Лекция 13. Бета-распад.Бета – излучение – это испускание ядрами электронов или позитронов, сопровождающееся испусканием нейтрино или позитронов

Бета-распад. Бета – излучение – это испускание ядрами электронов или позитронов, сопровождающееся испусканием нейтрино или позитронов. Нейтрино- это элементарная частица с электрическим зарядом, равным нулю и нулевой массой покоя. нейтрино имеет такой же спин как и электрон. Нейтрино взаимодействуют с веществом настолько слабо, что оказываются почти ненаблюдаемыми. Если представить, что на Землю падает пучок, содержащий 10¹² нейтрино, то все они, за исключением одного, прошли бы через земной шар без всяких последствий. В 1958 году было высказано предположение, что существует слабое взаимодействие, которое способно превращать частицы в электроны и нейтрино. Теорию этого взаимодействия, названного теорией универсального взаимодействия Ферми, разработана Фейманом.

Современная теория бета-распада основана на теории, разработанной Энрико Ферми в 1931 году. Ферми предположил, что протон или нрейтрон могут испускать пару электрон-нейтрино благодаря в сущности тому же механизму, что и при испускании фотона заряженной частицей. Пара электрон-нейтрино рождается благодаря слабым взаимодействиям, подобно тому как фотон рождается за счет электромагнитных взаимодействий. До того как происходит бета-распад, внутри ядра нет ни электрона, ни нейтрино. Существует три вида бета-излучения.

Первый вид распада (b ^---распад или электронный распад) протекает по схеме

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе бета-распада, электрону приписано зарядовое число Z= - 1 и массовое число А = 0. процесс протекает, так как если бы один из нейтронов ядра элемента превратилcя в протон.

m(n) = 939.6 Мэв. m(p) = 938.3 Мэв. m(_e) = 0. (?) (n) = 887c.

Масса покоя нейтрона больше массы протона на 1,3 МэВ. Поэтому полная энергия испускаемой пары электрон-нейтрино составляет 1,3 МэВ; 0,5 МэВ идет на массу покоя электрона и 0,8 МэВ остается на кинетическую энергию, которая делят между собой электрон и антинейтрино. Кроме того, спин электрона, протона и нейтрона одинаков и равен ½, т.е. если писать схему без антинейтрино, суммарный спин возникающих частиц будет отличаться от спина исходной частицы. Т.е. не соблюдается закон сохранения импульса.

Второй вид распада (b⁺- распад или позитронный распад) протекает по схеме

Процесс протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон

е⁺ - позитрон.

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов, входящих в состав ядра.

Третий вид распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один из электронов своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино

Возникшее ядро оказывается в возбужденном состоянии и при переходе в более низкое энергетическое состояние оно излучает g- фотоны.

В процессе -распада выделяется энергия

Qб- = [M^я(A,Z) - M^я(A,Z+1) - me]c^2	- ^--распад,
Qб+ = [M^я(A,Z) - M^я(A,Z-1) - me]c^2	- ^+-распад,
Qе-з = [M^я(A,Z) + me - M^я(A,Z-1)]c^2	- е-захват,

где M^я - массы ядер, m_e - масса электрона. Так как табулируются массы или избытки масс атомов, то для энергий бета-распадов можно записать

Qб- = [M^ат(A,Z) - M^ат(A,Z+1)]c^2	- ^--распад,
Qб+ = [M^ат(A,Z) - M^ат(A,Z-1)]c^2 - 2mec^2	- ^+-распад,
Qе-з = [M^ат(A,Z) - M^ат(A,Z-1)]c^2	- е-захват,

где M^ат - массы атомов. (Здесь мы пренебрегли разностью энергий связи электронов в начальном и конечном атомах.) Выделяющуюся в результате -распада энергию в основном уносят легкие частицы - лептоны (электрон, электронное антинейтрино, позитрон, электронное нейтрино).
Энергии -распада варьируются от 0.02 МэВ

³H ³He + e- + _e + 0.02 МэВ

до ~20 МэВ

¹¹Li ¹¹Be + e- + _e + 20.4 МэВ

Периоды полураспада также изменяются в широком диапазоне от 10^-3 с до 10¹⁶ лет. Большие времена жизни -радиоактивных ядер объясняются тем, что -распад происходит в результате слабого взаимодействия.

Гамма-распад. Если ядро возбуждено и находится в состоянии с более высокой энергией, то оно может самопроизвольно перейти на более низкий энергетический уровень, испустив при этом фотон. Расстояние между энергетическими уровнями ядер составляет порядка 1-2 МэВ. Поэтому энергия фотонов, испускаемых атомными ядрами, оказывается в сотни и тысячи раз выше энергии фотонов, испускаемых атомами. Такие фотоны с высокой энергией, испускаемые ядрами, называются гамма-квантами.

Возбужденное состояние ядер можно получить, используя нейтроны низких энергий. К примеру, попадая в образец ²³⁸U, медленный нейтрон, оказавшись в пределах радиуса действия ядерных сил, испытывает притяжение со стороны атомного ядра. В этом случае вполне вероятно, что нейтрон будет поглощен ядром, в результате чего образуется ²³⁹U^*в возбужденном состоянии. Звездочка в символе элемента означает возбужденное состояние. Такое возбужденное ядро возвращается в основное состояние, испуская один либо последовательно несколько гамма-квантов. Подобные процессы изображают в обозначениях ядерных реакций следующим образом.

Дата добавления: 2014-01-11