Радіоактивні перетворення ядер

β--розпад

β+-розпад

Як видно зі схеми, у випадку β- -розпаду заряд ядра збільшується на одиницю, у випадку β+-розпаду — зменшується. У процесі е-захоплення також спостерігається зниження заряду ядра на одиницю. Таким чином, ядро перетворюється на ізобар, тобто нейтрон перетворюється на протон або навпаки, при цьому загальне число протонів і нейтронів (масове число) ядра залишається незмінним.

β-розпад стає можливим завдяки тому, що вихідне радіоактивне ядро має більшу масу й енергію спокою, ніж продукти розпаду. Надлишок енергії спокою звільняється у формі кінетичної енергії електрона або позитрона, енергії антинейтрино або нейтрино і дочірнього ядра.

Оскільки електрон не вилітає з ядра і не відривається від електронної оболонки атома, припустимо, що він народжується в ядрі як результат процесів, що там відбуваються. Розглянемо це на прикладі β--розпаду. У силу того, що число нуклонів у ядрі не змінюється, а заряд збільшується на одиницю, то єдино можливою ситуацією, у якій можуть одночасно здійснюватися ці умови, буде перетворення одного з нейтронів β-активного ядра на протон з одночасним утворенням електрона й випромінюванням антинейтрино.

Так, розпад нейтрона має вигляд:

Протягом тривалого часу вчених ставили у безвихідь безперервні спектри електронів, що випромінюються при β-розпаді. У зв'язку з цим навіть виникла гіпотеза про те, що в процесі β-розпаду порушується закон збереження енергії. Однак припущення, а згодом і доказ існування нейтрино пояснили цей факт. Справа в тому, що β-активні ядра до і після розпаду мають цілком певні енергії, але викидаються електрони, що мають енергію в діапазоні від 0 до певної Е . Як виявилося згодом, безперервність енергетичного спектра обумовлена тим, що енергія розподіляється між електронами й антинейтрино, причому сума енергій обох частинок дорівнює Етах. В одних актах розпаду більшу енергію отримує антинейтрино, в інших — електрон.

Сучасна теорія β-розпаду спирається на те, що всі перетворення, які відбуваються в ядрі, протікають під впливом слабкої взаємодії (єдиного виду взаємодії, у якому можуть брати участь нейтрино й антинейтрино).

Ядра, що мають β-радіоактивність, можна створювати штучно, якщо приєднати до стабільного ядра або відняти від нього один або кілька однотипних нуклонів. При надлишку електронів у ядрі може спостерігатися штучна р-радіоактивність. Такі ядра виходять у результаті опромінення речовин нейтронами в ядерних реакторах. При надлишку протонів ядра виявляють штучну β+-радіоактивність або зазнають е-захоплення. їх одержують опроміненням речовини на циклотроні позитивними іонами (протонами). Уперше наведена β+-радіоактивність була відкрита в 1934 р. при опроміненні речовин а-час-тинками, а штучна β--радіоактивність — при опроміненні речовин нейтронами від нейтронних джерел.

γ-Випромінювання. Ефект Мессбауера

Експериментально встановлено, що γ-випромінювання не є самостійним видом радіоактивності. Воно супроводжує α- і β-розпади, виникає при ядерних реакціях, гальмуванні заряджених частинок і т. ін.

У процесі γ-випромінювання ядро спонтанно переходить зі збудженого стану до основного або менш збудженого. При цьому надлишок енергії ядра звільняється у вигляді γ-кванта (кванта короткохвильового електромагнітного випромінювання) і у вигляді енергії віддачі ядра (Tя≈ 10 –2 - 10 еВ).

Встановлено, що у-випромінювачами є дочірні ядра, які утворилися в результаті α- і β-розпадів, тому що вони утворюються і в нормальному, і в збудженому станах. Випускання у-випромінювання відбувається протягом 10 -13 - 10-14 с із моменту утворення дочірнього ядра, що значно менше часу життя збудженого атома (10-8 с). При цьому перехід ядра зі збудженого до нормального стану може проходити через ряд проміжних станів, кожен із яких має свої енергетичні характеристики. Тому у-випромінювання того самого радіоактивного ізотопу може містити кілька різних за енергією груп у-квантів. Це доводиться і лінійчатим характером у-спектрів. Узагалі ж γ-спектр — це розподіл усіх у-квантів відповідно до їхніх енергетичних характеристик. Тому дискретність γ-спектра ще раз доводить дискретність енергетичних станів атомних ядер.Поряд із у-випромінюванням у ядрі може відбуватися конкурентний процес — внутрішня конверсія. Справа в тому, що перехід ядра зі збудженого до нормального стану може відбутися не тільки за рахунок випущення у-кванта, але і при безпосередній передачі енергії збудження одному з електронів того ж атома. При цьому випромінюється електрон конверсії.