Мир атомных ядер РАДИОАКТИВНОСТЬ Открытие радиоактивности (1896 г.) Антуан Анри Беккерель (1852 — 1908) Нобелевская премия по физике 1903 г. «В знак признания выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности» N-Z диаграмма атомных ядер Радиоактивность Радиоактивность – свойство атомных ядер самопроизвольно изменять свой состав в результате испускания частиц или ядерных фрагментов. Радиоактивный распад • -распад – испускание ядрами -частиц, • β-распад – испускание (или поглощение) лептонов, • -распад – испускание -квантов, • спонтанное деление – распад ядра на два осколка сравнимой массы. К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух протонов, а также испускание кластеров – лёгких ядер от 12С до 32S. Во всех видах радиоактивности (кроме гамма-радиоактивности) изменяется состав ядра – число протонов Z , массовое число А или то и другое одновременно. Радиоактивность Радиоактивный распад может происходить только в том случае, если масса исходного ядра M i больше суммы масс продуктов распада M f Mi M f . Разность Q Mi M f c 2 выделяется в виде энергии продуктов распада. Постоянная распада Постоянная распада характеризует вероятность распада атомного ядра в единицу времени. Если в образце в момент времени t содержится N радиоактивных ядер, то количество dN ядер, распадающихся в интервал времени t — t + dt, определяется соотношением dN Ndt . Знак «минус» означает, что общее число радиоактивных ядер уменьшается в результате распада. Закон радиоактивного распада N (t ) N 0 e t N 0 — количество ядер в радиоактивном источнике в начальный момент времени t 0 , N (t ) — количество радиоактивных ядер, оставшихся в источнике в момент времени t , — постоянная распада. Количество ядер радиоактивного источника, распавшихся за время t , N 0 N (t ) N 0 (1 e t ) Постоянная распада Среднее время жизни Период полураспада T1/2 — среднее время жизни ядра dN 0 t dt dt dN 0 dt dt T1/2 - период полураспада – время, за которое число радиоактивных ядер уменьшается вдвое T1/ 2 N0 T1/ 2 N 0e 2 ln 2 0,693 ln 2 α-РАСПАД -распад -распад — распад атомных ядер, сопровождающийся 4 испусканием -частицы (ядра He ). -распад происходит в результате сильного взаимодействия. Энергия -распада Q Необходимым условием -распада ядра ( A, Z ) является M ( A, Z ) M ( A 4, Z 2) M , M ( A, Z ) — масса исходного ядра, M ( A 4, Z 2) — масса конечного ядра, M — масса -частицы. В результате -распада конечное ядро ( A 4, Z 2) и -частица приобретают суммарную кинетическую энергию Q Q M ( A, Z ) M ( A 4, Z 2) M c 2 , Q — энергия -распада. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что энергия -частицы T M ( A 4, Z 2) T Q M ( A 4, Z 2) M . Прохождение -частицы через потенциальный барьер Вероятность прохождения -частицы с энергией T через потенциальный барьер V (r ) 2 R0 84 36 P exp 2 V (r ) T dr e 10 . R Физика процесса -распада Вероятность -распада равна произведению вероятности обнаружить -частицу на границе ядра f на вероятность её прохождения через потенциальный барьер P. f P V V c f 1/3 1/3 2 R 2r0 A 2r0 A 1/2 2(T V0 ) 2 M c V — скорость -частицы внутри ядра V (0,1 0, 2)c , T — кинетическая энергия -частицы, M — приведенная масса -частицы, V0 — ядерный потенциал. , α-распад на возбужденные состояния ядра Допустимые значения орбитального момента l, который может унести α-частица, ограничены законами сохранения момента количества движения и чётности J f Ji l J f Ji . Jf и Ji – спины конечного и начального ядер. Из закона сохранения чётности следует, что значение l должно быть чётным, если чётности начального и конечного ядер совпадают, и нечётным, если чётности различны. -распад 255Fm J p ( 255 Fm) 7 / 2 255Fm β-РАСПАД -распад Z равн A 0,015 A2/3 2 -радиоактивные ядра наблюдаются во всей области значений массового числа A, начиная от свободного нейтрона и кончая массовыми числами самых тяжёлых ядер. -распад -распад происходит в результате слабых взаимодействий. На кварковом уровне при -распаде происходит превращение d-кварка в u-кварк или превращение u-кварка в d-кварк. На нуклонном уровне это соответствует переходам нейтрона в протон или протона в нейтрон. Энергия -распада Q M Я ( A, Z ) M Я ( A, Z 1) me c 2 Q M Я ( A, Z ) M Я ( A, Z 1) me c 2 - -распад - -распад Qe -з M Я ( A, Z ) me M Я ( A, Z 1) c 2 - е-захват M Я - массы ядер, me - масса электрона. В справочных таблицах обычно приводятся массы или избытки масс атомов, поэтому для энергий -распадов в этом случае Q M ат ( A, Z ) M ат ( A, Z 1) c 2 - -распад Q M ат ( A, Z ) M ат ( A, Z 1) c 2 2mec 2 - -распад Qe -з M ат ( A, Z ) M ат ( A, Z 1) c 2 M ат - массы атомов. - е-захват Спектр электронов -распада Энергии -распада изменяются от 0.02 МэВ до ~20 МэВ. 3 3 H He e e 0,02 МэВ 11 11 Li Вe e e 20, 4 МэВ Периоды полураспада изменяются от 10–3 с до 1016 лет. -распады ядер-изобар A=27 e-захват е-захват — захват ядром электрона из электронной оболочки собственного атома. В случае захвата ядром орбитального электрона в конечном состоянии образуются две частицы — конечное ядро и нейтрино. Так как это двухчастичный распад распределение энергий между образовавшимся ядром и нейтрино является однозначным. Практически вся она уносится нейтрино. е-захват имеет существенное значение в тяжелых ядрах, в которых К- и L-оболочки расположены близко к ядру. γ-ПЕРЕХОДЫ γ-переходы в ядрах Pf Jf f Ef P J i P Ji i Ei -переходы происходят в результате электромагнитного взаимодействия. Законы сохранения энергии E , момента количества движения J и четности P в электромагнитных переходах: J f J i J или J i J f J J i J f , Pf Pi P или P Pi Pf , E f Ei E TR . TR - энергия ядра отдачи. Магнитные и электрические фотоны Фотоны с определённым значением полного момента J имеют разные значения орбитального момента l и, следовательно, разные чётности. В зависимости от чётности при определенном значении J фотоны различают по типу на магнитные и электрические: J+1 l J, P (1) магнитные фотоны МJ; J l J 1, P (1) электрические фотоны ЕJ. Мультипольности γ-переходов 1 1 М1 E1 0 2 Е2 0 2 М2 0 0 Правила отбора по чётности имеют вид: J PP ( 1) для EJ-фотонов; i f J 1 PP ( 1) для MJ-фотонов. i f Вероятности испускания или поглощения электрических фотонов описываются приближенными соотношениями 1R wMJ ~ 2 J 1 магнитных и следующими 1R wEJ ~ 2J 5 2 1 2 0.597 МэВ t1 2 4.5 часа Изомерные состояния в ядрах 0.335 М4 9 2 0 115 49 In Времена жизни -радиоактивных ядер в среднем имеют порядок не более 1017–1011 с. Однако в некоторых случаях при сочетании высокой степени запрета с малой энергией перехода могут наблюдаться -радиоактивные ядра с временами жизни до нескольких часов и даже лет. Такие долгоживущие возбужденные состояния ядер называются изомерами. Примером изомера может служить изотоп 115 115 индия 49 In . Основное состояние 49 In имеет характеристики 9/2+. Первый возбужденный уровень имеет небольшую энергию, равную 335 кэВ, и характеристики 1/2–. Поэтому переход между этими состояниями происходит в результате испускания М4 -кванта. Этот переход настолько сильно запрещен, что период полураспада возбужденного состояния 335 кэВ равен 4,5 часа. Резонансное поглощение -квантов 1958 г. Рудольф Людвиг Мёссбауэр (1929 — 2011) Нобелевская премия по физике 1961 г. «За исследование резонансного поглощения гамма-излучения и открытие в этой связи эффекта, носящего его имя » Р. Мессбауэр открыл явление ядерного резонанса (эффект Мессбауэра) Для свободных ядер и ядер, связанных в кристаллической решётке условия отдачи при испускании γ-квантов существенно различны. Внутренняя конверсия К электрон виртуальный фотон ядро Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти в основное состояние не только путем испускания -кванта, но и посредством передачи энергии возбуждения одному из электронов атомной оболочки. Такой процесс носит название внутренней конверсии. Фотон, участвующий в нем, является виртуальным. Ее Е . Моноэнергетичность вылетающих при внутренней конверсии электронов позволяет отличить их от электронов -распада, спектр которых непрерывный. При внутренней конверсии наблюдаются кванты рентгеновского излучения, возникающие при переходе одного из наружных электронов на уровень K- или Lоболочки, освобожденный вылетевшим из атома электроном. 00-переходы 4 1,75 2 1,46 0,835 2 0 0 0,690 МэВ ? 72 32 Ge Явление 00-перехода возникает в том случае, когда основной и первый возбужденный уровни ядра имеют спин 0. Если ядро оказывается в первом возбуждённом состоянии, оно не может перейти в основное состояние путём испускания -кванта, так как реального фотона E0 с нулевым моментом не существует. Виртуальный E0-квант с нулевым моментом и положительной четностью может существовать. И этот квант обеспечивает снятие возбуждения ядра путем внутренней конверсии. ЭКЗОТИЧЕСКИЕ РАСПАДЫ Запаздывающие протоны 21Na Распады ядер в области границы протонной стабильности Кластерная радиоактивность 223 14 Ra C 209 Pb 31,38 МэВ ( ) 10 10 ( 14C )