• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Зміст лекції

Лекція № 5

Тема: - розпад, його види. - випромінювання.

План лекції:

1. - розпад, його види, правило зміщення і закон збереження імпульсу. Перетворення при - розпаді.

2. Розподіл - частинок за енергіями.

3. - випромінювання, його спектр, закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу і парності.

Література:

1. Лопатинський І.Є., Зачек І.Р., Ільчук Г.А., Романишин Б.М. Фізика – Львів. Афіша, 2009. – 386 c. – § 132.

2. Широков Ю.М. Юдин Н.П. Ядерная физика – М.: Наука, 1980 – 729 с. – C. 230-273.

Зміст лекції

1. - розпад, його види, правило зміщення і закон збереження імпульсу. Перетворення при - розпаді.

- розпадом називається процес самочинного перетворення нестабільного ядра в ядро-ізобар із зарядом, який відмінний на , за рахунок випускання електрона (позитрона) або захоплення електрона.

Період піврозпаду - радіоактивних ядер змінюється від до років. Енергія - розпаду знаходиться в межах від (для ) до (для ).

- випромінювання відхиляється електричними і магнітними полями; його іонізуюча здатність значно менша (приблизно на два порядки), а проникна здатність значно більша (поглинається шаром алюмінію 2 мм), ніж у - частинок. - випромінювання – це потік швидких електронів.

Терміном b- розпад називають три типи ядерних перетворень: електронний - розпад, позитронний - розпад, а також електронне захоплення ( або - захоплення).

Явище електронного - розпаду відбувається за правилом зміщення

і супроводжується випромінюванням елек­трона. Електрони, що випромінюються в процесі - розпаду, мають широкий спектр енергій від нуля до деякого максимального значення (рис. 1).

При розпаді кількість нуклонів в ядрі не змінюється. Однак, якщо з ядра випромінюється електрон, який має спін , то спін ядра повинен змінитися на . Таке неузгодження спіну ядра до і після розпаду, а також наявність суцільного
енергетичного спектра випромінюваних електронів привели В. Паулі до гіпотези (1931 р.) про те, що при - розпаді разом з електроном випускається ще одна нейтральна частинка – нейтрино. Нейтрино має нульовий заряд, спін і нульову масу спокою. Нейтрино позначають .

Проте виявилось, що при - розпаді випускається не нейтрино, а антинейтрино, (античастинка за відношенням до нейтрино, яка позначається ).

Гіпотеза про існування нейтрино дала змогу Е. Фермі створити теорію - розпаду (1934), а через 20 років (1956 р.) нейтрино було виявлено експериментально. Такі довгі пошуки нейтрино пов’язані з відсутністю у цієї частинки заряду та маси спокою, а також тим, що іонізуюча здатність нейтрино надзвичайно мала (один акт іонізації припадає на пробіг 500 км в повітрі), а проникна здатність – дуже висока (пробіг нейтрино з енергією 1 МеВ в свинцю порядку м).

Для експериментального виявлення нейтрино використовували метод, який ґрунтується на тому, що в ядерних реакціях виконується закон збереження імпульсу.

Введення нейтрино дозволило пояснити не лише збереження спіна ядра, а й неперервність енергетичного спектра випромінюваних електронів. Суцільний спектр - частинок зумовлений розподілом енергії між електронами і антинейтрино, причому сума енергій обох частинок становить .

Оскільки при - розпаді кількість нуклонів в ядрі не змінюється, а Z збільшується на одиницю, то єдиний шлях, яким може відбуватись цей процес, це перетворення одного з нейтронів ядра в протон з одночасним утворенням електрона і антинейтрино:

.

Цей процес супроводжується виконанням законів збереження електричних зарядів, імпульсу і масових чисел.

Прикладом - розпаду може бути така реакція:

.

Явище - розпаду характерне ли­ше для штучно радіоактивних ядер і було вперше виявлено Фредериком та Ірен Жоліо-Кюрі при бомбардуванні різних ядер - частинками. Цей вид радіоактивного розпаду відбувається за таким правилом зміщення:

.

Прикладом - розпаду може бути така реакція перетворення азоту у вуглець :

.

Процес – розпаду проходить за такою схемою: один з протонів ядра перетворюється у нейтрон, випромінюючи при цьому позитрон і нейтрино:

.

Оскільки маса спокою протона мен­ша, ніж маса спокою нейтрона, то для віль­ного протона реакція відбуватися не може. Однак для протона, який знаходиться в яд­рі, внаслідок ядерної взаємодії частинок, ця реакція є енергетично можливою.

Позитрон – – частинка з масою спокою, яка точно дорівнює масі спокою електрона, спіном , і яка має додатний електричний заряд +е.

Позитрони можуть народжуватись при взаємодії - квантів великих енергій з речовиною. Цей процес відбувається за схемою

.

Для багатьох ядер перетворення протона в нейтрон, крім описаного вище процесу, може відбуватись через електрон­не захоплення, або е- захоплення (К-захоплення), при якому ядро спонтанно захоплює електрон з однієї із внутрішніх оболонок атома, ви­пускаючи нейтрино:

.

Необхідність появи нейтрино випливає із закону збереження спіна. Схема е-захоплення:

,

тобто один з протонів ядра перетворюється у нейтрон, заряд ядра зменшується на одиницю і воно зміщується вліво, так само, як і при позитронному розпаді.

Електронне захоплення супровод­жується характеристичним рентгенівським випромінюванням, що виникає при заповненні вакансій, які утворюються в елек­тронній оболонці атома. При е-захопленні, крім нейтрино, ніякі інші частинки не випромінюються. Прикладом електронного захоплення може служити перетворення радіоактивного ядра берилію у стабільне ядро літію:

.

2. Розподіл - частинок за енергіями.

Оскільки внаслідок β-розпаду в кінцевому стані знаходяться три частинки (дочірнє ядро, електрон/позитрон, антинейтрино/нейтрино), то характерна особливість β-розпаду полягає в тому, що випромінювані ядром електрони чи позитрони мають неперервний енергетичний спектр з чітко визначеною максимальною граничною енергією. Максимальну енергію можна визначити, знаючи маси початкового та кінцевого ядра і електрона. Хоч при β-розпаді масове число ядра не міняється (число протонів і нейтронів), але міняється його енергія і відповідно маса.

На відміну від α- та γ-розпадів, при β-розпаді відбувається перетворення нуклонів (протонів чи нейтронів) у ядрі під впливом слабких взаємодій. Такі перетворення нуклонів ядра можуть відбуватися, якщо цей процес енергетично вигідний. В таблицях звичайно приводяться маси атомів М_ат тому, умови для можливості β-розпаду записуємо у такому вигляді:

Енергію β-розпаду Q_р можна визначити, якщо відомі маси початкового і кінцевого ядер та електрона:

У відповідності з законом збереження енергії та імпульсу енергія, що виділяється при β-розпаді, розподіляється між ядром віддачі та частинками, що випромінюються ядром

Енергія ядра Е_я складає приблизно одну тисячну від енергії β - розпаду тому що маса електрона у 1840 раз менша маси нуклона. Енергія, яку одержують нейтрино і β^-- частинка, ділиться між ними з різною імовірністю в межах між нулем та Е_mах=Q_р. Саме це обумовлює таку особливість β-розпаду як неперервність енергетичного спектру електронів. Величину Е_mах називають верхня межа (границя) β-спектру.

Форма β^--спектру визначається також різними факторами. При β^--розпаді спектр збагачений електронами низьких енергій, за рахунок притягування електронів розпаду електричним полем позитивно зарядженого дочірнього ядра, а при β⁺ - розпаді збагачений позитронами високих енергій (за рахунок відштовхування позитронів ядром).

На форму спектру також впливає так званий ступінь забороненості переходу, який визначається зокрема законом збереження повного моменту ядра (спіну), який дорівнює сумі орбітальних моментів нуклонів та сумі спінів нуклонів ядра.

Нарешті, форма β-спектру може бути сильно деформована у випадку, коли розпад ядра відбувається не у основний, а у збуджений стан.

Періоди напіврозпаду β-активних ядер лежать у межах від 0,1 с до 10¹⁷ років. Енергія β -розпаду ядер і відповідно Е_mах охоплює інтервал від 18,6 кеВ для розпаду до 13,4 МеВ.

Радіоактивні атоми одного і того ж виду випромінюють електрони різноманітних енергій, починаючи від нуля до деякого граничного значення, яке називається верхньою границею β-спектру. Повна енергія β-розпаду повинна дорівнювати верхній границі спектру плюс енергія, яка еквівалентна сумі мас спокою електрону та нейтрино, які народжуються в процесі розпаду. Тобто енергія розподіляється між електроном та нейтрино. В тому випадку, коли електрон випускається з енергією E_max, яка відповідає верхній границі β-спектру, на долю нейтрино припадає нульова кінетична енергія. Чим менше енергія електрона, тим більше кінетична енергія нейтрино. Сума цих енергій при кожному індивідуальному акті β-розпаду дорівнює E_max.

На сьогоднішній день відомо більше 700 штучних бета-ізотопів. Важко назвати елемент, який не має хоча би одного бета-активного ізотопу. Всі ці нестабільні ядра мають загальну особливість. Вони випромінюють електрони (або позитрони) не з певною для даного ядра енергією, але у вигляді неперервного енергетичного спектру, який простягається від нуля до деякої верхньої границі, яка звичайно лежить в області від 1 до 2 МеВ. Напевно, бета-активний ізотоп з найбільш низькою границею β-спектру є ( ≈ 0.011 МеВ), а з найвищою — ( ≈ 12 МеВ).

3. - випромінювання, його спектр, закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу і парності.

Одним із процесів утворення гамма-квантів є випромінювання радіоактивним ядром, яке було утворене в збудженому стані. Гамма-квант випромінюється при переході ядра із збудженого стану в основний. При цьому не міняються ні атомний номер, ні масове число ядра.

