3.2.2. Закономірності альфа - і бета – розпаду

а). Механізм альфа – розпаду

Явище альфа – радіоактивності було відкрите при вивченні радіоактивності природних елементів. Природні  - випромінювачі розміщуються в таблиці Менделєєва, починаючи з номера Z82 (Z=82 має свинець). Оскільки в  - частинці питома енергія зв’язку виявляється більшою, ніж у важких ядрах,  - розпад енергетично є завжди можливим. Наприклад, нуклід урану ²³⁸U випромінює  - частинки з періодом піврозпаду 4,5·10⁹ років.

Самочинно відбувається ядерна реакція

МеВ. (3.2.2.1)

Різниця мас і продуктів розпаду складає 4,2 МеВ. (Маса материнського ядра перевищує суму мас продуктів розпаду наМ = 0.0045 а.о.м.).

Правило зміщення для - розпаду записують так:

, (3.2.2.2)

де - материнське ядро;- дочірнє ядро;частинка;-гамма - квант, який звільняється дочірнім ядром при переході у менш збуджений або нормальний стан.

Процес - розпаду має дві особливості, які були відкриті експериментально.

Між пробігом -частинки, який може бути мірою її початкової енергії і сталою радіоактивного розпаду  є проста залежність, емпірично встановлена Гейгером і Неттолом ще у 1911 році і відома під назвою закону Гейгера-Неттола:

(3.2.2.3)

де АіВ– сталі величини, причому сталаВє однаковою для всіх радіоактивних елементів;А– є сталою лише в межах певного радіоактивного ряду.

Із закону Гейгера – Неттола випливає, що чим менш стабільні ядра, тим більша енергія у -частинок, які при цьому випромінюються.

Наступною особливістю - розпаду є досить низька енергія - частинок у момент вилітання із ядра, яка змінюється в межах 4–9 МеВ. Насправді - частинки у момент вилітання із ядра повинні мати значно більшу енергію, рівну висоті потенціального бар’єра. В реакції потенціальна енергія відштовхування- частинки на межі ядра торію складає біля 30 МеВ. Відповідно - частинка після подолання такого бар’єра повинна прискоритися до 30 МеВ. Експериментально ж виявлені - частинки з енергією 4.2 МеВ.

Чому енергія - частинок порівняно невисока, та як можна пояснити закон Гейгера-Неттола Відповідь на ці запитання дає квантова механіка.

Перед початком - розпаду в багатьох ядрах уже існує по одній -частинці. Енергія такої частинки . Якби не було потенціального бар’єра,- частинка вилітала б із ядра з енергією (рис. 3.2.1).

На рис. 3.2.1 V₀ – глибина потенціальної ями; - енергія- частинок після вилітання із ядра.

Таке враження, що, залишаючи ядра, - частинки не помічають існування потенціального бар’єра.

Згідно з законами квантової механіки - частинки проявляють хвильові властивості. При попаданні на стінку потенціального бар’єра вони відбиваються від неї як хвилі. Але не всі - частинки відбиваються від стінки. Частина із них проникає крізь стінку і залишає ядро з енергією Е_ . Ефект проникнення - частинок крізь потенціальний бар’єр при енергіях значно нижчих його висоти називається тунельним ефектом.

Імовірність проникнення - частинок крізь потенціальний бар’єр визначається його прозорістю Д. При цьому стала радіоактивного розпаду , яка визначає імовірність розпаду за одиницю часу, дорівнює добутку “ прозорості “ бар’єра на число зіткнень n - частинки з внутрішніми стінками бар’єра, тобто

 = Д n, (3.2.2.3)

, (3.2.2.4)

де m_ - маса частинки, r – ширина потенціального бар’єра; n – число ударів - частинки об стінку потенціального бар’єра; Д – прозорість бар’єра у цьому місці.

Мала прозорість Д бар’єра для проникнення крізь нього - частинки пояснює малу імовірність - перетворення (мала стала розпаду ) і великий період піврозпаду. Це і є пояснення закону Гейгера – Неттола.

При - розпаді дочірнє ядро, як правило, перебуває у збудженому стані і енергетично є нестабільним. Перехід з такого збудженого стану в нормальний стан супроводжується випромінюванням -квантів. Середній час збудженого стану не перевищує 10^-13 с.

Дискретний спектр - випромінювання характеризує енергетичну структуру ядра атома. Пояснити дискретний спектр - випромінювання можна, виходячи лише із оболонкової моделі будови атомного ядра.

