Какие частицы образуются при бета распаде. Радиоактивные превращения. Альфа- и бета-распад. Характеристики радиоактивных превращений

Бета-распадом ядра называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар в результате испускания электрона (позитрона) или захвата электрона. Известно около 900 бета-радиоактивных ядер. Из них только 20 являются естественными, остальные получены искусственным путем.

Существует три вида β-распада: электронный β - - распад, позитронный β + - распад и электронный захват(е-захват). Основным видом является первый.

При электронном β - -распаде один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино.

Примеры: распад свободного нейтрона

Т 1/2 =10,7 мин ;

распад трития

Т 1/2 = 12 лет .

При позитронном β + -распаде один из протонов ядра превращается в нейтрон с испусканием положительно заряженного электрона (позитрона) и электронного нейтрино

В случае электронного е-захвата ядро захватывает электрон с электронной оболочки (чаще К-оболочки) собственного атома.

Бета –распад возможен. когда разность масс начального и конечного ядер превышает сумму масс электрона и нейтрино. Всегда, когда энергетически возможен β + -распад возможен и е -захват. Бета-распад наблюдается у ядер с любым массовым числом. Наблюдаемыми характеристиками при бета-распадах являются период полураспада Т 1/2 , формы энергетических β-спектров и другие характеристики.

Энергия β - -распада лежит в интервале

()0,02 Мэв < Е β < 13,4 Мэв ().

Энергия, выделяющаяся при бета-распаде, распределяется между электроном, нейтрино и дочерним ядром. Спектр испускаемых β-частиц непрерывен от нуля до максимального значения. Формулы для вычисления максимальной энергии бета-распадов :

где - масса материнского ядра, - масса дочернего ядра. m e –масса электрона.

Период полураспада Т 1/2 связан с вероятностью бета- распада соотношением

Вероятность бета-распада сильно зависит от энергии бета-распада ( ~ E β 5 при E β >> m e c 2) поэтому период полураспада Т 1/2 меняется в широких пределах

Бета-распад

β-распад, радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо нейтрона (n) в протон (p), либо протона в нейтрон. В первом случае из ядра вылетает электрон (е -) - происходит так называемый β - -распад. Во втором случае из ядра вылетает позитрон (е +) - происходит β + -распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы - нейтрино (ν ) в случае β+-распада или антинейтрино А, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядропродукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. Наоборот, при β + -распаде число протонов уменьшается на единицу, а число нейтронов увеличивается на единицу и образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. Символически оба процесса Б.-р. записываются в следующем виде:

где -Z нейтронов.

Простейшим примером (β - -распада является превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (период полураспада нейтрона ≈ 13 мин ):

Более сложный пример (β - -распада - распад тяжёлого изотопа водорода - трития, состоящего из двух нейтронов (n) и одного протона (p):

Очевидно,что этот процесс сводится к β - -распаду связанного (ядерного) нейтрона. В этом случае β-радиоактивное ядро трития превращается в ядро следующего в периодической таблице элемента - ядро лёгкого изотопа гелия 3 2 Не.

Примером β + -распада может служить распад изотопа углерода 11 С по следующей схеме:

Превращение протона в нейтрон внутри ядра может происходить и в результате захвата протоном одного из электронов с электронной оболочки атома. Чаще всего происходит захват электрона

Б.-р. наблюдается как у естественно-радиоактивных, так и у искусственно-радиоактивных изотопов. Для того чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов β-превращения (т. е. могло испытать Б.-р.), сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при Б.-р. происходит выделение энергии. Энергию Б.-р. Е β можно вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е = mc2, где с - скорость света в вакууме. В случае β-распада

где М - массы нейтральных атомов. В случае β+-распада нейтральный атом теряет один из электронов в своей оболочке, энергия Б.-р. равна:

где me - масса электрона.

Энергия Б.-р. распределяется между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из лёгких частиц может уносить практически любую энергию от 0 до E β т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.

Итак, при β - -распаде масса исходного атома превышает массу конечного атома, а при β + -распаде это превышение составляет не менее двух электронных масс.

Исследование Б.-р. ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности явление Б.-р. долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой (см. Ядро атомное). Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при Б.-р., даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы - нейтрино - спасло не только закон сохранения энергии, но и другой важнейший закон физики - закон сохранения момента количества движения. Поскольку Спин ы (т. е. собственные моменты) нейтрона и протона равны 1 / 2 , то для сохранения спина в правой части уравнений Б.-р. может находиться лишь нечётное число частиц со спином 1 / 2 . В частности, при β - -распаде свободного нейтрона n → p + e - + ν только появление антинейтрино исключает нарушение закона сохранения момента количества движения.

Б.-р. имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости. Т. о., тенденция к β + -распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к β - -распаду - для нейтроноизбыточных изотопов. Известно около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102).

Энергия Б.-р. ныне известных изотопов лежит в пределах от

периоды полураспада заключены в широком интервале от 1,3 · 10 -2 сек (12 N) до Бета-распад 2 10 13 лет (природный радиоактивный изотоп 180 W).