Гамма-кванти можуть з'являтися також у інших, складніших ядерних реакціях. Іншим джерелом гамма-променів є гальмівне випромінювання високоенергетичних заряджених частинок. Заряджені частинки, рухаючись з прискоренням випромінюють електромагнітні хвилі. Спектр випромінювання залежить від енергії частинки. Для того, щоб частинка випромінювала гамма-кванти, її енергія повинна бути дуже високою, лежати в області принаймні десятків МеВ.

- випромінювання не відхиляється електричними і магнітними полями, володіє відносно слабкою іонізуючою і надзвичайно великою проникною здатністю (про­ходить крізь шар свинцю завтовшки 5 см), дифрагує на кристалах. - випромінювання – це короткохвильове елек­тромагнітне випромінювання з дуже малою довжиною хвилі і внаслідок цього – яскраво вираженими корпускулярними властивостями.

Експериментально встановлено, що - випромінювання не є самостійним видом радіоактивності, а лише супроводжує - та - розпади; виникає також під час ядерних реакцій, гальмування заряджених частинок, їх розпаду та ін. Встановлено, що - випромінювання не викликає зміни заряду і масового числа ядер, воно випускається дочірнім ядром, яке в момент свого утворення перебуває у збудженому стані.

Повертаючись в основний стан, збуджене ядро може пройти через ряд проміжних станів, тому - випромінювання одного і того самого радіоактивного ізотопу може містити кілька груп -кван­тів, що відрізняються одна від одної своєю енергією. Отже, спектр - випромінювання дискретний.

Ядро, яке знаходиться у збудженому стані, може передати енергію Е при переході в основний стан одному з електронів атома (без випускання - кванта). При цьому випромінюється електрон конверсії, а саме явище називається внутрішньою конверсією. Якщо енергія збудженого ядра виділяється у вигляді - кванта, то його частота визначається з . Якщо випромінюються електрони конверсії, то їх енергія буде , де - робота виходу електронів з відповідних електронних оболонок. Вакантні місця, що виникли внаслідок випромінювання елек­тронів конверсії, будуть заповнюватись електронами з верхніх оболонок. Тому внутрішня конверсія завжди супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням.

- кванти мають нульову масу спокою, тому під час проходження крізь речовину вони або поглинаються, або розсіюються речовиною, але їх енергія не змінюється. Внаслідок поглинання інтенсивність - випромінювання зменшується за експоненціальним законом: , де та І - інтенсивність - випромінювання на вході і виході речовини завтовшки х, - лінійний коефіцієнт поглинання, який залежить від властивостей речовини та енергії - квантів.

- кванти, проходячи через речовину, можуть взаємодіяти як з електронами атомів речовини, так із їх ядрами.

Рівняння γ-випромінювання можна записати у вигляді:

Основними процесами, які супроводжують проходження - квантів крізь речовину, є фотоефект, комптонівське розсіювання і утворення електрон-позитрон­них пар.

Фотоефект – це процес, при якому атом поглинає - квант і випромінює електрон. Оскільки електрони вибиваються з внутрішніх оболонок атома, він супровод­жується характеристичним рентгенівським випромінюванням. Фотоефект відбувається в області малих енергій - квантів .

Зі збільшенням енергії - квантів основним механізмом взаємодії з речовиною є комптонівське розсіювання.

При стає мо­жливим процес утворення електронно-по­зитронних пар в електричних полях ядер. Ймовірність цього процесу пропорційна до і збільшується з ростом . Тому при основним процесом взаємодії - випромінювання в довільній речовині є утворення електрон-позитронних пар.

Якщо енергія - кванта перевищує енергію зв’язку нуклонів у ядрі , то може спостерігатись ядер­ний фотоефект – виривання з ядра одного з нуклонів, найчастіше нейтрона. Велика проникна здатність - випромінювання використовується в - дефектоскопії – методі спектроскопії, який ґрунтується на відмінності в інтенсивності випромінювання, що пройшло різні ділянки речовини.

Як і для будь-якого іонізуючого випромінювання для γ-випомінювання виконуються закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу. Оскільки γ-випромінювання не викликає міни масового та зарядового чисел, то виконується ще й закон збереження парності.

Контрольні питання:

1. Дайте визначення β-розпаду. Назвіть його види.

2. Сформулюйте правило зміщення та охарактеризуйте перетворення для β^- розпаду.

3. Сформулюйте правило зміщення та охарактеризуйте перетворення для β⁺ розпаду.

4. Сформулюйте правило зміщення та охарактеризуйте перетворення для е-захоплення.

5. Розкажіть про розподіл енергії частинок при β-розпаді.

6. Дайте характеристику γ-випромінювання. Як воно виникає?

7. Розкажіть як впливає енергія гамма-випромінювання на процес взаємодії його з речовиною. Які перетворення воно викликає?

Переглядів: 512