1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.4. β-распад
1.4. Бета-распад.
Виды и свойства бета- распада. Элементы теории бета-распада. Радиоактивные семейства
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.
Виды и свойства бета-распада
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 =11,7 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
. (1.41б)
Пример
·
Из сравнения периодов полураспада родоначальников семейств с геологическим временем жизни Земли (4,5 млрд. лет) видно, что в веществе Земли торий-232 сохранился почти весь, уран-238 распался примерно наполовину, уран-235 – большей частью, нептуний-237 практически весь.
Бета-распад становится возможным тогда, когда замена в атомном ядре нейтрона на протон (или, наоборот, протона на нейтрон) энергетически выгодна и получающееся новое ядро имеет меньшую массу покоя, т. е. большую энергию связи. Избыток энергии распределяется между продуктами реакции.
Бета-распад бывает трех видов:
1. Один из нейтронов (n) в ядре превращается в протон (р). При этом излучается электрон (е-) и антинейтрино (ṽ e) (см. Нейтрино, Антивещество). Это - β - -распад.
A(Z,N) → A(Z+1,N-1) + е - + ṽ e
(n → р + е - + ṽ e),
где A(Z,N) - обозначение ядра с числом протонов Z и нейтронов N. Заряд ядра увеличивается на 1. Простейший вид из всех видов β - -распада - распад свободного нейтрона, который тяжелее протона и поэтому нестабилен.
2. Протон, входящий в состав ядра, распадается на нейтрон (N), позитрон (е+) и нейтрино (v e). Это - β + -распад.
A(Z,N) → A(Z-1,N+1) + e + + v e
(p → рn + е + + v e).
Заряд ядра уменьшается на 1. Процесс может происходить только в ядре; свободный протон не распадается таким образом.
3. Наконец, ядро может захватить ближайший из атомных электронов (электронный захват) и превратиться в другое ядро с зарядом на 1 меньше:
A(Z,N) + е - → A(Z-1,N+1) + v e
(р + е - → n + v e).
β-частица при этом не излучается.
Когда физики начали изучать β-распад, о существовании нейтрино (v e или ṽ e)> обладающего огромной проникающей способностью, ничего не было известно.
Загадка, с которой столкнулись экспериментаторы,- сплошной энергетический спектр электронов, излучаемых при р-распаде. В этом процессе на долю дочернего ядра приходится ничтожная часть освобождающейся энергии. Вся она идет на электрон, и поэтому все β-частицы должны были бы иметь одинаковую энергию E 0 . А на опыте наблюдалась такая картина: испускались электроны любой энергии, вплоть до максимально возможной - E 0 .
Физики предположили, что виноват источник: р-частицы теряют свою энергию, когда проходят сквозь его материал. Для проверки этой гипотезы несколько групп экспериментаторов поставили калориметрические опыты. Делались они так: радиоактивный источник помещали в калориметр с такими толстыми стенками, чтобы β-частицы в них полностью поглощались. Это позволило измерить всю энергию, выделяющуюся за определенное время.
Потом рассчитали энергию, приходящуюся на одну β-частицу. Экспериментаторы ожидали, что она окажется близкой к E 0 , но всякий раз получали величину, приблизительно в 2 раза меньшую.
Выход из положения нашел швейцарский физик-теоретик В. Паули. Он высказал предположение, что при β-распаде испускается частица, обладающая несравненно большей проникающей способностью, чем электроны. Ее не могут задержать стенки калориметра, и она уносит с собой часть энергии. Так родилось представление о нейтрино.
Теория β-распада была создана в 1934 г. итальянским физиком Э. Ферми. В ней ученый предположил, что электрон и нейтрино рождаются в момент распада нуклона в ядре. Он ввел в теорию константу G, которая играла для β-распада такую же роль, что и заряд е для электромагнитных процессов, и вычислил ее величину на основании экспериментальных данных. Теория Ферми позволила рассчитать форму p-спектров и связать граничную энергию распада E 0 со временем жизни радиоактивного ядра. Нейтрино в этой теории имело заряд, равный нулю, и нулевую массу (во всяком случае, m v ~< m e).
В течение следующих лет теорию стремились видоизменить, дополнить и усложнить, поскольку казалось, что она слишком проста и не описывает всех опытных данных. Прошло несколько десятилетий, прежде чем физики убедились, что все эти дополнения основаны на ошибочных экспериментах, а путь, выбранный Ферми, правильный. Созданная сейчас теория объединенного слабого и электромагнитного взаимодействия включает его как первое приближение (см. Четность, Нейтрино, Слабые взаимодействия) .
