B-распад

Естественный радиоактивный b-распад заключается в самопроизвольном распаде ядер с испусканием b-частиц - электронов. Правило смещения для

естественного (электронного) b-распада описывается выражением:

_Z X ^A ® _{Z + 1} Y ^A + _{- 1} e⁰. (264)

Исследование энергетического спектра b - частиц показало, что, в отличие от спектра a-частиц, b-частицы имеют непрерывный спектр от 0 до Е_max. При открытии b-распада необходимо было объяснить следующее:

1) почему материнское ядро всегда теряет энергию Е_max, а энергия b-частиц может быть меньше Е_max;

2) как образуется _-1 e⁰ при b-распаде?, ведь в состав ядра электрон не входит;

3) если при b-распаде вылетает _{- 1}e⁰, то нарушается закон сохранения момента импульса: число нуклонов (А) не изменяется, но электрон обладает спином ½ħ, следовательно, в правой части соотношения (264) спин отличается от спина левой части соотношения на ½ ħ.

Для выхода из затруднения в 1931г. Паули предположил, что кроме _{- 1}e⁰ при b-распаде вылетает ещё одна частица – нейтрино (_о ^о), масса которой много меньше массы электрона, заряд равен 0 и спин s = ½ ħ. Эта частица уносит энергию Е_max - Е_β и обеспечивает выполнение законов сохранения энергии и импульса. Экспериментально _о ^о было обнаружено в 1956 году. Трудности обнаружения _о ^о связаны с его малой массой и нейтральностью. В связи с этим _о ^о может проходить огромные расстояния до поглощения веществом. В воздухе один акт ионизации под действием нейтрино происходит на расстоянии около 500 км. Пробег _о ^о с энергией 1 МэВ в свинце ~10¹⁸ м. _о ^о можно обнаружить косвенным путём с использованием закона сохранения импульса при b-распаде: сумма векторов импульсов _{- 1}e⁰, _о ^о и ядра отдачи должна быть равна 0. Опыты подтвердили это ожидание.

Так как при b-распаде число нуклонов не изменяется, а заряд увеличивается на 1, единственное объяснение b-распада может быть следующее: один из _on¹ ядра превращается в ₁ р ¹ с испусканием _{- 1}e⁰ и нейтрино:

_on¹ → ₁ р ¹ + _{- 1}e⁰ + _о ^о (265)

Установлено, что при естественном b-распаде испускается электронное антинейтрино - _о ^о. Энергетически реакция (265) выгодна, так как масса покоя _on¹ больше массы покоя ₁ р ¹. Следовало ожидать, что и свободный _on¹ радиоактивен. Это явление действительно было обнаружено в 1950 году в потоках нейтронов больших энергий, возникающих в ядерных реакторах, и служит подтверждением механизма b-распада по схеме (262).

Рассмотренный b-распад называется электронным. В 1934 г. Фредерик и Жолио-Кюри обнаружили искусственный позитронный b-распад, при котором из ядра вылетает античастица электрона – позитрон и нейтрино (см. реакцию (263)). В этом случае один из протонов ядра превращается в нейтрон:

₁ р ¹ → _on¹ + _{+ 1}e⁰ +_о ^о (266)

Для свободного протона такой процесс невозможен, по энергетическим соображениям, т.к. масса протона меньше массы нейтрона. Однако в ядре протон может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов ядра. Таким образом реакция (344) может протекать как внутри ядра, так и для свободного нейтрона, а реакция (345) происходит только внутри ядра.

Третий вид b-распада – К-захват. В этом случае ядро спонтанно захватывает один из электронов К-оболочки атома. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон по схеме:

₁ р ¹ + _{- 1}e⁰ → _on¹ + _о ^о (267)

При этом виде b-распада из ядра вылетает только одна частица - _о ^о. К-захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Таким образом при всех видах b-распада, протекающим по схемам (265) – (267), выполняются все законы сохранения: энергии, массы, заряда, импульса, момента импульса.

Превращения нейтрона в протон и электрон и протона в нейтрон и позитрон обусловлены не внутриядерными силами, а силами, действующими внутри самих нуклонов. Связанные с этими силами взаимодействия называются слабыми.Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. О силе взаимодействия можно судить по скорости протекания процессов, которые оно вызывает при энергиях ~1 ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процессы, обусловленные сильным взаимодействием, происходят за время ~10^-24с, электромагнитный процесс за время ~10^-21с, а время, характерное для процессов, происходящих за счёт слабого взаимодействия, гораздо больше: ~10^-10с, так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.