В дальнейшем изучение Б.-р. неоднократно приводило физиков к крушению старых представлений. Было установлено, что Б.-р. управляют силы совершенно новой природы. Несмотря на длительный период, прошедший со времени открытия Б.-р., природа взаимодействия, обусловливающего Б.-р., исследована далеко не полностью. Это взаимодействие назвали «слабым», т.к. оно в 10 12 раз слабее ядерного и в 10 9 раз слабее электромагнитного (оно превосходит лишь гравитационное взаимодействие; см. Слабые взаимодействия). Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам (См. Элементарные частицы) (кроме фотона). Прошло почти полвека, прежде чем физики обнаружили, что в Б.-р. может нарушаться симметрия между «правым» и «левым». Это несохранение пространственной чётности было приписано свойствам слабых взаимодействий.

Изучение Б.-р. имело и ещё одну важную сторону. Время жизни ядра относительно Б.-р. и форма спектра β-частиц зависят от тех состояний, в которых находятся внутри ядра исходный нуклон и нуклон-продукт. Поэтому изучение Б.-р., помимо информации о природе и свойствах слабых взаимодействий, значительно пополнило представления о структуре атомных ядер.

Вероятность Б.-р. существенно зависит от того, насколько близки друг к другу состояния нуклонов в начальном и конечном ядрах. Если состояние нуклона не меняется (нуклон как бы остаётся на прежнем месте), то вероятность максимальна и соответствующий переход начального состояния в конечное называется разрешённым. Такие переходы характерны для Б.-р. лёгких ядер. Лёгкие ядра содержат почти одинаковое число нейтронов и протонов. У более тяжёлых ядер число нейтронов больше числа протонов. Состояния нуклонов разного сорта существенно отличны между собой. Это затрудняет Б.-р.; появляются переходы, при которых Б.-р. происходит с малой вероятностью. Переход затрудняется также из-за необходимости изменения спина ядра. Такие переходы называются запрещёнными. Характер перехода сказывается и на форме энергетического спектра β-частиц.

Экспериментальное исследование энергетического распределения электронов, испускаемых β-радиоактивными ядрами (бета-спектра), производится с помощью Бета-спектрометр ов. Примеры β-спектров приведены на рис. 1 и рис. 2 .

Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 4, М., 1969, гл. 22-24; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961.

Е. М. Лейкин.

Бета-спектр нейтрона. На оси абсцисс отложена кинетич. энергия электронов Е в кэв , на оси ординат - число электронов N (Е) в относительных единицах (вертикальными чёрточками обозначены пределы ошибок измерений электронов с данной энергиией).

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Бета-распад" в других словарях:

Бета распад, радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе к рьхх ядра испускают электроны и антинейтрино (бета распад) либо позитроны и нейтрино (бета+ распад). Вылетающие при Б. р. электроны и позитроны носят общее назв. бета частиц. При… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Современная энциклопедия

Бета-распад - (b распад), вид радиоактивности, при котором распадающееся ядро испускает электроны или позитроны. При электронном бета распаде (b) нейтрон (внутриядерный или свободный) превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино (смотри… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Бета-распад - (β распад) радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе которых ядра испускают электроны и антинейтрино (β распад) либо позитроны и нейтрино (β+ распад). Вылетающие при Б. р. электроны и позитроны носят общее название бета частиц (β частиц) … Российская энциклопедия по охране труда

- (b распад). самопроизвольные (спонтанные) превращения нейтрона n в протон р и протона в нейтрон внутри ат. ядра (а также превращение в протон свободного нейтрона), сопровождающиеся испусканием эл на е или позитрона е+ и электронных антинейтрино… … Физическая энциклопедия

Самопроизвольные превращения нейтрона в протон и протона в нейтрон внутри атомного ядра, а также превращение свободного нейтрона в протон, сопровождающееся испусканием электрона или позитрона и нейтрино или антинейтрино. двойной бета распад… … Термины атомной энергетики

- (см. бета) радиоактивное превращение атомного ядра, при котором испускаются электрон и антинейтрино или позитрон, и нейтрино; при бета распаде электрический заряд атомного ядра изменяется на единицу, массовое число не меняется. Новый словарь… … Словарь иностранных слов русского языка

бета-распад - бета лучи, бета распад, бета частицы. Первая часть произносится [бэта] … Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке

Сущ., кол во синонимов: 1 распад (28) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Бета распад, бета распада … Орфографический словарь-справочник

БЕТА-РАСПАД - (ß распад) радиоактивное превращение атомного ядра (слабое взаимодействие), при котором испускаются электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино; при Б. р. электрический заряд атомного ядра изменяется на единицу, массовое (см.) не меняется … Большая политехническая энциклопедия

Накопители тяжелых ионов открывают принципиально новые возможности в исследовании свойств экзотических ядер. В частности, они позволяют накапливать и в течение длительного времени использовать полностью ионизованные атомы – «голые» ядра. В результате становится возможным исследовать свойства атомных ядер, у которых нет электронного окружения и в которых отсутствует кулоновское воздействие внешней электронной оболочкис атомным ядром.

Рис. 3.2 Схема e-захвата в изотопе (слева) и полностью ионизованных атомах и (справа)

Распад на связанное состояние атома был впервые обнаружен в 1992 г. Наблюдался β - -распад полностью ионизованного атома на связанные атомные состояния . Ядро 163 Dy на N-Z диаграмме атомных ядер помечено черным цветом. Это означает, что оно является стабильным ядром. Действительно, входя в состав нейтрального атома, ядро 163 Dy стабильно. Его основное состояние (5/2 +) может заселятся в результате e-захвата из основного состояния (7/2 +) ядра 163 Ho. Ядро 163 Ho, окруженное электронной оболочкой,β - -радиоактивно и его период полураспада составляет ~10 4 лет. Однако это справедливо только если рассматривать ядро в окружении электронной оболочки. Для полностью ионизированных атомов картина принципиально другая. Теперь основное состояние ядра 163 Dy оказывается по энергии выше основного состояния ядра 163 Ho и открывается возможность для распада 163 Dy (рис. 3.2)

→ + e - + e .

