Максвелл ввел понятие полного тока,равного сумме токов проводимости (а также конвекционных токов) и смещения.Плотность полного тока 23 страница

Из правил смещения (256.4) и (256.5) вытекает, что массовое число при a-распаде уменьшается на 4, а при b-распаде не меняется. Поэтому для всех ядер одного и того же радиоактивного семейства остаток от деления массового числа на 4 одинаков. Таким образом, существует четыре различных радиоактивных семейства, для каждого из которых массовые числа задаются одной из следующих формул:

где n — целое положительное число. Семейства называются по наиболее долгоживущему (с наибольшим периодом полураспада) «родоначальнику»: семейства тория (от Th), нептуния (от Np), урана (от U) и актиния (от Ас). Конечными нуклидами соответственно являются Pb, Bi, Pb, Pb, т.е. единственное семейство непту­ния (искусственно-радиоактивные ядра) заканчивается нуклидом Bi, а все остальные (естественно-радиоактивные ядра) — нуклидами Рb.

§ 257. Закономерности a-распада

В настоящее время известно более двухсот a-активных ядер, главным образом тяжелых (А>200, Z>82). Только небольшая группа a-активных ядер приходится на область с А = 140 ¸160 (редкие земли). a-Распад подчиняется правилу смещения (256.4). Приме­ром a-распада служит распад изотопа урана ²³⁸U с образованием Th:

Скорости вылетающих при распаде a--частиц очень велики и колеблются для разных ядер в пределах от 1,4×10⁷ до 2×10⁷ м/с, что соответствует энергиям от 4 до 8,8 МэВ. Согласно современным представлениям, a-частицы образуются в момент радиоактив­ного распада при встрече движущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов.

a-Частицы, испускаемые конкретным ядром, обладают, как правило, определенной энергией. Более тонкие измерения, однако, показали, что энергетический спектр a-частиц, испускаемых данным радиоактивным элементом, обнаруживает «тонкую структуру», т. е. испускается несколько групп a-частиц, причем в пределах каждой группы их энергии практически постоянны. Дискретный спектр a-частиц свидетельству­ет о том, что атомные ядра обладают дискретными энергетическими уровнями.

Для a-распада характерна сильная зависимость между периодом полураспада T_1/2 и энергией Е вылетающих частиц. Эта взаимосвязь определяется эмпирическим законом Гейгера — Нэттола (1912)*, который обычно выражают в виде зависимости междупробегом R_a (расстоянием, проходимым частицей в веществе до ее полной остановки) a-частиц в воздухе и постоянной радиоактивного распада l:

(257.1)

где А и В—эмпирические константы, l = (ln 2)/T_1/2. Согласно (257.1), чем меньше период полураспада радиоактивного элемента, тем больше пробег, а следовательно, и энергия испускаемых им a-частиц. Пробег a-частиц в воздухе (при нормальных условиях) составляет несколько сантиметров, в более плотных средах он гораздо меньше, составляя сотые доли миллиметра (a-частицы можно задержать обычным листом бумаги).

* Д. Нэттол (1890—1958) — английский физик; X. Гейгер (1882—1945) — немецкий физик.

Опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на ядрах урана показали, что a-частицы вплоть до энергии 8,8 МэВ испытывают на ядрах резерфордовское рассеяние, т. е. силы, действующие на a-частицы со стороны ядер, описываются законом Кулона. Подобный характер рассеяния a-частиц указывает на то, что они еще не вступают в область действия ядерных сил, т. е. можно сделать вывод, что ядро окружено потенциальным барьером, высота которого не меньше 8,8 МэВ. С другой стороны, a-частицы, испускаемые ураном, имеют энергию 4,2 МэВ. Следовательно, a-частицы вылетают из a-радиоактивного ядра с энергией, заметно меньшей высоты потенциаль­ного барьера. Классическая механика этот результат объяснить не могла.

