Ефект Месбауера

Розпад

Розпад

Розпад

.

Як відомо, α- частинок в ядрі немає, але вони народжуються в результаті радіоактивного розпаду. Щоб вилетіти з ядра, α- частинці потрібно подолати потенціальний бар’єр. Досліди показують, що енергія α- частинок недостатня для того, щоб подолати цей бар’єр, тобто α- частинка не може покинути межі ядра (з точки зору класичної електродинаміки), але з точки зору квантової фізики існує ймовірність того, що α- частинка може покинути межі ядра навіть тоді, коли її енергія менша потенціального бар’єру. Це явище називається «тунельним ефектом». Саме ним і пояснюється народження α- частинок та виникнення α- розпаду.

Ядро, випромінюючи α- частинки, перетворюється в інше ядро, яке називається дочірнім; а ядро, що розпадається, називається материнським.

При радіоактивному розпаді виділяється енергія у вигляді кінетичної енергії тих частинок, які виникають у результаті розпаду: α- частинки та дочірнє ядро.

Якщо материнське ядро до розпаду було у стані спокою, то після розпаду енергії α- частинок і дочірнього ядра обернено пропорційні їх масам. Це випливає із закону збереження імпульсу.

Радіоактивне ядро випускає α- частинку, яка складається з двох нейтронів і двох протонів, тобто ядро атома гелію . При цьому баріонний заряд материнського ядра зменшується на чотири одиниці, а електричний – на дві одиниці. За цей вид розпаду відповідає сильна взаємодія. Енергетично α- розпад вигідний, оскільки енергія зв'язку дочірнього ядра менша, ніж у материнського. Заважає виходу зарядженої частинки кулонівський потенціальний бар'єр ядра, хоча квантова частинка вміє «просочуватися» через бар'єри.

Якщо відомий коефіцієнт прозорості бар'єра D, можна визначити сталу розпаду , користуючись такими міркуваннями. Швидкість α- частинки масою m, енергією W дорівнює:

.

Кількість зіткнень частинки зі стінкою потенціального бар'єра в одиницю часу:

,

де 2R – діаметр ядра.

Частка зіткнень, які закінчуються подоланням потенціального бар'єра, дорівнює D×n. Але це є ймовірність розпаду, яка дорівнює сталій розпаду . Коефіцієнт прозорості найпростішого прямокутного потенціального бар'єра:

,

звідки

.

Як випливає з формули, навіть невелика зміна енергії W α- частинки веде до величезної зміни і періоду піврозпаду. Зі зростанням енергії W від 2 до 9 МеВ період піврозпаду змінюється від років до с.

Зауваження. Вихід складної частинки, утвореної з чотирьох нуклонів, виявляється найбільш імовірним, ніж вихід одного нуклона. Це наслідок насиченості ядерних сил. α- частинка як ціле замкнене утворення пов'язана слабше з іншими нуклонами, ніж окремий нуклон.

Як показали досліди, енергія α- частинки, що вийшла з ядра, не може мати довільного значення. Існує дискретний ряд дозволених значень енергії, як і при випромінюванні фотонів.

Дискретний енергетичний спектр α-частинок – це наслідок існування енергетичних рівнів у ядрі.

Дочірнє ядро звичайно перебуває у збудженому стані і для переходу в основний стан випромінює жорстке короткохвильове електромагнітне випромінювання. Часто говорять, що ядро випускає γ- кванти, або γ- промені, або γ- фотони.

Як відомо, в ядрі електронів немає. При радіоактивному розпаді вилітають електрони, які народжуються внаслідок розпаду ядра.

При β^--розпаді в ядрі відбувається перетворення нейтрона в протон:

;

.

При β⁺-розпаді відбувається перетворення протона в нейтрон:

;

.

При поясненні β-розпаду вчені ще не знали про існування нейтрино і тому результати дослідів приводили до порушення закону збереження енергії, і тому в фізиці була висунута гіпотеза (Паулі), яка говорила, що при кожному β-розпаді вилітає не одна, а дві частинки. Вважали, що окрім електричної частинки, вилітає ще електронейтральна, яка мала дуже малу масу і спін її дорівнював . Цю частинку назвали нейтрино; так її назвав вчений Адерміні, який розробив теорію β-розпаду.

При бета-розпаді баріонний заряд (кількість нуклонів) не змінюється, а електричний заряд змінюється на ±1. З ядра вилітає електрон, або позитрон, або відбувається захоплення протоном електрона власного атома, звичайно з К- оболонки.

При β- розпаді перетворюється окремий нуклон. Тому розпади визначаються не кулонівськими і не ядерними, а тільки слабкими взаємодіями. Наведемо схеми перетворень для трьох видів - розпаду.

1. Електронний розпад чи -розпад:

.

Нейтрон перетворюється на протон, електрон і електронне антинейтрино. Протон залишається в ядрі, а електрон і електронне антинейтрино вилітають із ядра.

2. Позитронний розпад, або -розпад:

.

Протон перетворюється на нейтрон, позитрон і електронне нейтрино. Нейтрон залишається в ядрі, а позитрон і електронне нейтрино вилітають із ядра.

3. К- захоплення:

.

Протон ядра захоплює електрон із найближчої К – оболонки атома і перетворюється на нейтрон і електронне нейтрино. Із ядра вилітають тільки нейтрино. Взагалі взаємні перетворення нейтрона і протона можуть відбуватися і за межами ядра, що підтверджує незалежність таких перетворень від сильних взаємодій. Оскільки інтенсивність слабких взаємодій на двадцять порядків менша, ніж сильних, то й терміни життя b- активних ядер мають макроскопічну тривалість. Так, час життя вільного нейтрона становить 11,7 хв.