(3.8)

Образующийся в результате распада электрон может быть захвачен на вакантную К или L-оболочку иона . В результате распад (3.8) имеет вид

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Энергии β-распадов на K и L-оболочки равны соответственно (50.3±1) кэВ и (1.7±1) кэВ. Для наблюдения распада на связанные состояния K- и L-оболочки в накопительном кольце ESR в GSI было накоплено 10 8 полностью ионизированных ядер . В течение времени накопления в результате β + -распада образовывались ядра (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Динамика накопления ионов: а - ток накопленных в накопительном кольце ESR ионов Dy 66+ во время разных стадий эксперимента, β- интенсивности ионов Dy 66+ и Ho 67+ , измеренные внешним и внутренним позиционно-чувствительными детекторами соответственно

Так как ионы Ho 66+ имеют практически то же отношение M/q, что и ионы первичного пучка Dy 66+ , они накапливаются на одной и той же орбите. Время накопления составляло ~ 30 мин. Для того, чтобы измерить период полураспада ядра Dy 66+ , накопленный на орбите пучок было необходимо очистить от примеси ионов Ho 66+ . Для очистки пучка от ионов в камеру инжектировалась аргоновая газовая струя плотностью 6·10 12 атом/см 2 , диаметром 3 мм, которая пересекала накопленный пучок ионов в вертикальном направлении. За счет того, что ионыHo 66+ захватывали электроны, они выбывали с равновесной орбиты. Очистка пучка проходила в течение приблизительно 500 с. После чего газовая струя перекрывалась и в кольце продолжали циркулировать ионы Dy 66+ и вновь образовавшиеся (после выключения газовой струи) в результате распада ионы Ho 66+ . Продолжительность этого этапа менялась от 10 до 85 мин. Детектирование и идентификация Ho 66+ базировались на том, что Ho 66+ можно еще сильнее ионизировать. Для этого на последнем этапе в накопительное кольцо снова инжектировалась газовая струя. Происходило обдирание последнего электрона с иона 163 Ho 66+ и в результате получался ион 163 Ho 67+ . Рядом с газовой струей располагался позиционно-чувствительный детектор, которым регистрировались выбывающие из пучка ионы 163 Ho 67+ . На рис. 3.4 показана зависимость числа образующихся в результате β-распада ядер 163 Ho от времени накопления. На вставке показано пространственное разрешение позиционно-чувствительного детектора.
Таким образом, накопление в пучке 163 Dy ядер 163 Ho явилось доказательством возможности распада

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Рис. 3.4. Отношение дочерних ионов 163 Ho 66+ к первичным 163 Dy 66+ в зависимости от времени накопления. На врезке пик 163 Ho 67+ , зарегистрированный внутренним детектором

Варьируя интервал времени между очисткой пучка от примеси Ho 66+ и временем регистрации вновь образующихся в пучке примеси ионов Ho 66+ , можно измерить период полураспада полностью ионизированного изотопа Dy 66+ . Оно оказалось равным ~0.1 года.
Аналогичный распад был обнаружен и для 187 Re 75+ . Полученный результат крайне важен для астрофизики. Дело в том, что нейтральные атомы 187 Re имеют период полураспада 4·10 10 лет и используются как радиоактивные часы. Период полураспада 187 Re 75+ составляет всего 33±2 года. Поэтому в астрофизические измерения необходимо вносить соответствующие поправки, т.к. в звездах 187 Re чаще всего находится в ионизированном состоянии.
Изучение свойств полностью ионизованных атомов открывает новое направление исследований экзотических свойств ядер, лишенных кулоновского воздействия внешней электронной оболочки.

· Цепная ядерная реакция

.

В β + -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино :

.

Таким образом, в отличие от β − -распада , β + -распад не может происходить в отсутствие внешней энергии, поскольку масса самого нейтрона больше массы протона. β + -распад может случаться только внутри ядер, где абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц.

Во всех случаях, когда β + -распад энергетически возможен (и протон является частью ядра с электронными оболочками), он сопровождается процессом электронного захвата , при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:

.

Но если разность масс начального и конечного атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ), то электронный захват происходит, не сопровождаясь конкурирующим процессом позитронного распада; последний в этом случае запрещён законом сохранения энергии .

Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра , эти процессы распада превращают один химический элемент в другой. Например:

(β − распад), (β + распад), (электронный захват).

Бета-распад не меняет число нуклонов в ядре A , но меняет только его заряд Z . Таким образом может быть введён набор всех нуклидов с одинаковым A ; эти изобарные нуклиды могут превращаться друг в друга при бета-распаде. Среди них некоторые нуклиды (по крайней мере, один) бета-стабильны, поскольку они представляют собой локальные минимумы излишка массы: если такое ядро имеет (A , Z ) числа, соседние ядра (A , Z −1) и (A , Z +1) имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада в (A , Z ), но не наоборот. Необходимо заметить, что бета-стабильное ядро может подвергаться другим типам радиоактивного распада (альфа-распаду , например). Большинство изотопов, существующих в природных условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с такими большими периодами полураспада , что они не успели исчезнуть за примерно 4,5 млрд лет, прошедшие с момента нуклеосинтеза . Например, 40 K , который испытывает все три типа бета-распада (бета-минус, бета-плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1.277×10 9 лет.

