Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Альфа-распад. При а-распаде из ядра спонтанно вылетает альфа-частица — ядро атома гелия jHe. При этом зарядовое число Z ядра в соответствии с законом сохранения электрического заряда уменьшается
322
VIII. АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
на два и образуется ядро нового химического элемента, который сдвинут относительно исходного на две клетки периодической системы.
Чтобы а-распад был возможен, нужно, чтобы энергия связи исходного (материнского) ядра ECB(Z, А) была меньше суммы энергии связи образующегося (дочернего) ядра ECB(Z — 2, А — 4) и энергии связи альфа-частицы Есв(2, 4). Кинетическая энергия Ек вылетающей альфа-частицы определяется законом сохранения энергии
Ек = ECB(Z -2, А-4)+ Есв(2, 4) - ECB(Z, А). (1)
В соотношении (1) не учтена кинетическая энергия отдачи ядра, потому что масса дочернего ядра всегда много больше массы альфа-частицы. При этом, разумеется, считается, что материнское ядро неподвижно. Несколько иначе условие возможности альфа-распада можно сформулировать такими словами: масса (покоя) материнского ядра должна быть больше суммы масс покоя дочернего ядра и вылетающей альфа-частицы.
В простейшей теории а-распада, предложенной Г. Гамовым, предполагается, что альфа-частица уже существует внутри материнского ядра, которое является для нее своего рода потенциальной ямой. Энергия альфа-частицы в ядре недостаточна для преодоления ограничивающего эту яму потенциального барьера. Вылет альфа-частицы из ядра оказывается возможным благодаря квантовомеханическому туннельному эффекту, заключающемуся в отличной от нуля вероятности прохождения частицы под потенциальным барьером конечных размеров. Момент вылета альфа-частицы из ядра непредсказуем, поскольку явление радиоактивного распада имеет вероятностный характер. Квантовая теория позволяет найти лишь вероятность распада за единицу времени или обратную ей величину, называемую средним временем жизни радиоактивного ядра.
Бета-распад. При p-распаде из ядра вылетают электрон и электронное антинейтрино. Существование этой электрически нейтральной частицы было предположено Паули для объяснения кажущегося нарушения закона сохранения энергии в элементарном акте р-рас-пада. В p-распаде распределение энергии между вылетающим электроном и антинейтрино имеет случайный характер. Поэтому в отличие от альфа-частиц, вылетающих из данного ядра с вполне определенной энергией, вылетающие электроны могут иметь разную энергию.
При p-распаде вылетающий электрон не существует внутри ядра, а образуется там при превращении нейтрона в протон. В этом смысле говорят, что p-распад — это не внутриядерный, а внутринуклонный процесс. Он затрагивает более глубокие изменения структуры вещества, чем а-распад. Теория 0-распада была разработана Ферми на основе предположения о так называемом слабом взаимодействии, описывающем превращение нейтрона в протон.
§ 39. РАДИОАКТИВНОСТЬ. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
323
Нестабильность нейтрона. Такой процесс происходит не только внутри ядра, но и со свободным нейтроном, среднее время жизни которого составляет около 15 минут. При этом нейтрон дП распадается на протон }р, электрон J\e и антинейтрино v:
При p-распаде массовое число А ядра не меняется, а зарядовое число Z увеличивается на единицу: образуется новый химический элемент, который сдвинут в периодической системе вправо на одну клетку.
Наряду с электронным ^-распадом существует позитронный р+-распад, при котором из ядра вылетает позитрон Де и электронное нейтрино V. При позитронной радиоактивности один из протонов ядра превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. В периодической системе происходит сдвиг влево на одну клетку без изменения массового числа. Для свободного протона в обычных условиях такой распад невозможен, так как его масса меньше массы нейтрона.
Гамма-распад. В отличие от а- и p-радиоактивных распадов так называемая ^-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Вылет из ядра 7-кванта (фотона высокой энергии) происходит при спонтанном переходе ядра из некоторого долгоживущего возбужденного состояния в основное состояние.
Закон радиоактивного распада. Радиоактивный распад не зависит от внешних условий в широком интервале изменения таких параметров, как температура и давление. Закон радиоактивного распада, т. е. зависимость от времени числа N(t) еще не распавшихся к данному моменту ядер некоторого радиоактивного образца, легко получить из предположения, что вероятность распада является постоянной для данного вида ядер величиной, не зависящей от того, сколько времени уже «прожило» данное радиоактивное ядро. За малый промежуток времени At количество нераспавшихся ядер N(t) изменится на число AN, пропорциональное количеству имеющихся ядер N(t) и этому промежутку At:
Коэффициент пропорциональности А. — это и есть не зависящая от времени вероятность распада ядра. Знак минус в (3) соответствует уменьшению со временем числа нераспавшихся ядер. Формула (3) означает, что скорость dNJdt изменения искомой функции N(t) пропорциональна самой функции:
