электрон. Эти переходы образуют линейчатый спектр излучения в рентгеновской области спектра. Механизм его возникновения такой же, как ранее рассмотренный в §6.3. Он называется характеристическим рентгеновским спектром и является индивидуальной характеристикой многоэлектронных атомов.

Любые виды радиоактивного распада сопровождаются излучением. При его прохождении через вещество происходит ионизация атомов вещества, именно с этим связана биологическая опасность радиации.