Бета-распад можно рассматривать как переход между двумя квантовомеханическими состояниями, обусловленный возмущением, поэтому он подчиняется золотому правилу Ферми .

График Кюри

График Кюри (известен также как график Ферми) - диаграмма, используемая для изучения бета-распада. Это энергетическая зависимость квадратного корня из количества излучённых бета-частиц с данной энергией, делённая на функцию Ферми. Для разрешённых (и некоторых запрещённых) бета-распадов график Кюри линеен (прямая линия, наклонённая в сторону роста энергии). Если нейтрино имеют конечную массу, то график Кюри вблизи точки пересечения с осью энергии отклоняется от линейного, благодаря чему появляется возможность измерить массу нейтрино.

Двойной бета-распад

Некоторые ядра могут испытывать двойной бета-распад (ββ-распад), при котором заряд ядра меняется на две единицы. В самых практически интересных случаях такие ядра бета-стабильны (простой бета-распад энергетически запрещён), поскольку когда β- и ββ-распады оба разрешены, вероятность β-распада (обычно) намного больше, мешая исследованиям очень редких ββ-распадов. Таким образом, ββ-распад обычно изучается только для бета-стабильных ядер. Как и простой бета-распад, двойной бета-распад не меняет A ; следовательно, как минимум один из нуклидов с данным A должен быть стабильным по отношению как к простому, так и к двойному бета-распаду.

История

Исторически исследование бета-распада привело к первому физическому свидетельству существования нейтрино . В году Лиза Мейтнер и Отто Ган провели эксперимент, который показал, что энергии электронов, испускаемых при бета-распаде, имеют непрерывный, а не дискретный спектр. Это находилось в очевидном противоречии с законом сохранения энергии, поскольку получалось, что часть энергии терялась в процессах бета-распада. Вторая проблема заключалась в том, что спин атома азота -14 был равен 1, что противоречило предсказанию Резерфорда - ½. В известном письме, написанном в году, Вольфганг Паули предположил, что помимо электронов и протонов атомы содержат очень легкую нейтральную частицу, которую он назвал нейтроном. Он предположил, что этот «нейтрон» испускается при бета-распаде и раньше просто не наблюдался. В году

Бета-распад (b-распад) является спонтанным процессом преобразования ядра, в результате которого ядро изменяет свой заряд на ΔΖ = ±1, сохраняя при этом неименное число нуклонов А (массовое число). В некоторых случаях образуются свободные b-частицы (электрон β - или позитрон β + ) или перестает существовать один из электронов («захват» ядром электрона из электронной оболочки) соответствующего атома. Свойства электрона и позитрона тождественны, за исключением знака электрического заряда. Потоки образующихся b- частиц называются b-излучением .

β-Распад – самый распространенный вид радиоактивных превращений ядер в природе. В отличие от α-распада, который наблюдается исключительно у тяжелых ядер, β-распаду подвержены ядра практически во всей области значений массового числа А, начиная от единицы (свободный нейтрон) и заканчивая массовыми числами самых тяжелых ядер.

Энергия, выделяющаяся при β-распаде, опять же, в отличие от α-распада, лежит в довольно широком интервале значений от 0,02 МэВ при распаде ядра трития 3 Н до 16,4 МэВ при распаде ядра 12 N.

Периоды полураспада β-активных ядер изменяются в очень широких пределах от 10 -2 с до 10 18 лет .

Стабильные атомные ядра должны иметь минимальную величину полной энергии, которая определяется его массой. Масса ядра с данным числом нуклонов определяется, в свою очередь, его протонно-нейтронным составом, поскольку массы протона и нейтрона не равны между собой. В этой связи у ядер-изобар существует единственно возможная конфигурация чисел протонов и нейтронов, которой отвечает ядро с наименьшей массой (см. рис. 2.2.1), а, следовательно, и полной энергией. Ядру с любой другой конфигурацией нуклонов энергетически выгодно превращение в ядро с оптимальной конфигурацией. Такие самопроизвольные изменения в составе ядер действительно имеют место и обусловлены явлением b-распада – взаимопревращением нуклонов друг в друга. Направление процесса для ядра с данным протонно-нейтронным составом определяется лишь тем, в каком состоянии один из нуклонов ядра – нейтроном или протонном – имеет наибольшую энергию связи, которой соответствует наименьшая масса ядра (см. рис. 2.2.1).

Известны три разновидности b-распада.

1. Электронный (β - - распад):

2. Позитронный (b + - распад)

3. E-захват (или К -захват - по обозначению электронной оболочки)

Е-захват и b + - распад часто конкурируют между собой, так как ядра претерпевают одинаковые превращения.

Таким образом, при b- распаде любого вида число нуклонов в ядре сохраняется, но происходит самопроизвольное превращение либо нейтрона в протон (β - - распад), либо протона в нейтрон (b + -распад и Е-захват). Именно поэтому Е-захват относится к процессам b-распада.