Приведем некоторые данные о бета-распаде ядер.
Граничная энергия β-частиц (E 0) - от нескольких КэВ до - 17 МэВ.
Время жизни ядер по отношению к β-распа-ду -от 1,3x10 -2 с до ~2x10 13 лет.
Пробег β-частиц в легких веществах - несколько сантиметров. Они теряют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов.
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.
Бета распадом называется процесс самопроизвольного превращения нейтрального ядра в ядро - изобар с зарядом отличным на Z = ±1. Скорость, испускаемых при бета-распаде - частиц близка к скорости света.
Как и -излучение, - излучение отклоняется в магнитном и электрическом полях, но в противоположную сторону и на большее расстояние. Это указывает на то, что бета-излучение является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению e/m Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны.
Согласно правилу смещения Фаянса-Содди - распад приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на одну клетку правее от исходного элемента без изменения массового числа.
Для того, чтобы отличать электроны, возникающие при ядерных превращениях, их стали называть бета-частицами . Несмотря на то, что обычно говорится об испускании электронов ядрами, атомные ядра в чистом виде не содержат электроны. Бета - частица образуется в самом акте ядерного превращения.
Известны три вида -распада: электронный -распад, позитронный + -распад и электронный К-захват электрона ядром с одной из ближайших к ядру оболочек.
При бета-распаде массовые числа ядер не изменяются, а изменяется лишь заряд, на единицу больше в случае - -распад и на единицу меньше в случае + -распада и К-захвата. Согласно правилу сдвига Фаянса-Содди , для этих типов распада можно записать:
Все три вида -распада сводятся к следующим видам взаимного превращения нуклонов в ядре.
Распад - n o р + + e - + ; Р S + e - + ; (-распад);
Распад - р n o + е + + ; С В + е + + (+ -распад);
К-захват - р + + e - n + ; Cs + e - Xe + (К- захват)
Таким образом, электроны и позитроны не находятся в ядре, а возникают в момент перехода одного нуклона в другой. Как видно из схем - превращений, характерной чертой всех видов превращений является испускание нейтрино или антинейтрино.
Впервые понятие о нейтрино ввел В. Паули в 1930 году для объяснения «потерянной» части энергии при радиоактивном распаде с испусканием электрона. Суммарная энергия частиц и гамма квантов, оказывалась несколько меньшей энергии частиц, вступающих во взаимодействие. Паули предположил, что недостающая часть энергии улетает с частицей, которую он назвал «нейтрино». Нейтрино - незаряженная элементарная частица обладает массой покоя, близкой к нулю. Нейтрино обладает исключительной проникающей способностью. Его крайне трудно обнаружить, так как прохождение нейтрино через материальную среду практически не сопровождается каким-либо эффектом. Такими же свойствами обладает и антинейтрино.
Как видно из схем превращений при электронном бета-распаде один из нейтронов превращается в протон, и материнское ядро испускает электрон и антинейтрино. Схематически этот процесс представляется таким образом:
Электронный бета-распад может сопровождаться также гамма- излучением. Это происходит в том случае, когда в процессе распада, образуется ядро, находящееся не в основном, а в возбужденном состоянии. Примером такого распада служит превращение стронция в иттрий:
Обратный процесс превращения протона в нейтрон в свободном состоянии невозможен, поскольку масса нейтрона больше массы протона. Однако ядра, расположенные в координатах N и Z ниже линии стабильности, в результате перегруппировки нуклонов, могут перейти из менее стабильного состояния в более стабильное состояние путем замены одного протона на нейтрон. При этом протон теряет свой заряд, превратившись в нейтрон и позитрон (е +), частицу несущую положительный заряд, но обладающую массой электрона. Так как при испускании позитрона происходит захват электрона с электронной оболочки, обеспечивающий сохранение электронейтральности атома, позитронный распад может протекать в случае, если разность энергий в конечном и исходном состояниях превышает 1,02 МэВ, то есть больше массы покоя двух электронов. При позитронном распаде позитрон немедленно покидает ядро, и после замедления его масса аннигилирует вместе с массой электрона. О наличии позитронного распада свидетельствует регистрация двух гамма - квантов с энергиями 0,51 МэВ. Этот процесс идет с поглощением энергии, так как масса нейтрона больше массы протона.
При аннигиляции позитрона с электроном их масса полностью превращается в энергию двух - квантов. Эта энергия образуется за счет перестройки остального ядра:
е _ + е + 2 + 1,02 Мэв
Позитронная эмиссия очень редка у естественных радионуклидов и встречается в основном у искусственно полученных радионуклидов с помощью ускорителей частиц:
О N + e + ;Fe Mn + e + +
Если значение энергии превращения меньше 1,02 Мэв, то эмиссия позитронов не возможна. В этом случае материнский нуклид переходит в дочерний путем захвата электрона так называемого К-захвата .