Объяснение a-распада дано квантовой механикой, согласно которой вылет a-части­цы из ядра возможен благодаря туннельному эффекту (см. § 221) — проникновению a-частицы сквозь потенциальный барьер. Всегда имеется отличная от нуля вероятность того, что частица с энергией, меньшей высоты потенциального барьера, пройдет сквозь вето, т. е., действительно, из a-радиоактивного ядра a-частицы могут вылетать с энер­гией, меньшей высоты потенциального барьера. Этот эффект целиком обусловлен волновой природой a-частиц.

Вероятность прохождения a-частицы сквозь потенциальный барьер определяется его формой и вычисляется на основе уравнения Шредингера. В простейшем случае потенциального барьера с прямоугольными вертикальными стенками (см. рис. 298, а)коэффициент прозрачности, определяющий вероятность прохождения сквозь него, определяется рассмотренной ранее формулой (221.7):

Анализируя это выражение, видим, что коэффициент прозрачности D тем больше (следовательно, тем меньше период полураспада), чем меньший по высоте (U) и шири­не (l) барьер находится на пути a-частицы. Кроме того, при одной и той же потенциаль­ной кривой барьер на пути частицы тем меньше, чем больше ее энергия Е. Таким образом качественно подтверждается закон Гейгера — Нэттола (см. (257.1)).

§ 258. b^–-Распад. Нейтрино

Явление b^–-распада (в дальнейшем будет показано, что существует и b⁺-распад) подчиняется правилу смещения (256.5)

и связано с выбросом электрона. Пришлось преодолеть целый ряд трудностей с трак­товкой b^–-распада.

Во-первых, необходимо было обосновать происхождение электронов, выбрасыва­емых в процессе b^–-распада. Протонно-нейтронное строение ядра исключает возмож­ность вылета электрона из ядра, поскольку в ядре электронов нет. Предположение же, что электроны вылетают не из ядра, а из электронной оболочки, несостоятельно, поскольку тогда должно было бы наблюдаться оптическое или рентгеновское излуче­ние,что не подтверждают эксперименты.

Во-вторых, необходимо было объяснить непрерывность энергетического спектра испускаемых электронов (типичная для всех изотопов кривая распределения b^–-частиц по энергиям приведена на рис. 343). Каким же образом b^–-активные ядра, обладающие до и после распада вполне определенными энергиями, могут выбрасывать электроны со значениями энергии от нуля до некоторого максимального E_mах? Т.е. энергетичес­кий спектр испускаемых электронов является непрерывным? Гипотеза о том, что при b^–-распаде электроны покидают ядро со строго определенными энергиями, но в ре­зультате каких-то вторичных взаимодействий теряют ту или иную долю своей энергии, так что их первоначальный дискретный спектр превращается в непрерывный, была опровергнута прямыми калориметрическими опытами. Так как максимальная энергия E_mахопределяется разностью масс материнского и дочернего ядер, то распады, при которых энергия электрона Е< E_mах,как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположе­ние, что закон сохранения энергии носит статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить это затруднение.

В-третьих, необходимо было разобраться с несохранением спина при b^–-распаде. При b^–-распаде число нуклонов в ядре не изменяется (так как не изменяется массовое число А), поэтому не должен изменяться и спин ядра, который равен целому числу при четном А и полуцелому при нечетном А. Однако выброс электрона, имеющего спин , должен изменить спин ядра на величину .

Последние два затруднения привели В. Паули к гипотезе (1931) о том, что при b^–-распаде вместе с электроном испускается еще одна нейтральная частица — нейтрино. Нейтрино имеет нулевой заряд, спин ¹/₂ (в единицах ) и нулевую (а скорее <10^–4т_e) массу покоя; обозначается . Впоследствии оказалось, что при b^–-распаде испускается не нейтрино, аантинейтрино (античастица по отношению к нейтрино; обозначается ).