Так как при b- распаде изменяется только один из нуклонов ядра, то этот процесс – внутринуклонный, а не внутриядерный. Подтверждением этому служит b- распад свободного нейтрона, протекающего по следующей схеме:

.

(3.5.6)

Поэтому свободный нейтрон частица нестабильная. Современное значение периода полураспада нейтрона составляет 10,25 мин.

Превращение (b-распад) свободного протона в нейтрон запрещено законом сохранения энергии, так как его масса на 1,3 МэВ меньше массы нейтрона. Но в составе ядра он может преобразовываться в нейтрон за счет внутренней энергии ядра, что приводит к явлению b + -распада или Е-захвата.

Остановимся на интересном вопросе о возникновении свободных β-частиц в процессе β-распада ядер. Не вызывает сомнений, что источником β-частиц является ядро, но большое количество экспериментальных данных свидетельствует о том, что в ядре нет β-частиц. Еще до открытия нейтрона (1932 г.) и создания протонно-нейтронной модели ядра (Иваненко, Гейзенберг.1932 г.) была предложена модель атомного ядра, имеющего в своем составе протоны и электроны. Например, ядро представлялось как 14 протонов и 7 электронов. К тому времени было известно, что протон и электрон имеют полуцелый спин, равный 1/2 и согласно этой модели спин ядрадолжен быть полуцелым числом. Однако экспериментально измеренный спин ядра равнялся единице. Это противоречие получило название «азотная катастрофа». Отсюда следует несправедливость протонно-электронной модели ядра. Об этом же свидетельствует и порядок величины магнитных моментов ядер, которые не превышают нескольких ядерных магнетонов Бора (см. §1.6 п.2). Если бы электроны входили в состав ядра, естественно было бы ожидать, что магнитные моменты ядер по порядку величины должны быть близки атомному магнетону Бора, величина которого ~ в 2000 раз больше ядерного. Наконец, о невозможности существования в ядре связанных электронов свидетельствует квантовомеханическое соотношение между неопределенностями Δp и Δr одновременного измерения импульса и координаты электрона в ядре:

которой соответствует энергии электрона > 20 МэВ . Такая величина энергии существенно превышает как высоту кулоновского барьера для электронов в самых тяжелых ядрах (В к ≈ 15 МэВ ), так и энергию электронов β-распада. Таким образом, по современным представлениям электронов в ядрах нет и они рождаются непосредственно при b-распаде ядра, о чем свидетельствует также рождение особых частиц: нейтрино (ν) и антинейтрино, которые имеют обобщающее название нейтрино.

Обнаружить на опыте β - и b + -распады очень просто, регистрируя обычными методами β-частицы с большой энергией. Зарегистрировать нейтрино, возникающее при Е-захвате, обычными лабораторными методами невозможно. Однако Е-захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, возникающим вследствие того, что образовавшаяся энергетическая вакансия после захвата электрона ядром, заполняется электронами с вышележащих электронных оболочек атома. Длина волны характеристического рентгеновского излучения определяется величиной Z ядра (закон Мозли), что позволяет идентифицировать заряд материнского ядра. Кроме этого, энергия перехода может быть непосредственно передана одному из электронов внешней оболочки, в результате чего возникает излучение моноэнергетических электронов (т.н. электроны Оже ). Именно по таким сопутствующим явлениям был открыт Е-захват (Альварец, 1937 г.).

При β-распаде выделяется энергия, равная разности массы первоначальной системы и массы конечной, выраженных в энергетических единицах:

= M (A,Z) - M (A,Z+1) - m β > 0, = M (A,Z) - M (A,Z-1) - m β > 0, Е Е = M (A,Z) + m e - M (A,Z-1) - ε е > 0,

(3.5.9)

где m e и ε е – масса и энергия связи атомного электрона, который захватывается ядром. В правых частях (3.5.9) опущены массы покоя нейтрино и антинейтрино, так как по современным представлениям их массы покоя m ν не превышает 30 эВ (m ν << m e).

Если к правой части равенств (3.5.9) прибавить и вычесть Z m e , то с точностью до энергии связи электронов в атоме энергию соответствующей разновидности β-распада можно выразить через массы атомов:

= M ат (A,Z) - M ат (A,Z+1) > 0, = M ат (A,Z) - M ат (A,Z-1) - 2m e > 0, Е Е =M ат (A,Z) - M ат (A,Z-1) - ε е > 0.

(3.5.10)

Положительная величина энергии распада является необходимым энергетическим условием возможности β-распада. Поэтому (3.5.9) и (3.5.10) выражают энергетические условия соответствующих разновидностей β-распада. Использовать для этих целей понятие энергии связи β-частцы в ядре неправомерно, поскольку в ядре нет β-частиц.

Выше было указано, что b + - распад и Е-захват конкурируют между собой. Из (3.5.10) очевидно, что если выполняется условие для β + ‑распада, то и подавно выполнится последнее, а Е-захват может происходить даже тогда, когда β + ‑распад энергетически невозможен. Все нечетно-нечетные ядра, за исключением четырех легких ядер 2 H, 6 Li, 10 B и 14 N, указанных выше, нестабильны к β-распаду и очень часто испытывают все три вида b- распада, хотя и с различной вероятностью. Объясняется это эффектом спаривания одноименных нуклонов, в результате которого нечетно-нечетное ядро «стремится» стать четно-четным всеми возможными способами (рис. 2.2.1,б). Например, ядра в 40 % испытывает β - ‑распад, в 40 % - Е‑захват и в 20 % - b + - распад. Как всегда, эти данные следует понимать в статистическом смысле, а каждое конкретное ядро может либо испытать β - ‑распад, либо Е‑захват, либо b + - распад.