б). Закономірності - розпаду

Бета-розпад ядер радіоактивних елементів почали вивчати незабаром після відкриття радіоактивності. Відомі три види -розпаду. Серед них ^--розпад, ⁺- розпад і К-захват. Експериментально було встановлено, що - випромінювання складається з електронів або позитронів і що ці види випромінювання супроводжуються випусканням нейтрино або антинейтрино. Нейтрино – це елементарна частинка з нульовим електричним зарядом і масою спокою рівною нулю. Нейтрино має півцілий спін подібно до електрона. Аналогічні характеристики має антинейтрино.

Правила зміщення для різних видів - розпаду можна записати так:

а). електронний - розпад

(3.2.2.5)

б). позитронний - розпад

(3.2.2.6)

в). К-захват, або захват ядром електрона з К-оболонки

(3.2.2.7)

де материнське ядро;дочірнє ядро;електрон;позитрон;антинейтрино;нейтрино.

Для пояснення різних видів β-радіоактивності прийшлось подолати значні труднощі. Перш за все слід було обґрунтувати походження електронів в процесі -розпаду. Протонно-нейтронна будова ядра усуває вилітання з ядра електронів оскільки їх там немає.

Сучасна теорія - розпаду ґрунтується на теорії, розробленій Фермі в 1931 р. Фермі у цій теорії стверджує, що протон або нейтрон можуть взаємно перетворюватись в пару частинок позитрон-нейтрино або електрон-антинейтрино. Така пара частинок породжується в ядрі дякуючи слабким взаємодіям подібно тому, як випромінюється фотон за рахунок електромагнетних взаємодій. При цьому слід мати на увазі, що до процесу -розпаду всередині ядра немає ні електрона ні нейтрино.

Найпростішим прикладом - розпаду є перетворення вільного нейтрона в протон з періодом піврозпаду 12 хв.:

(3.2.2.8)

де антинейтрино;електрон.

Такі перетворення нейтронів в протони були виявлені ще у 1950 році при дослідженні потужних нейтронних пучків атомних реакторів.

Процес перетворення нейтрона в протон в ядрах атомів супроводжується виконанням законів збереження електричних зарядів, імпульсу, масових чисел, лептонних зарядів та ін. Крім того, таке перетворення енергетично можливе, тому що маса нейтрона в спокої перевищує масу атома водню, тобто протона і електрона разом узятих. Різниця в масах нейтрона й протона з електроном дорівнює 0.782 МєВ. За рахунок цієї енергії може відбуватись самочинне перетворення нейтрона в протон.

При позитронному розпаді, тобто процесі перетворення одного із протонів ядра в нейтрон, недостаток енергії для такого перетворення доповнюється ядром

(3.2.2.9)

де нейтрино, відрізняється від антинейтрино лише знаком лептонного заряду (для нейтрино –1, а для антинейтрино +1).

Випадків перетворення вільного протона в нейтрон з випромінюванням нейтрино й позитрона поки що не спостерігалось. Такі перетворення заборонені законом збереження маси ( баріонного заряду ).

Третій вид - радіоактивності – електронне захоплення було відкрите ще у 1937 році американськими фізиками. Цей вид радіоактивності полягає в тому, що ядром можуть бути захоплені електрони з електронної оболонки власного атома. При цьому це можуть бути K-, L-, M- електрони. Те, що такий процес можливий, пояснюється в квантовій механіці. З квантової точки зору електронних орбіт в атомах не існує через хвильові властивості електронів. Перебування електронів на оболонках має імовірнісний характер. Перебування електронів біля ядра і навіть у ядрі законами квантової механіки не забороняється. Тому в тих випадках, коли материнське ядро дещо перенасичене протонами, можливий електронний захват згідно з схемою:

(3.2.2.10)

Електронний захват завжди супроводжується рентгенівським випромінюванням.

Енергетичний спектр - випромінювання є завжди суцільним з різкою межею для деякої максимальної енергії Е_max (рис.3.2.2.).

Гіпотеза про те, що - частинки народжуються лише певних енергій, а потім частину її втрачають при вилітанні з ядер, не підтверджується експериментально. Все пояснюється дуже просто: це перш за все процес народження двох частинок – електрона й антинейтрино або позитрона й нейтрино. У випадку, коли електрон має енергію Е_max, антинейтрино має енергію рівну нулю. Між двома частинками в процесі радіоактивного розпаду енергія розподіляється довільно.