При прохождении b-частиц через вещество они теряют свою энергию. Скорость b-электронов, возникающих при b-распаде, может быть очень велика – сравнима со скоростью света. Их энергетические потери в веществе происходят за счёт ионизации и тормозного излучения. Тормозное излучение является основным источником потерь энергии для быстрых электронов, в то время как для протонов и более тяжёлых заряженных ядер тормозные потери несущественны. При малых энергиях электронов основным источником потерь энергии являются ионизационные потери. Существует некоторая критическая энергия электронов, при которой тормозные потери становятся равными ионизационным. Для воды она равна около 100 МэВ, для свинца – около 10 МэВ, для воздуха – несколько десятков МэВ. Поглощение потока b-частиц с одинаковыми скоростями в однородном веществе подчиняется экспоненциальному закону N = N₀e^{-m x}, где N₀ и N – число b-частиц на входе и выходе слоя вещества толщиной х, m - коэффициент поглощения. b^_излучение сильно рассеивается в веществе, поэтому m зависит не только от вещества, но и от размеров и формы тел, на которые падает b^_излучение. Ионизационная способность b-лучей невелика, примерно в 100 раз меньше чем у a-частиц. Поэтому и проникающая способность b-частиц намного больше, чем у a-частиц. В воздухе пробег b-частиц может достигать 200 м, в свинце до 3 мм. Так как b-частицы обладают очень малой массой и единичным зарядом, то их траектория движения в среде – ломаная линия.

Лучи

Как отмечалось в п.12.4.1, γ - лучи представляют собой жёсткое электромагнитное излучение с ярко выраженными корпускулярными свойствами. Понятия γ-распад не существует. γ - лучи сопровождают a- и b-распад всегда, когда дочернее ядро оказывается в возбуждённом состоянии. Для каждого сорта атомных ядер имеется дискретный набор частот g-излучений, определяемый совокупностью энергетических уровней в атомном ядре. Итак, a- и g-частицы имеют дискретные спектры излучения, а

b-частицы - сплошные спектры. Наличие линейчатого спектра γ- и a- лучей имеет принципиальное значение и является доказательством того, что атомные ядра могут находиться в определённых дискретных состояниях.

Поглощение γ - лучей веществом происходит по закону:

I = I₀ e ^{-m x} , (268)

где I и I₀ - интенсивности γ - лучей до и после прохождения через слой вещества толщиной х; μ – коэффициент линейного поглощения. Поглощение γ - лучей веществом происходит, в основном, за счёт трёх процессов: фотоэффекта, комптоновского эффекта и образования электронно-позитронных (e⁺ e^- ) пар. Поэтому μ можно представить в виде суммы:

μ = μ_ф + μ_к + μ_п. (269)

При поглощении γ – кванта электронной оболочкой атомов происходит фотоэффект, в результате которого электроны вырываются из внутренних слоёв электронной оболочки. Этот процесс называется фотоэлектрическим поглощением γ - лучей. Расчёты показывают, он существенен при энергиях γ - квантов ≤ 0,5 МэВ. Коэффициент поглощения μ_ф зависит от атомного номера Z вещества и длины волны γ - лучей. По мере всё большего увеличения энергии γ - квантов по сравнению с энергией связи электронов в атомах, в молекулах или в кристаллической решётке вещества взаимодействие γ - фотонов с электронами всё более приближается по своему характеру к взаимодействию со свободными электронами. В этом случае происходит комптоновское рассеяние γ - лучей на электронах, характеризуемое коэффициентом рассеяния μ_к.

При увеличении энергии γ - квантов до значений, превышающих удвоенную энергию покоя электрона 2m_oc² (1,022 МэВ), возникает аномально большое поглощение γ - лучей, связанное с образованием электронно-позитронных пар, особенно в тяжёлых веществах. Этот процесс характеризуется коэффициентом поглощения μ_п.

Само γ-излучение обладает относительно слабой ионизирующей способностью. Ионизацию среды производят, в основном, вторичные электроны, появляющиеся при всех трёх процессах. γ - лучи - одно из наиболее проникающих излучений. Например, для более жёстких γ - лучей толщина слоя половинного поглощения равна в свинце 1,6 см, в железе – 2,4 см, в алюминии – 12 см, в земле – 15 см.