Оценим максимальную долю энергии, которую может получить невозбужденное дочернее ядро, когда энергия нейтрино равна нулю. В этом случае кинетическая энергия β-частица (T β) max и дочернего ядра Т я имеют максимально возможные значения. Пусть материнское ядро покоиться. Тогда из закона сохранения импульса следует, что

Поэтому с хорошей точностью можно положить = Е β .

Энергии β-частиц измеряется по величине их отклонения при движении в постоянном магнитном поле с помощью специальных приборов, называемых магнитными β-спектрометрами . Последний представляет магнитный анализатор импульсов β-частиц и подобен масс-спектрометру. Измерения показали, что в процессе β-распада одинаковых ядер испускаются β-частицы всех энергий от нуля и до энергии (T e) max , называемой верхней границей β-спектра , и приблизительно равной Е β из (3.5.10). Таким образом, в отличие от линейчатых спектров α-частиц (см. рис. 3.4.1), энергетический спектр β-частиц является сплошным. На рис. 3.5.1. представлен энергетический спектр β - -частиц, испускаемых при распаде свободного нейтрона (3.5.6), форма которого является весьма типичной. Энергетические спектры легких ядер более симметричны и для них средняя энергия испускаемых β-частиц примерно равна (1/2)·(T e) max . У тяжелых ядер средняя энергия β-частиц обычно близка к 1/3 максимальной и для большинства естественных источников β-излучения заключена в пределах 0,25 ÷ 0,45 МэВ .

Интерпретация перечисленных особенностей энергетических спектров β-частиц в свое время вызывала большие затруднения. Действительно, если не делать никаких предположений, то согласно (3.5.10) испускаемые β-частицы должны иметь, как и α-частицы, строго определенную и равную (T β) max энергию, определяемую энергетическим выходом распада. Но в спектре имеются b- частицы с любой меньшей энергией и неизбежно возникает вопрос - куда исчезает остальная энергия в каждом случае b-распада, когда Т β < (T e) max ? Эти соображения послужили основанием для гипотезы (Паули, 1931 г.) о возникновении в β-распадных процессах электрически нейтральной частицы с массой покоя, близкой к нулю, и со спином, равным 1/2. Эта частица, впоследствии названная нейтрино, и должна уносить большую часть (~ (2/3)·(T e) max) энергии распада. Помимо закона сохранения энергии, существует еще один важный аргумент, с необходимостью приводящий к гипотезе нейтрино – закон сохранения спина. Рассмотрим распад (3.5.6) свободного нейтрона. Нейтрон, имеющий спин 1/2, распадаясь только на протон (спин 1/2) и электрон (спин 1/2) давал бы суммарный спин продуктов, равный 0 или 1, что противоречит закону сохранения импульса, для выполнения которого нужно предположить рождение частицы с полуцелым спином. Учет орбитальных моментов протона и электрона ничего не меняет, так как они всегда целые числа.

Таким образом, при β-распаде, в отличие от α-распада, из ядра вылетают не одна, а две частицы. В силу статистического характера явления радиоактивности в каждом акте β-распада распределение энергии распада между β-частицей и нейтрино может быть любым, т.е. кинетическая энергия электрона может иметь любое значение от нуля и до (T β) max . Для очень большого числа распадов получается уже не случайное, а вполне закономерное распределение β-частиц по энергиям, называемое β-спектром .

Нейтрино практически не взаимодействуют с веществом и его длина свободного пробега (расстояние до первого взаимодействия) в твердом веществе равна примерно 10 16 км , что делает чрезвычайно сложным их регистрацию. Поэтому измерять энергию нейтрино и наблюдать их распределение по энергии практически невозможно и фактически единственно доступным для регистрации остается только β-спектр. Долгое время сведения, подтверждающие существование нейтрино, носили косвенный характер и были впервые получены в 1942 г (Аллен) путем измерения энергии отдачи дочерних ядер при Е-захвате. Прямое наблюдение нейтрино удалось осуществить только в 1953 г. (Рейнес и Коуэн) после создания мощных ядерных реакторов, работа которых сопровождается выделением больших потоков нейтрино.

Образование дочернего ядра в результате β-распада в основном энергетическом состоянии является скорее исключением, чем правилом. Обычно β-распад довольно свободно идет как на основной, так и на сравнительно сильно (по сравнению с α-распадом) возбужденные уровни и может наблюдаться несколько возбужденных уровней дочернего ядра. Возбужденные дочерние ядра переходят а основные состояние, испуская γ-кванты. Поэтому β-распад сопровождается почти всегда γ-излучением, которое представляет основную опасность при обращении с радиоактивными веществами.

Возбуждение дочернего ядра до энергии происходит за счет энергии распада Е β и в этом случае максимальная энергия β-спектра

.

(3.5.13)

Если при β-распаде возможно образование дочернего ядра в нескольких возбужденных состояниях, то полный β-спектр представляет собой наложение нескольких β-спектров со своими граничными энергиями и может иметь сложную форму. Каждая составляющая спектра характеризуется своим выходом, т.е. долей распадов, приводящих к ее образованию.