На відміну від α- розпаду енергетичний спектр електронів або позитронів, які вилетіли з ядра ( -спектр), має неперервний характер.

Це нібито не узгоджується з принципами квантування енергії в ядрі. На рис. 3.19 зображено такий спектр. На осі ординат відкладено кількість електронів , які мають енергію , а по осі абсцис – енергію . Бачимо, що електрон може мати енергію від нуля до деякого граничного значення . Існує також най­більш імовірне значення енергії, яке відповідає максимуму функ­ції. Такий характер спектра лег­ко пояснити, знаючи, що енергія розподіляється між електроном і нейтрино. У кожному окремому акті розпаду частка енергії кожної частинки, певна річ, випадкова, але при усеред­ненні за великою кількістю роз­падів виявляється стійка статис­тична закономірність. Кінець спектра при означає, що всю енергію отримав електрон, а на частку нейтрино вже нічого не залишилося. Ці пояснення вельми переконливі, і ми легко погоджуємося з ними. Проте В.Паулі, котрий у 1936 році вивчав експериментальний -спектр, якщо на той час про нейтрино ще нічого не було відомо. І наскільки ж він мав бути впевненим у тому, що ядро може віддавати енергію тільки квантами, щоб припустити існування невідомої частинки і передбачити її основні властивості, які дуже відрізняються від властивостей відомих елементарних частинок. Нейтрино не має електричного заряду, маса спокою нейтрино в десятки мільйонів разів менша за масу спокою електрона. Нейтрино не вступає ні в сильні, ні в електромагнітні взаємодії.

І все ж нейтрино існує! Електронне нейтрино було знайдено експериментально Ф.Райнесом і К.Коуеном у 1953 році.

Цей вид ядерного перетворення, мабуть, важко назвати ядерним розпадом, оскільки ні баріонний, ні електричний заряд ядра при цьому не змінюються. Просто збуджене ядро викидає залишкову енергію у вигляді жорсткого електромагнітного випромінювання.

Переходячи в стаціонарний стан, ядро випромінює γ-промені. γ-випромінювання можливо пояснити з точки зору оболонкової моделі ядра, тобто коли ядро знаходиться в збудженому стані. Це означає, що нуклони не знаходяться на енергетично більш вигідних рівнях.

Нуклони повинні перейти з якогось рівня m на енергетично більш вигідний рівень n. При цьому народжується γ-квант. Він має найбільшу серед усіх фотонів енергію, нейтральний заряд, а також найбільшу проникну здатність.

Проте випромінювання має дискретний спектр. Випроміню­ються, по суті, частинки-фотони. Їх називають ядерними фотонами. Енергія ядерних фотонів у тисячі разів перевищує енергію фотонів, які випромінюються при переході електронів атома зі збуджених станів. Довжина хвилі де Бройля ядерних фотонів не перевищує м, тоді як довжина хвилі для фотонів оптичного діапазону становить м.

Ядерний фотон, або -фотон, залишає ядро, але не обов'язково залишає межі атома. Іноді він поглинається одним з електронів атома. Таке явище називають внутрішньою конверсією. Електрон, отримавши таку велику енергію, вилітає з атома, і атом перетворюється на іон. Можливий і більш екзотичний варіант: перетворення -фотона на електрон-позитронну пару.

У 1958 році було відкрито і зворотний процес – процес резонансного поглинання -квантів ядром атома.

Цей ефект називається ефектом Месбауера. Буквально за кілька років було виконано величезний обсяг експериментальних робіт і доведено, якою потужною зброєю є цей ефект в багатьох дослідженнях.

Якщо енергія фотона дорівнює різниці енергій збудженого й основного станів ядра, то він поглинається ядром. Відповідно, при зворотному переході в основний стан ядро буде випромінювати фотон.

Усе як при оптичному випромінюванні атома. Тільки там фотон має набагато меншу енергію і поглинається електроном. При зворотному переході атом випромінює фотон тієї самої частоти або енергії.

Однак існує і суттєва неочікувана відмінність. Виявляється, частота фотона, який поглинається, і частота фотона, який випромінюється ядром , різні. До того ж різниця між ними істотно більша за «природну півширину спектральної лінії». Річ у тім, що частина енергії при поглинанні фотона йде на енергію віддачі ядра :

.

Витрати енергії на віддачу ядра можуть бути різко скорочені, якщо ядра перебувають у зв'язаному стані в кристалічних гратках. Звичайно, енергія віддачі може витрачатися на збудження додаткових коливань гратки або, як кажуть, на народження фононів. Але для деяких ядер, таких як ядро заліза або іридію, можна підібрати умови, при виконанні яких не в усіх актах поглинання фотона ядром народжується фонон. Для таких безфононних актів поглинання внутрішня енергія кристала не змінюється. Кінетична енергія, якої набуває кристал як ціле, сприймаючи імпульс віддачі, дуже мала, оскільки маса кристала нескінченно велика порівняно з масою окремого ядра.

Для таких випадків – а їх звичайно всього кілька відсотків від усіх актів поглинання і випромінювання – ширина резонансних ліній стає дуже малою. Так, для -переходу в відношення ширини спектральної лінії до енергії переходу становить усього . Дуже мала ширина резонансних ліній дає змогу використовувати ефект Месбауера для вимірювання дуже малих зсувів енергії -квантів, викликаних тими чи іншими малими діями на ядро або на самий - квант.

Зауваження. До речі, у лабораторних умовах вдалося виявити гравітаційне зміщення частоти фо­тона під час його руху в полі гравітації Землі. Але особливо плідним виявилося застосуван­ня ефекту Месбауера для вивчення електрон­них станів домішкових атомів у металах, сплавах та напівпровідниках.

Дата добавления: 2017-02-01