Гипотеза о существовании нейтрино позволила Э. Ферми создать теорию b^–-распада (1934), которая в основном сохранила свое значение и в настоящее время, хотя экспериментально существование нейтрино было доказано более чем через 20 лет (1956). Столь длительные «поиски» нейтрино сопряжены с большими трудностями, обусловленными отсутствием у нейтрино электрического заряда и массы. Нейтри­но — единственная частица, не участвующая ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях; единственный вид взаимодействий, в котором может принимать участие нейтрино, — слабое взаимодействие. Поэтому прямое наблюдение нейтрино весьма затруднительно. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится на 500 км пути. Проникающая же способность нейтрино столь огромна (пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет примерно 10¹⁸ м!), что затрудняет удержание этих частиц в приборах.

Для экспериментального выявления нейтрино (антинейтрино) применялся поэтому косвенный метод, основанный на том, что в реакциях (в том числе и с участием нейтрино) выполняется закон сохранения импульса. Таким образом, нейтрино было обнаружено при изучении отдачи атомных ядер при b^–-распаде. Если при b^–-распаде ядра вместе с электроном выбрасывается и антинейтрино, то векторная сумма трех импульсов — ядра отдачи, электрона и антинейтрино — должна быть равна нулю. Это действительно подтвердилось на опыте. Непосредственное обнаружение нейтрино ста­ло возможным лишь значительно позднее, после появления мощных реакторов, позво­ляющих получать интенсивные потоки нейтрино.

Введение нейтрино (антинейтрино) позволило не только объяснить кажущееся несохранение спина, но и разобраться с вопросом непрерывности энергетического спектра выбрасываемых электронов. Сплошной спектр b^–-частиц обусловлен распределением энергии между электронами и антинейтрино, причем сумма энергий обеих частиц равна Е_max. В одних актах распада большую энергию получает антинейтрино, в других — электрон; в граничной точке кривой на рис. 343, где энергия электрона равна Е_max, вся энергия распада уносится электроном, а энергия антинейтрино равна нулю.

Наконец, рассмотрим вопрос о происхождении электронов при b^–-распаде. По­скольку электрон не вылетает из ядра и не вырывается из оболочки атома, было сделано предположение, что b-электрон рождается в результате процессов, происходящих внутри ядра. Так как при b^–-распаде число нуклонов в ядре не изменяется, a Z увеличи­вается на единицу (см. (265.5)), то единственной возможностью одновременного осуще­ствления этих условий является превращение одного из нейтронов b^–-активного ядра в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино:

(258.1)

В этом процессе выполняются законы сохранения электрических зарядов, импульса и массовых чисел. Кроме того, данное превращение энергетически возможно, так как масса покоя нейтрона превышает массу атома водорода, т. е. протона и электрона вместе взятых. Данной разности в массах соответствует энергия, равная 0,782 МэВ. За счет этой энергии может происходить самопроизвольное превращение нейтрона в про­тон; энергия распределяется между электроном и антинейтрино.

Если превращение нейтрона в протон энергетически выгодно и вообще возможно, то должен наблюдаться радиоактивный распад свободных нейтронов (т. е. нейтронов вне ядра). Обнаружение этого явления было бы подтверждением изложенной теории b^–-распада. Действительно, в 1950 г. в потоках нейтронов большой интенсивности, возникающих в ядерных реакторах, был обнаружен радиоактивный распад свободных нейтронов, происходящий по схеме (258.1). Энергетический спектр возникающих при этом электронов соответствовал приведенному на рис. 343, а верхняя граница энергии электронов E_max оказалась равной рассчитанной выше (0,782 МэВ).

§ 259. Гамма-излучение и его свойства

Экспериментально установлено, что g-излучение (см. § 255) не является самостоятель­ным видом радиоактивности, а только сопровождает a- и b-распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т. д. g-Спектр является линейчатым. g-Спектр — это распределение числа g-квантов по энергиям (такое же толкование b-спектра дано в §258). Дискретность g-спектра имеет принципи­альное значение, так как является доказательством дискретности энергетических состо­яний атомных ядер.

В настоящее время твердо установлено, что g-излучение испускается дочерним (а не материнским) ядром. Дочернее ядро в момент своего образования, оказываясь возбуж­денным, за время примерно 10^–13—10^–14 с, значительно меньшее времени жизни возбужденного атома (примерно 10^–8 с), переходит в основное состояние с испускани­ем g-излучения. Возвращаясь в основное состояние, возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому g-излучение одного и того же радиоак­тивного изотопа может содержать несколько групп g-квантов, отличающихся одна от другой своей энергией.

При g-излучении А и Z ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смещения. g-Излучение большинства ядер является столь коротковолно­вым, что его волновые свойства проявляются весьма слабо. Здесь на первый план выступают корпускулярные свойства, поэтому g-излучение рассматривают как поток частиц — g-квантов. При радиоактивных распадах различных ядер g-кванты имеют энергии от 10 кэВ до 5 МэВ.

Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти в основное состоя­ние не только при испускании g-кванта, но и при непосредственной передаче энергии возбуждения (без предварительного испускания g-кванта) одному из электронов того же атома. При этом испускается так называемыйэлектрон конверсии. Само явление называетсявнутренней конверсией. Внутренняя конверсия — процесс, конкурирующий с g-излучением.

Электронам конверсии соответствуют дискретные значения энергии, зависящей от работы выхода электрона из оболочки, из которой электрон вырывается, и от энергии Е, отдаваемой ядром при переходе из возбужденного состояния в основное. Если вся энергия Е выделяется в виде g-кванта, то частота излучения n определяется из извест­ного соотношения E=hn. Если же испускаются электроны внутренней конверсии, то их энергии равны Е—А_K, E—A_L, .... где A_K, A_L, ... — работа выхода электрона из К- и L-оболочек. Моноэнергетичность электронов конверсии позволяет отличить их от b-электронов, спектр которых непрерывен (см. § 258). Возникшее в результате вылета электрона вакантное место на внутренней оболочке атома будет заполняться электро­нами с вышележащих оболочек. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

g-Кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении g-излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеива­ются им. g-Кванты не несут электрического заряда и тем самым не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении пучка g-квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность, измене­ние которой описывается экспоненциальным законом I = I₀e^–mx (I₀ и I — интенсивности g-излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, m — коэф­фициент поглощения). Так как g-излучение — самое проникающее излучение, то m для многих веществ — очень малая величина; m зависит от свойств вещества и от энергии g-квантов.

g-Кванты, проходя сквозь вещество, могут взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов вещества, так и с их ядрами. В квантовой электродинамике до­казывается, что основными процессами, сопровождающими прохождение g-излучения через вещество, являются фотоэффект, комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение g-излучения, — это процесс, при котором атом поглощает g-квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освободившееся место заполняется электрона­ми из вышележащих оболочек, и фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект является преобладающим механизмом погло­щения в области малых энергий g-квантов (E_g £ 100 кэВ). Фотоэффект может идти только на связанных электронах, так как свободный электрон не может поглотить g-квант, при этом одновременно не удовлетворяются законы сохранения энергии и импульса.

По мере увеличения энергии g-квантов (E_g »0,5 МэВ) вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом взаимодействия g-квантов с веществом является комптоновское рассеяние (см. § 206).

При E_g>l,02 МэВ=2m_eс² (т_e—масса покоя электрона) становится возможным процесс образования электронно-позитронных пар в электрических полях ядер. Вероят­ность этого процесса пропорциональна Z² и увеличивается с ростом E_g . Поэтому при E_g»10 МэВ основным процессом взаимодействия g-излучения в любом веществе являетсяобразованно электронно-позитронных пар.

Если энергия g-кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре (7—8 МэВ), то в результате поглощения g-кванта может наблюдатьсяядерный фотоэффект — выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.