Для ядер тяжелых элементов с недостатком нейтронов (нейтронодефицитное ядро), превращения протонов в нейтроны происходит только по механизму электронного К-захвата. Поскольку в атоме К-электроны в среднем находятся наиболее близко к ядру, то существует некоторая вероятность захвата ядром электрона с К - оболочки.
Так как масса нейтрона больше суммарной массы протона и электрона, для реализации этой реакции нужна дополнительная энергия. Эта энергия берется за счет увеличения энергии связи у вновь образовавшегося ядра. Для атомов тяжелых элементов К-захват более вероятен, чем позитронная эмиссия.
Захват электрона ядром всегда сопровождается рентгеновским излучением , так как на освободившееся место на нижнем энергетическом уровне сразу переходят орбитальные электроны из оболочек расположенных выше.
Кроме того, К-захват сопровождается испусканием электронов Оже с возбужденных электронных оболочек атома.
Для ядер легких элементов распространены все три варианта - распада.
Бета-распад энергетически возможен, если масса покоя системы в начальном состоянии больше ее массы покоя в конечном.
Поскольку масса покоя нейтрино (антинейтрино) равно 0, энергетические условия - превращений имеют вид:
М(Z,A) М(Z + 1), A + m e- () - распад
М(Z,A) М(Z - 1), A + m e+ (+) распад
М(Z,A) + m e М(Z - 1), A -К захват
Из этих условий видно, что К- захват энергетически более выгодный, чем позитронный распад.
Так как энергия возбуждения, которая уносится из ядер при - распаде перераспределяется между электроном и антинейтрино или между позитроном и нейтрино и подчиняется закону случайностей, - распад имеет непрерывный энергетический спектр. Сумма энергий - частицы и нейтрино (антинейтрино) всегда равна постоянной величине, характерной для данного изотопа и называется максимальной энергией - спектра.
Э. Ферми вывел эмпирическое уравнение, связывающее максимальную энергию - излучения с постоянной распада, л :
Максимальная энергия бета- частиц лежит в интервале 0,015 - 15 МэВ, а периоды полураспада изменяются от 0.3 с до 6.10 14 лет
Э. Резенфорд вместе с с английским радиохимиком Ф. Содди доказал, что радиоактивность сопровождается самопроизвольным превращением одного химического элемента в другой.
Причем в результате радиоактивного излучения изменения претерпевают ядра атомов химических элементов.
ОБОЗНАЧЕНИЕ ЯДРА АТОМА
ИЗОТОПЫ
Среди радиоактивных элементов были обнаружены элементы, неразличимые химически, но разные по массе. Эти группы элементов были названы "изотопами" ("занимающими одно место в табл. Менделеева") . Ядра атомов изотопов одного и того же химического элемента различаются числом нейтронов.
В настоящее время установлено, что все химические элементы имеют изотопы.
В природе все без исключения химические элементы состоят из смеси нескольких изотопов, поэтому в таблице Менделеева атомные массы выражены дробными числами.
Изотопы даже нерадиоактивных элементов могут быть радиоактивны.
АЛЬФА - РАСПАД
Альфа-частица (ядро атома гелия)
- характерен для радиоактивных элементов порядковым номером больше 83
.- обязательно выполняется закон сохранения массового и зарядового числа.
- часто сопровождается гамма-излучением.
Реакция альфа-распада:
При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к её началу, чем исходный
Физический смысл реакции:
В результате вылета альфа-частицы заряд ядра уменьшается на 2 элементарных заряда и образуется новый химический элемент.
Правило смещения:
При бета-распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным (на одну клетку ближе к концу таблицы).
БЕТА - РАСПАД
Бета-частица (электрон).
- часто сопровождается гамма-излучением.
- может сопровождаться образованием антинейтрино (легких электрически нейтральных частиц, обладающих большой проникающей способностью).
- обяэательно должен выполняться закон сохранения массового и зарядового числа.
Реакция бета-распада:
Физический смысл реакции:
Нейтрон в ядре атома может превращаться в протон, электрон и антинейтрино, в результате ядро излучает электрон.
Правило смещения:
ДЛЯ ТЕХ, КТО ЕЩЁ НЕ УСТАЛ
Предлагаю написать реакции распада и сдать работу.
(составьте цепочку превращений)
1. Ядро какого химического элемента является продуктом одного альфа-распада
и двух бета-распадов ядра данного элемента?
