Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
вращаться как целое. При вращении изменение ориентации ядра происходит
без изменения его объема. Рассмотрим вращение вокруг оси,
перпендикулярной оси симметрии и проходящей через центр тяжести ядра.
Энергия вращения в классической
§74. Модели атомного ядра
371
'ggCni
Рис. 152. Схема а-распада изотопа |б2Ст. физике описывается известной
формулой:
Евр = М2/2т1?
где М - момент импульса вращающейся частицы, a rj - ее момент инерции.
В квантовой механике для вращающегося ядра вместо этой формулы имеем:
?Bp = fi2J(J + l)/277,
где J - квантовое число, соответствующее угловому моменту ядра; момент
инерции ядра г] не может быть рассчитан так просто, как для твердого
тела, но может быть получен экспериментальным путем (по одному из
экспериментальных значений Евр).
Остановимся на тяжелых четно-четных ядрах. В основных состояниях их спины
равны нулю. При вращательных возбуждениях ядер, находящихся в таких
состояниях, должны проявляться вращательные уровни с I = J = 2, 4, б,
8,... Энергии этих уровней пропорциональны J(J + 1): Ef : Ев2р : ЕВ3Р :
Ef ... = 2(2 + 1) : 4(4 + 1) : 6(6 + + 1) : 8(8 + 1)... = 1 : 3,33 : 7 :
12... Такие уровни, действительно,
372
Глава 14
проявляются и при кулоновском возбуждении ядер (при рассеянии электронов
или других заряженных частиц на ядрах), и при радиоактивном распаде ядер.
В качестве примера на рис. 152 приведен спектр экспериментальных значений
энергии нижних уровней изотопа плутония Ц8Ри, проявляющихся при а-распаде
изотопа gfCm. То, что для этих уровней I проставлены на схеме правильно,
следует из хорошего совпадения отношений экспериментальных энергий
уровней с отношениями энергий для вращательных уровней: Е\ : Е2 : Е$ : Е4
= 44,2 : 146 : 303 : 514 = = 1 : 3,3 : 6,85 : 11,6. Правильность
найденных характеристик уровней, проставленных на схеме, подтверждается и
при исследовании излучения, испускающегося возбужденными ядрами.
Вращательные спектры могут возбуждаться и в ядрах, находящихся в
"одночастичных" возбужденных состояниях, т.ё. в состояниях, определяемых
возбуждением одного из нуклонов, не входящих в остов ядра. Таким образом,
свойства тяжелых ядер, далеких от магических, в обобщенной модели ядра
описываются гораздо полнее, чем в капельной или оболочечной моделях.
§75. Спонтанные превращения атомных ядер
В этом параграфе мы рассмотрим процессы радиоактивного распада, излучение
возбужденных ядер и спонтанное деление тяжелых ядер. Эти процессы
происходят самопроизвольно. Их исследование дает обширную информацию о
свойствах ядер и ядерных взаимодействиях и позволяет развивать методы их
практического использования.
Типы радиоактивного распада. Явление радиоактивности - самопроизвольного
испускания излучений солями урана и металлическим ураном, - было открыто
А. Беккерелем в 1896 году. Уже в 1898 году М. Кюри и П. Кюри открыли два
новых радиоактивных элемента: полоний 84?о и радий 88^3. В последующие
годы выяснилось, что в природе существует ~ 50 естественных радиоактивных
изотопов. Выяснилось также, что в состав излучений могут входить а-
частицы (ядра |Не), /3-частицы (электроны) и электромагнитное излучение
(7-лучи), а испускание излучений связано со спонтанными превращениями
атомных ядер. Явление радиоактивности получило название радиоактивного
распада ядер.
При а-распаде превращения ядер происходят по схеме:
ЙХ -2=|Y + 2Не + а*.
Здесь X и У - материнское и дочернее ядра, a Qa - энергия, выделяющаяся
при распаде. При распаде сохраняется суммарный элек-
§75. Спонтанные превращения атомных ядер
373
трический заряд Z и суммарное массовое число А.
Схема /^"-распада : %X ->z+i Y + е~ + v + Qp.
В 30-е годы были открыты процессы позитронного распада (/3+-распада) и
электронного захвата (ЕС) - захвата ядром электрона из электронной
оболочки атома.
Схемы этих процессов:
zX ~^zi Y + е+ + v + Q(3+, z^ + e ~^zi Y + v + Qec-
Участие в трех последних процессах частиц ^ (нейтрино) и z/
(антинейтрино) было предсказано вскоре после открытия /3-распада, т. к.
без их участия не выполнялись бы законы сохранения энергии и импульса.
Примеры распадов разных типов (под стрелками указаны периоды
полураспада):
138 дн 45 дн
198Au^198H 51Сг^^51у
79 2,7 дн 80 24 27,8 дн 23
Во всех приведенных процессах дочерние ядра могут оказаться как в
основных, так и в возбужденных состояниях. Возбужденные ядра затем
спонтанно переходят в основные состояния, теряя при этом энергию
возбуждения. Прежде, чем перейти к обзору основных особенностей
спонтанных процессов разных типов, рассмотрим некоторые общие для всех
типов закономерности.
Обозначим через Л - вероятность распада 1 ядра в 1 сек. Тогда в образце,
содержащем N радиоактивных ядер в момент времени t, число ядер,
распавшихся за время dt, определится выражением:
-dN = \N(t) dt. (14.16)
Константа Л называется постоянной распада. Она определяется свойствами
материнского и дочернего ядер и практически не зависит ни от каких
внешних причин (температура, давление, магнитное поле и др.). Формула