Большая проникающая способность g-излучения используется в гамма-дефектоско­пии — методе дефектоскопии, основанном на различном поглощении g-излучения при распространении его на одинаковое расстояние в разных средах. Местоположение и размеры дефектов (раковины, трещины и т. д.) определяются по различию в интенсивностях излучения, прошедшего через разные участки просвечиваемого изделия.

Воздействие g-излучения (а также других видов ионизирующего излучения) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения. Различаются:

Поглощенная доза излучения — физическая величина, равная отношению энергии излучения к массе облучаемого вещества.

Единица поглощенной дозы излучения — грей (Гр)*: 1 Гр= 1 Дж/кг — доза из­лучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж.

* С. Грей (1666—1736) — английский физик.

Экспозиционная доза излучения — физическая величина, равная отношению суммы электрических зарядоввсех ионов одного знака, созданных электронами, освобожден­ными в облученном воздухе (при условии полного использования ионизирующей способности электронов), к массе этого воздуха.

Единица экспозиционной дозы излучения — кулон на килограмм (Кл/кг); внесистемной единицей являетсярентген (Р): 1 Р=2,58×10^–4 Кл/кг.

Биологическая доза — величина, определяющая воздействие излучения на орга­низм.

Единица биологической дозы — биологический эквивалент рентгена (бэр): 1 бэр — доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биоло­гическое действие,как и доза рентгеновского или g-излучения в 1 Р (1 бэр= 10^–2 Дж/кг).

Мощность дозы излучения — величина, равная отношению дозы излучения к време­ниоблучения. Различают: 1)мощность поглощенной дозы (единица — грей на секунду (Гр/с)); 2)мощность экспозиционной дозы (единица — ампер на килограмм (А/кг)).

§ 260. Резонансное поглощение g-излучения (эффект Мёссбауэра*)

Как уже указывалось, дискретный спектр g-излучения обусловлен дискретностью энер­гетических уровней ядер атомов. Однако, как следует из соотношения неопределен­ностей (215.5), энергия возбужденных состояний ядра принимает значения в пределах DE»h/Dt, где Dt — время жизни ядра в возбужденном состоянии. Следовательно, чем меньше Dt, тем больше неопределенность энергии DE возбужденного состояния. DE=0только для основного состояния стабильного ядра (для него Dt®¥). Неопределен­ность энергии квантово-механической системы (например, атома), обладающей дискретными уровнями энергии, определяет естественную ширину энергетического уровня (Г). Например, при времени жизни возбужденного состояния, равного 10^–13 с, естест­венная ширина энергетического уровня примерно 10^–2 эВ.

* Р. Мёссбауэр (р. 1929) — немецкий физик.

Неопределенность энергии возбужденного состояния, обусловливаемая конечным временем жизни возбужденных состоянии ядра, приводит к немонохроматичности g-излучения, испускаемого при переходе ядра из возбужденного состояния в основное. Эта немонохроматичность называется естественной шириной линии g-излучения.

При прохождении g-излучения в веществе помимо описанных выше (см. § 259) процессов (фотоэффект, комптоновское рассеяние, образование электронно-позитронных пар) должны в принципе наблюдаться также резонансные эффекты. Если ядро облучить g-квантами с энергией, равной разности одного из возбужденных и основного энергетических состояний ядра, то может иметь место резонансное поглощение g-излучения ядрами: ядро поглощает g-квант той же частоты, что и частота излучаемого ядром g-кванта при переходе ядра из данного возбужденного состояния в основное.

Наблюдение резонансного поглощения g-квантов ядрами считалось долгое время невозможным, так как при переходе ядра из возбужденного состояния с энергией Е в основное (его энергия принята равной нулю) излучаемый g-квант имеет энергию Е_g несколько меньшую,чем Е, из-за отдачи ядра в процессе излучения:

где Е_я — кинетическая энергия отдачи ядра. При возбуждении же ядра и переходе его из основного состояния в возбужденное с энергией Е g-квант должен иметь энергию

где Е_я — энергия отдачи, которую g-квант должен передать поглощающему ядру.

Таким образом, максимумы линий излучения и поглощения сдвинуты друг от­носительно друга на величину 2Е_я (рис. 344). Используя закон сохранения импульса, согласно которому в рассмотренных процессах излучения и поглощения импульсы g-кванта и ядра должны быть равны, получим

(260.1)

Например, возбужденное состояние изотопа иридия Ir имеет энергию 129 кэВ, а время его жизни порядка 10^–10 с, так что ширина уровня Г »4×10^–5 эВ. Энергия же отдачи при излучении с этого уровня, согласно (260.1), приблизительно равна 5×10^–2 эВ, т. е. на три порядка больше ширины уровня. Естественно, что никакое резонансное поглощение в таких условиях невозможно (для наблюдения резонансного поглощения линия поглощения должна совпадать с линией излучения). Из опытов также следовало, что на свободных ядрах резонансное поглощение не наблюдается.

Резонансное поглощение g-излучения в принципе может быть получено только при компенсации потери энергии на отдачу ядра. Эту задачу решил в 1958 г. Р. Мёссбауэр (Нобелевская премия 1961 г.). Он исследовал излучение и поглощение g-излучения в ядрах, находящихся в кристаллической решетке, т. е. в связанном состоянии (опыты проводились при низкой температуре). В данном случае импульс и энергия отдачи передаются не одному ядру, излучающему (поглощающему) g-квант, а всей кристал­лической решетке в целом. Так как кристалл обладает гораздо большей массой по сравнению с массой отдельного ядра, то в соответствии с формулой (260.1) потери энергии на отдачу становятся исчезающе малыми. Поэтому процессы излучения и по­глощения g-излучения происходят практически без потерь энергии (идеально упруго).

Явление упругого испускания (поглощения) g-квантов атомными ядрами, связан­ными в твердом теле, не сопровождающееся изменением внутренней энергии тела, называетсяэффектом Мёссбауэра. При рассмотренных условиях линии излучения и поглощения g-излучения практически совпадают и имеют весьма малую ширину, равную естественной ширине Г. Эффект Мёссбауэра был открыт на глубоко охлажденном Ir (с понижением температуры колебания решетки «замораживаются»), а впос­ледствии обнаружен более чем на 20 стабильных изотопах (например, ⁵⁷Fe, ⁶⁷Zn).

Мёссбауэр вооружил экспериментальную физику новым методом измерений неви­данной прежде точности. Эффект Мёссбауэра позволяет измерять энергии (частоты) излучения с относительной точностью Г/E=10^–15¸10^–17, поэтому во многих облас­тях науки и техники может служить тончайшим «инструментом» различного рода измерений. Появилась возможность измерять тончайшие детали g-линий, внутренние магнитные и электрические поля в твердых телах и т. д.

Внешнее воздействие (например, зеемановское расщепление ядерных уровней или смещение энергии фотонов при движения в поле тяжести) может привести к очень малому смещению либо линии поглощения, либо линии излучения, иными словами, привести к ослаблению или исчезнове­нию эффекта Мёссбауэра. Это смещение, следовательно, может быть зафиксировано. Подобным образом в лабораторных условиях был обнаружен (1960) такой тончайший эффект, как «гравита­ционное красное смещение», предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна.

§ 261. Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц

Практически все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений (a, b, g)и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, а g-кванты и нейтроны обнаруживаются по ионизации, вызываемой возникающими в результате их взаимодействия с электронами и ядрами атомов среды быстрыми заряженными частицами. Вторичные эффекты, сопровождающие рассмотренные процессы, такие, как вспышка света, электрический ток, потемнение фотопластинки, позволяют регистриро­вать пролетающие частицы, считать их, отличать друг от друга и измерять их энергию.

Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц, де­лятся на две группы: