Альфа-распадом ((-распадом) называется процесс спонтанного изменения ядра, в результате которого возникает свободная (-частица (ядро нуклида ). Символическая запись (-распада имеет вид: (3.4.1) (-Распад характерен для нуклидов, тяжелее свинца (см. §3.1, раздел о радиоактивных семействах). Небольшое количество (-активных ядер средней массы имеется среди лантаноидов. Объясняется это тем, что количество нейтронов в этих ядрах несколько превышает 82 – магическое число при заполнении нейтронной оболочки. Примером таких ядер являются и , у которых количество нейтронов равно 84. Энергетическое условие (-распада заключается (как и условие любого распада) в том, чтобы масса исходного ядра была больше массы продуктов распада, то есть (3.4.2) Разность масс, стоящих в левой и правой частях этого неравенства, взятая с обратным знаком, равна энергии (( связи (-частицы относительно исходного ядра: (3.4.3) Таким образом, энергетическое условие (-распада можно выразить проще: (3.4.4) Характерной чертой (-распада является сравнительно небольшое различие энергий (-частиц T( у различных ядер (она меняется в пределах 4 - 9 МэВ, для большинства тяжелых ядер - в пределах 5 - 6 МэВ) при очень большом диапазоне изменения периодов полураспада (10-7 с – 1010 лет). Энергию (-частиц можно измерить с помощью (спектрометров по отклонению в электромагнитных полях или, менее точно, по их пробегу R( в воздухе при нормальных условиях, который связан с энергией (-частиц эмпирической формулой: Rα [см] = (3.4.5) Зависимость постоянной распада λ от кинетической энергии Тα испущенных (-частиц дается экспериментальным законом Гейгера-Неттола (1911 г.): (3.4.6) где постоянная А примерно одинакова для всех семейств, а постоянные В отличаются одна от другой для каждого радиоактивного семейства. Энергия, выделяющаяся при (-распаде, E( , равна энергии связи (-частицы в ядре, взятой с обратным знаком . (3.4.7) Эта энергия переходит в кинетическую энергию (-частицы Т( и кинетическую энергию ТЯ дочернего ядра, то есть нового ядра, возникшего в результате (-распада. Часть энергии может также переходить в энергию ΔΕ возбуждения дочернего ядра. Таким образом, закон сохранения энергии при (-распаде имеет вид: (3.4.8) Если импульс исходного ядра был равен нулю (лабораторная система координат), то из закона сохранения импульса следует, что Р( = РЯ, (3.4.9) где Р( и РЯ - абсолютные величины импульсов (-частицы и дочернего ядра. Поскольку скорости (-частиц много меньше скорости света, то можно использовать нерелятивистскую связь между импульсами и кинетической энергией: и . (3.4.10) Из последних трех соотношений получаем (3.4.11) (3.4.12) Из (3.4.11) и (3.4.12) следует, что Т(/ТЯ = MЯ/m(, т.е. больше 98% кинетической энергии передается (-частице. Подчеркнем, что процесс (-распада носит статистический характер и разные ядра одного и того же сорта могут возникать в разных возбужденных состояниях так, что в данном (-активном источнике, который содержит обычно огромное количество ядер, может получиться целый набор возбужденных состояний дочернего ядра. Это пояснено на рис. 3.4.1, где показана схема (-распада ядра 235U. α-Переходы показаны стрелками, идущими сверху вниз налево, что указывает на уменьшение порядкового номера нуклида и смещение его влево по строке таблицы Менделеева. Слева от уровней возбужденного дочернего ядра (в данном случае это ядро 231Th) указаны энергии возбуждения в МэВ, а вертикальными стрелками - гамма переходы. Таким образом, возникает группа (-частиц с разными энергиями, то есть энергетический спектр (-частиц. Энергия каждой группы определяется разностью основного уровня исходного ядра 235U и одним из возбужденных уровней дочернего ядра 231Th. Поэтому энергетический спектр (-частиц имеет дискретный, линейчатый характер, то есть состоит из отдельных линий (рис. 3.4.2). Высота каждой линии определяется относительным выходом η для каждой энергетической группы (-частиц. Если исходное (материнское) (-активное ядро возникло в результате предшествующего (-распада, то оно также может быть в возбужденном состоянии и соответствующие (-переходы будут происходить между уровнями возбуждения исходного ядра и возбужденными или основным уровнем дочернего ядра. Поэтому структура (-спектра может быть довольно сложной и содержать много линий, иногда очень слабых. γ-Излучение, сопровождающее (-распад, также является вероятностным статистическим процессом, но среднее время жизни ядра в возбужденном состоянии (можно было бы ввести по аналогии период полураспада при (-активности, но это не принято) обычно много меньше, чем среднее время жизни ядра при (-распаде. Поэтому в большинстве случаев (но бывают и исключения) можно считать, что (излучение происходит одновременно с (-распадом. Исследование спектров (-распада совместно с исследованием сопровождающего (излучения позволяет судить о структуре уровней возбужденного ядра. При (-распаде выделяется, как мы видели, энергия, то есть он выгоден энергетически и теория должна объяснить, почему ядра, удовлетворяющие энергетическим условиям (-распада (3.4.2) или (3.4.4) не распадаются мгновенно. Энергетические условия (-распада можно теоретически оценить на основе капельной модели. Для этого все массы, входящие в неравенство (3.4.2), надо подсчитать по формуле Вайцзеккера (2.2.1). Коэффициенты, входящие в эту формулу, известны и расчет приводит к выводу о том, что (( < 0 для Z > 73. То есть капельная модель по крайней мере качественно правильно предсказывает (-активность тяжелых ядер. На объяснение механизма (-распада капельная модель претендовать не может. Механизм (-распада объясняет квантовая механика. Это объяснение было дано (Гамов, Генри, Кондон, 1929 г.) на основе квантовомеханического решения задачи о прохождении частицы сквозь потенциальный барьер (туннельный эффект). На рис. 1.9.1 показаны потенциальные барьеры для (-частиц у легкого, среднего и тяжелого ядер. Барьеры, как мы знаем, образуются кулоновской функцией с одной стороны и функцией взаимодействия ядерных сил - с другой. Высота барьера для тяжелых ядер, посчитанная по формуле (1.9.2) составляет Bк(235U) = 29,8 МэВ; Вк(239Pu) = 30,3 МэВ, что значительно больше, чем энергия (-частиц (5 - 6 МэВ). С точки зрения классической физики (-частица с такой энергией не в состоянии преодолеть подобный барьер. Но учет волновых свойств частиц в квантовой механике приводит к парадоксальному с точки зрения классической физики выводу о возможности прохождения, "просачивания" сквозь энергетический барьер. Квантовая механика дает выражение для коэффициента прозрачности потенциального барьера (равного отношению потоков частиц на границах барьера и дающего меру вероятности прохождения частиц через (точнее "сквозь") барьер): (3.4.13) В этом выражении - приведенная масса (-частицы и ядра, а интеграл берется в пределах, показанных на рис. 3.4.3. До сих пор мы молчаливо предполагали, что (-частица вылетает из ядра по радиальному направлению, то есть, имея нулевой момент относительно центра инерции ядра, или, на языке квантовой механики, имея l = 0. В общем случае (-частица может иметь относительно центра ядра некоторый момент, то есть l ( 0. В этом случае, кроме кулоновского, ей приходится преодолевать и т.н. центробежный барьер (3.4.14) который добавляется к кулоновской функции Zze2/r под корнем в выражении (3.4.13). Интеграл в формуле (3.4.13) может быть взят, в результате получим некоторую функцию ((Т(). Исходя из смысла постоянной распада ( и коэффициента прозрачности барьера D, естественно считать, что они пропорциональны друг другу, то есть ( = kD, (3.4.15) или (3.4.16) Коэффициент пропорциональности k учитывает вероятность образования (-частицы у внутренней границы потенциального барьера (вблизи поверхности ядра) в единицу времени. Этот предэкспоненциальный множитель также может быть оценен из различных модельных представлений. Таким образом, из (3.4.16), получаем , (3.4.17) что, по существу, и по форме, аналогично закону Гейгера-Неттола. Эта же теоретическая зависимость объясняет существование нижней границы кинетической энергии (-частиц. При Т( < 2 МэВ период полураспада становится настолько большим, что обнаружить (-распад становится практически невозможным. Теория подтверждает также резкую зависимость ( (или Т1/2) от Т(. Изменение Т( в выражении (3.4.16) на 10 % приводит к изменению ( примерно в 103 раз. В заключение заметим, что (-частицы не существуют внутри ядра в «готовом виде», а образуются из четырех нуклонов в момент вылета. Кроме этого на (-распад влияет несферичность ядра и его оболочечная структура, величина механического момента, уносимого (-частицей, и искажение кулоновского барьера полем электронной оболочки. Поэтому работа по уточнению и развитию теории (-распада еще продолжается. С практической точки зрения (-распад в ядерной энергетике менее существенен, чем (-распад. В работающем ядерном реакторе образуются (-активные продукты деления. Правда, сами тяжелые ядра, используемые в ядерных реакторах деления, (-активные, но эта активность мала по сравнению с (-активностью продуктов деления и должна учитываться лишь при обращении с ядерными материалами. Приведем примеры удельной массовой (-активности (am) наиболее употребительных в ядерной энергетике тяжелых изотопов: Для сравнения у (-активного продукта деления 135I, T1/2 = 6,75 часа, am = I,14(1018 Бк/г (З,1(107 Ки/г). Нуклид 135I играет существенную роль в работе ядерного реактора.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Альфа – распад» з дисципліни «Основи ядерної фізики»
