Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
57 В этой главе кратко рассматриваются источники излучения, наиболее часто используемые в ядерной физике. Основное внимание обращается на их выходные характеристики, т. е. параметры пучка частиц, с тем чтобы оценить возможность применения данного источника в конкретном эксперименте. Описываются также и источники, использование которых в эксперименте в настоящее время ограничено лишь градуировкой аппаратуры. Более подробно с этими вопросами можно ознакомиться, например, по монографиям [1—4].
§ 3.1. ИСТОЧНИКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
3.1.1. Радиоактивные ядра как источники заряженных частиц
а-Источники. Открытие а-радиоактивности было началом современной ядерной физики. Известны около тридцати а-активных ядер в цепочках последовательных распадов ядер, принадлежащих кура-новому, актиниевому и ториевому рядам. Цепочки начинаются ядрами 238U, 235U, 232Th и после ряда переходов кончаются соответственно ядрами 206Pb, 207Pb, 208Pb. Кроме естественных а-активных ядер распадается с испусканием а-частицы подавляющее большинство искусственно полученных нуклидов элементов, следующих за свинцом, а также группа более легких ядер. В общей сложности искусственно получено более сотни а-активных ядер.
Одним из самых примечательных свойств а-радиоактивности является огромный диапазон возможных значений периодов полураспада при малом изменении энергии а-частиц. Для 212Po,например, испускающего а-частицы с энергией 8,78 Мэв, период полураспада равен 3,04- Ю-7 сек, а для 232Th при энергии а-частиц 3,98 Мэв — 1,41 • IO10 лет, т. е. наблюдается различие в периодах на 24 порядка при различии в энергиях всего в два раза.
Энергетическое распределение вылетевших а-частиц дискрешо. Обычно спектр состоит из нескольких линий, интенсивность а-частиц с максимальной энергией, как правило, максимальна. Появление малоинтенсивных линий в спектре связано с тем, что при а-распаде конечное ядро может образоваться в основном и в возбужденном состояниях. У наиболее короткоживущих а-активных элементов иногда наблюдаются очень слабые линии, соответствующие а-частицам с энергией большей, чем в основной группе. Их появление связано с тем, что в цепочке распадов а-активное ядро образовалось не в основном,а в возбужденном состоянии, и а-распад произошел из этого возбужденного состояния. Энергии а-частиц известны в большинстве случаев с точностью до четвертого знака. Так, одна из линий в спектре 210Po соответствует энергии 5304,2+1,6 кэв. Естественная ширина линий очень мала, а отдельные линии в спектре расположены близко друг к другу. Малая естественная ширина линий, хорошо известные значения энергий каждой группы а-частиц, а также существование нескольких линий у одного источника позво-58 ляют использовать радиоактивные а-источники для определения энергетической шкалы и энергетического разрешения различных детекторов. Конечно, эти свойства можно реализовать, если а-источник изготовить в виде слоя толщиной много меньше длины пробега частицы в веществе источника, с тем чтобы неопределенность в энергии а-частиц, вышедших из слоя конечной толщины, была малой.
?-Источники. Всего известно три типа ?-распада нестабильных ядер: излучение электрона, излучение позитрона и захват атомного электрона. Чем больше энергия, выделяемая при ?-распаде, тем меньше период полураспада. Для некоторых типов переходов период полураспада уменьшается приблизительно пропорционально пятой степени энергии перехода.
Интервал возможных значений периодов полураспада ?-актив-ных ядер ограничен со стороны малых значений величиной примерно Ю-2 сек, так как при таких значениях периода выделяемая при ?-распаде энергия становится больше энергии связи нуклонов в большинстве ядер. В этом случае с подавляющей вероятностью происходит испускание нуклона, а не ?-частицы. При ?-распаде возникает нейтрино; спектр ?-частиц непрерывен и с точностью до не очень сильно зависящих от энергии поправок можно выразить формулой
W(e)~eV¦ еа— 1-(е0—е)а, (3.1)
где Ed = (тс2 4- ?paKC)/mc2; є = (тс2 -f- ?р)/тс2; т — масса покоя
»-і ї—¦ м а к с
электрона; tf,—энергия частицы; — ее максимальная энер-
гия.
Интервал возможных значений ?ракс простирается примерно от десятка килоэлектронвольт до десятка мегаэлектронвольт. Составлены подробные таблицы функций,описывающих спектры электронов и позитронов при ?-распаде.
В большинстве случаев конечное ядро при ?-распаде остается в возбужденном состоянии, что приводит, во-первых, к усложнению спектра ?-частиц и, во-вторых, к появлению у-квантов, испускаемых конечным ядром. Иногда конечное ядро оказывается настолько сильно возбужденным, что испускает неу-кванты, а нейтроны и даже протоны. Есть ядра, например, 210Bi13H или 90Sr, распад которых происходит только в основное состояние. Однако изготовить ?-источники, совсем не излучающие у-кванты,не удается по двум причинам: 1) возникает тормозное излучение при движении легкой частицы в плотной среде (в материале источника или подложки) и 2) перестройка электронной оболочки атома, ядро которого совершило ?-переход, сопровождается появлением характеристического рентгеновского излучения. Если же источник испускает позитроны, то при аннигиляции их в материале источника или подложке и дополнительно возникнут у-кванты с энергией ^ 0,511 Мэв. Если изготовить очень тонкий источник на тонкой подложке, то сопровождающее