Так же как и a- распад (рис. 3.4.1), b-распад удобно представлять с помощью диаграммы. На рис. 3.5.2 приведена диаграмма β + - распада ядра 14 О, в результате которого дочернее ядро 14 N рождается в возбужденном состоянии. При переходе в основное состояние дочернее ядро испускает g-квант с энергией 2,31 МэВ .

Вероятность b- распада определяется т.н. правилами отбора по четности и спину. Они заключаются в следующем. 1) Если четности материнского Р м и дочернего Р д ядер совпадают, т.е., если Р м ·Р д = +1, то такие b-переходы имеют наибольшую вероятность (разрешены на языке квантовой механики). 2) Полный момент импульса, уносимый обеими частицами при b- распаде, равен

L = s β + s ν + l β + l ν ,

(3.5.14)

где s и l – спин и орбитальный момент соответствующих частиц. Испускание b-частицы и нейтрино с l > 0 крайне маловероятно (запрещено на языке квантовой механики), и разрешенными являются переходы с l = 0.

Таким образом, разрешенными являются b-переходы, для которых Р м ·Р д = +1 и l = 0. Для разрешенных переходов изменение спина ядра будет определяться только ориентацией спинов, вылетающих частиц. При этом имеются две возможности.

а) β-Частица и нейтрино испускаются с противоположно направленными спинами, так что полный момент, уносимый обеими частицами, равен нулю (ориентация спина нуклона, испытывающего β-распад, сохраняется) и спин ядра не изменяется, т.е. ΔI = 0. Такие переходы называются фермиевскими , а соответствующие правила отбора

Называются правилами отбора Ферми .

б) β-Частица и нейтрино испускаются с одинаково направленными спинами, так что полный момент, уносимый обеими частицами равен единице (ориентация спина нуклона изменяется на обратную). Возможные изменения спина ядра составят ΔI = 0, ±1. Если исключить 0 – 0 переходы, в которых спин ядра равен нулю, как в начальном, так и в конечном состоянии, то получим правила отбора Гамова-Теллера

Еще раз отметим, что для 0 - 0 переходов гамов-теллеровские переходы строго запрещены , т.е. не могут быть выполнены ни при каких условиях.

Поэтому вероятность непосредственно b- распада и образования дочернего ядра в том или ином энергетическом состоянии очень сильно зависитот четности и разностиспинов исходного и конечного состояний ядер. Это положение отчетливо видно на диаграмме (рис. 3.5.2) распада ядра 14 О, где указано, что вероятность оказаться дочернему ядру в основном состоянии с характеристикой 1 + имеет ничтожную вероятность.

Энергия возбуждения дочерних ядер определяется системой энергетических уровней ядер и лежит обычно в интервале 0,1 ÷ 3 МэВ . В этих случаях переход возбужденного дочернего ядра в основные состояния происходит обычным порядком. Однако в редких случаях энергия возбуждения дочерних ядер может достигать 8 ÷ 11 МэВ , превышая энергию связи (отделения) нуклона:

.

(3.5.17)

В этом случае возбужденное дочернее ядро освобождается от избыточной энергии, практически мгновенно испуская нуклон – протон или нейтрон, в зависимости от того для какого из нуклонов выполняется условие (3.5.17). Эти нуклоны получили название запаздывающих , поскольку они появляются в результате возникновения сильно возбужденных состояний дочернего ядра только после β-распада материнского ядра-предшественника .

Рассмотрим подробнее процесс испускания запаздывающих нейтронов осколками деления (см. §5.2), которые используются для управления цепной реакцией деления (см. §5.3). Время появления запаздывающих нейтронов деления, в отличие от мгновенных (см. §5.2), определяется периодами полураспада ядер предшественников. На рис. 3.5.3 изображена схема образования запаздывающих нейтронов при распаде ядра 87 Br, образующегося при делении 235 U. Примерно в двух случаях из ста β - -распадов ядра 87 Br дочернее ядро 87 Кr возникает в сильно возбужденном состоянии с энергией возбуждения = 5,8 МэВ . Энергия связи последнего нейтрона в ядре 87 Кr составляет ε n = 5,53 МэВ , которая меньше энергии возбуждения и потому испускается нейтрон с кинетической энергией 0,27 МэВ и образуется стабильное ядро 86 Кr. Можно указать две причины такой малой величины энергии связи последнего нейтрона: ядра осколков деления пересыщены нейтронами (лежат ниже дорожки стабильности, см. рис. 1.1.2); и, кроме этого, ядро 87 Кr имеет один лишний нейтрон сверх замкнутой оболочки из 50 нейтронов в магическом ядре . Такие же причины вызывают появление запаздывающих нейтронов при β - -распаде тяжелого осколка деления 137 I, которое может превращаться в сильно возбужденное ядро 137 Хе * . Испустив нейтрон, ядро 137 Хе * превращается в стабильное ядро с магическим числом нейтронов, равным 82.

Таким образом, можно указать два обстоятельства, благоприятствующие выполнению условия (3.5.17) и, следовательно, появлению запаздывающих нейтронов при β - -распаде: - запрет образования дочернего ядра в основном энергетическом состоянии и малая величина энергии ε n связи нейтрона.

Если ядра сильно перегружены нейтронами и находятся ниже дорожки стабильности (рис. 1.1.2), то возможно образование последовательных цепочек β - -распадов. Подобная ситуация наблюдается в ядерном реакторе, когда продукты (осколки) деления с разной вероятностью образует большое число (сотни) различных цепочек ‑ распадов. На рис. 3.5.4 показаны двеизчисла наиболее вероятных цепочек, на которых отмечено испускание запаздывающих нейтронов ядрами 139 Хе и 94 Sr, физическая причина появления которых рассмотрена выше.

В цепочке β - -распадов 95 Kr наблюдается еще одно распространенное явление, называемое ядерной изомерией . Ядро 95 Zr при распаде образует изомерную пару : возникновение с разной вероятностью ядер 95 m Nb в метастабильном состоянии и ядер 95 Nb в основном энергетическом состояние. Подробнее явление ядерной изомерии рассмотрено в §3.6.

Теория b-распада была создана Ферми в 1934 г. по аналогии с квантовой электродинамикой, в которой испускание и поглощение фотонов рассматривается как результат взаимодействия заряда с создаваемым им самим электромагнитным полем (см. §1.9 п.5). При этом фотоны не содержатся в готовом виде в зарядах, а рождаются непосредственно в момент испускания.

В теории Ферми процесс b-распада рассматривается как результат взаимодействия нуклона с новым видом поля (электроно-нейтринным полем), в результате которого нуклон, находясь в одном из двух возможных нуклонных состояниях – протонном или нейтронном - испускает b-частицу и нейтрино и переходит в другое нуклонное состояние. Нуклоны являются источниками b-частиц и нейтрино, которые рождаются непосредственно в момент преобразования нуклонов в электроно-нейтринном поле. Такого рода поля в настоящее время называются электрослабыми.

Все известные науке взаимодействия связаны всего с четырьмя типами полей: сильными (ядерными), электромагнитными, электрослабыми и гравитационными. Например, все химические реакции относятся к классу электромагнитных взаимодействий, так как осуществляются электрическими силами электронных оболочек атомов. В частности, любые проявления жизни на Земле также имеют электромагнитный характер. Сильное (ядерное) взаимодействие удерживает нуклоны в ядре и проявляется в различных ядерных реакциях. Слабое взаимодействие ответственно за b-распад и распады мезонов. Гравитационное поле проявляется в макроскопических и космических масштабах. Если расположить все эти взаимодействия по их относительной интенсивности, то получим следующую картину:

сильное 1

электромагнитное ~ 10 -2

электрослабое ~ 10 -14

гравитационное ~ 10 -40 .

Не следует думать, что этими цифрами определяется роль соответствующих взаимодействий (полей) в природе. Они равно фундаментальны, то есть без любогоиз них невозможно существование Вселенной.

Теория Ферми позволила рассчитать b-спектры и влияние на форму b-спектров кулоновского поля ядра и электронной оболочки атома. При малой энергии вылетающей заряженной частицы форма любого β-спектра искажается кулоновским взаимодействием между ядром и вылетающей из него β-частицей ядра (рис. 3.5.5). Кулоновское поле ядра оказывает на b - - частицы тормозящее действие. В результате спектр в «мягкой» (низкоэнергетической) области энергий оказывается обогащенными частицами. β - -Спектры с граничной энергией меньше 1 МэВ у средних и тяжелых ядер вообще не имеют максимума, а монотонно спадают. В спектрах b + - распада мягкая область спектра, наоборот, оказывается обедненной. Поле электронной оболочки атома оказывает на спектр незначительное влияние.

При изучении b- распадных явлений было сделано одно из фундаментальных открытий ядерной физики - несохранение четности в слабых взаимодействиях. Гипотезу о несохранение четности в слабых взаимодействиях выдвинули в 1956 г. Ли и Янг, которые показали, что в отличие от теории Ферми, опирающуюся на закон сохранения четности, можно построить теорию b- распада без учета этого закона, которая не противоречила всем известным к тому времени экспериментальным фактам. Они же предложили эксперимент по обнаружению несохранения четности при b- распаде, который был поставлен в 1957 г. Ву. Принципиальные черты этого эксперимента следующие (рис. 3.5.7). b‑Активный образец 60 Со, ядра которого имеют большой спин и магнитный момент (I = 5, m = 3,78 m Б), помещался в магнитное поле кругового тока и охлаждался до очень низких (~ 10 -2 К ) температур. Это было необходимо для ориентирования магнитных моментов и, следовательно, спинов ядер 60 Со в определенном направлении (поляризации) и уменьшения влияния тепловых колебаний ядер. У поляризованного таким образом образца 60 Со регистрировались b- частицы, летящие под углом q и p-q по отношению к направлению поляризующего магнитного поля, то есть по отношению к направлению спина ядра. При выполнении закона сохранения четности для квадрата модуля волновой функции выполняется условие

т.е. инверсия системы координат не может изменить вероятность обнаружения частицы. От азимутального угла j в опыте ничего не зависит. Следовательно, если четность сохраняется, то вероятность зарегистрировать b-частицу под углом q («вперед») и p- q («назад») одинакова. Опыт же показал существенное различие счета частиц под этими углами. «Вперед» (в направлении векторанапряженности магнитного поля) двигалось существенно (~ на 40 %) больше b-частиц, чем «назад». Таким образом, закон сохранения четности, который казался столь же фундаментальным и нерушимым, как и остальные законы сохранения, в случае слабых взаимодействий оказался нарушенным. Это привело к пересмотру и уточнению теория слабых взаимодействий.