Бета-распад ((-распад) является спонтанным процессом преобразования ядра, в результате которого ядро изменяет свой заряд на ΔΖ = ±1, сохраняя при этом неименное число нуклонов А (массовое число). В некоторых случаях образуются свободные (-частицы (электрон е- или позитрон е+) или перестает существовать один из электронов («захват» ядром электрона из электронной оболочки) соответствующего атома. Поэтому вначале приведем аргументы против, казалось бы, естественного предположения о наличии электронов в ядре. До появления протонно-нейтронной гипотезы строения ядра (Иваненко, Гейзенберг, 1932 г.) считалось, что электроны входят в состав ядра. К тому времени было известно (см. §1.6), что ядро азота имеет спин, равный 1. Если предположить, что оно состоит из 14 протонов и 7 электронов, то спин был бы полуцелым. Это противоречие получило название «азотной катастрофы». Кроме того, если бы электроны входили в состав ядра, естественно было бы ожидать, что они будут определять и величину магнитного момента. Эксперименты же показали (см. §1.6), что величины магнитных моментов ядер примерно на три порядка меньше магнитного момента электронов. Наконец, о невозможности существования в ядре связанных электронов свидетельствует квантовомеханическое соотношение между неопределенностями Δp и Δr одновременного измерения импульса и координаты: (3.5.1) Если принять, Δr = RЯ ≤ 2∙10-13 см, то для импульса электрона в ядре получим минимальную величину , (3.5.2) которая соответствует энергии электрона > 20 МэВ. Такая энергия существенно превышает как высоту кулоновского барьера для электронов в самых тяжелых ядрах (Вк ≈ 15 МэВ), так и энергию электронов β-распада. Таким образом, по современным представлениям электронов в ядрах нет. Следовательно, они возникают при (-распаде ядра, о чем свидетельствует также рождение особых частиц: нейтрино (ν) и антинейтрино . Имеются три вида (-распада. 1. Электронный ( - распад): (3.5.3) например:
2. Позитронный ((+ - распад) (3.5.4) Например:
3. E-захват (или К-захват - по обозначению электронной оболочки) (3.5.5) Например:
Таким образом, при (-распаде любого вида число нуклонов в ядре не изменяется, а происходит либо превращение нейтрона в протон ( распад), либо протона в нейтрон ((+-распад и Е-захват). Именно поэтому Е-захват относится к процессам (-распада. β-Распад – самый распространенный вид радиоактивных превращений ядер в природе. В отличие от α-распада, β-активные ядра существуют для всех значений Z: от Z = 0 (нейтрон), до Z = 92 (239U). Многие трансурановые элементы могут испытывать β-распад, наряду с α-распадом. Последнее следует понимать в вероятностном смысле. Каждое конкретное ядро может испытать либо α-распад, либо β-распад с определенной вероятностью. Энергетические условия (-распада - превышение массы исходной системы над массой конечной: -распад: M(A,Z) > M(A,Z+1) + me, (+-распад: M(A,Z) > M(A,Z-1) + me, Е-захват: M(A,Z) + me > M(A,Z-1). (3.5.6) Если к обеим сторонам этих неравенств прибавить по Zme, то получим эти же условия, но записанные не через массы ядер, а через массы атомов: -распад: Mат(A,Z) > Mат(A,Z+1), (+-распад: Mат(A,Z) > Mат(A,Z-1) + 2me, Е-захват: Mат(A,Z) > Mат(A,Z-1). (3.5.7) В правых частях неравенств (3.5.6) и (3.6.7) опущены массы покоя нейтрино и антинейтрино, так как по современным представлениям их массы покоя mν не превышает 50 эВ (mν << me). Очевидно, если выполняется второе неравенство, то подавно выполнится и последнее. А для некоторых ядер могут выполняться все три условия и все виды (-распадов оказываются возможными, хотя и с разной вероятностью (см. рис. 2.2.1,б). Например, ядро 64Cu в 40 % испытывает распад, в 40 % - Езахват и в 20 % - (+-распад. Разность масс в левой и правой частях неравенств (3.5.6) или (3.5.7) равна энергии, выделяющейся при соответствующем виде (-распада. (-Распад, так же как и (-распад (рис. 3.4.1) удобно изображать с помощью схемы. На рис. 3.5.1 показана схема -распада 137Cs - одного из наиболее распространенных искусственных (-активных изотопов с простой схемой распада. На схеме видно, что при (--распаде ядра 137Cs возникает ядро 137mВа в возбужденном состоянии (индекс «m» означает, что данный уровень является метастабильным, то есть сравнительно долгоживущим). Вертикальной стрелкой обозначен (-переход, то есть испускание (-кванта, в данном случае с энергией 0,662 МэВ. Такая ситуация очень типична для (-распада, то есть в большинстве случаев ядра, получающиеся в результате (-распада, оказываются в возбужденном состоянии, которое «снимается» путем (-излучения. На рис. 3.5.2 показана более сложная схема распада ядра 108Ag, содержащая все виды распада и сопутствующее им (-излучение. Часто одно и то же ядро может возникать при различных видах (-распада. Например, ядро 60Ni может получиться как в результате - распада 60Сo, так и в результате (+-распада или Е-захвата ядра 60Cu (рис. 3.5.3). Понятно, что положение возбужденных уровней ядра не зависит от того, каким способом оно получено. Именно (-излучение (-активных продуктов деления в ядерном реакторе и составляет основную проблему радиационной защиты от этих продуктов. Получающееся в результате (-распада ядро может быть также (- активным. Из продуктов деления в ядерном реакторе с разной вероятностью образуется большое число (сотни) различных цепочек - распадов. На рис. 3.5.4 показаны две из числа наиболее вероятных цепочек. Помимо (-распадов, начинающихся с 95Kr и 140I, на этих цепочках отмечен и еще один практически важный процесс, связанный с (-распадом продуктов деления. А именно - в случае цепочки 95Kr мы видим, что с вероятностью 0,071 ядро 95Rb может испустить нейтрон. То же, с вероятностью 0,38 может произойти с ядром 140I. Эти нейтроны, в отличие от нейтронов, испускаемых непосредственно при делении ядра, называются запаздывающими, так как их появление связано с периодами полураспада соответствующих (-активных ядер, которые называют в этом случае ядрами-предшественниками. Важную роль запаздывающих нейтронов в практическом осуществлении управляемой цепной реакции деления мы рассмотрим в главе о делении. Физическая причина появления запаздывающих нейтронов заключается в том, что при (-распаде продуктов деления дочернее ядро может образоваться с энергией возбуждения, превышающей энергию связи одного из нейтронов в этом ядре. В этом случае наряду с (-распадом с определенной вероятностью ядро может испустить нейтрон. На примере цепочки 95Kr поясним еще одно распространенное явление. Мы видим, что ядро 95Zr может с разной вероятностью распадаться двумя путями с образованием в одном случае метастабильного ядра 95mNb. Метастабильные ядра называют изомерными ядрами (см. §3.6). Они также могут быть радиоактивными, но иметь периоды полураспада, отличные от тех, которые имеют те же ядра в стабильном состоянии. Времена жизни изомерных ядер варьируются в широких пределах от долей секунд до нескольких лет. Вероятность (-распада очень сильно зависит от разности спинов исходного и конечного состояний ядер. Если эта разность больше единицы, то такие (-переходы затруднены и называются запрещенными. Поскольку эти (-распады все же происходят, то термин «запрещенные» следует понимать как «маловероятные». Энергетические спектры (распределение по энергиям) возникающих (-частиц можно исследовать по их отклонению в электромагнитных полях с помощью (-спектрометра. На рис.3.5.5 показаны типичные спектры (-частиц при распаде ядер 140Cs и 140Ba из цепочки (-распадов, приведенной на рис.3.5.4. По вертикали на рисунке отложено число (-частиц, приходящихся на единичный интервал энергии в относительных единицах. Прежде всего, отметим, что в отличие от спектра (-частиц (рис. 3.4.2) (-спектр имеет сплошной характер. Если не делать никаких дополнительных предположений, то из сплошного характера (-спектра должен следовать вывод о нарушении закона сохранения энергии при (-распаде. Действительно, энергия, выделяющаяся при (-распаде, равна разности левых и правых частей неравенств (3.5.6) или (3.5.7). Эта величина энергии определяет максимальную энергию E0 для (-спектра. Но в спектре имеются (-частицы и с любой меньшей энергией. Неизбежно возникает вопрос - куда исчезает остальная энергия в каждом случае, когда Тβ < E0 ? В 20-е годы, когда физике не были известны нейтрино и антинейтрино, этот вопрос вызвал различные предположения - от гипотезы о нарушении закона сохранения энергии при (-распаде до предположения о потерях энергии электронами (позитронами) в окружающем веществе. Для проверки последнего предположения были проведены тщательные калориметрические измерения энергии (-распада (Эллис, Вустер, 1927 г.), которые подтвердили, что энергия, выделяющая при (-распаде, равна средней энергии, взятой по (-спектру, а не максимальной энергии E0. Поскольку калориметр уловил бы энергию, переданную веществу, то предположение о влиянии потерь на характер (-спектра отпало. В 1931 г. Паули высказал гипотезу об участии в (-распаде еще одной частицы – нейтрино, которая обладает большой проникающей способностью и по этой причине не может быть зарегистрирована, но уносит при (-распаде такую часть энергии, что в сумме энергия (-частицы и нейтрино равна энергии, выделяющейся при (-распаде. Строго говоря, часть кинетической энергии получает и дочернее ядро, но это - пренебрежимо малая часть. При Е-захвате (-частица не образуется и, следовательно, энергию (-распада распределяется между нейтрино и дочерним ядром. Прямой опыт по обнаружению нейтрино удалось осуществить только в 50-е годы (Коуэн, Рейнес, 1953 г.). Это оказалось возможным только потому, что, несмотря на грандиозные величины пробегов нейтрино в веществе (1015 км) - это все же средние величины, то есть при наличии достаточно мощного источника нейтрино есть надежда «поймать» и короткие пробеги. Такими мощными источниками (-частиц и, следовательно, антинейтрино являются ядерные реакторы. Из факта чрезвычайной малости сечения взаимодействия нейтрино с веществом (~ 10-43 см2) вытекают заключения и о его основных свойствах: отсутствие электрического заряда и магнитного момента, масса покоя равна нулю или очень мала даже по сравнению с массой электрона. Теория (-распада (Ферми,1934 г.) была создана на основе предположения о существовании нового вида взаимодействия, то есть нового поля, а именно - слабого. Все известные науке взаимодействия связаны всего с четырьмя типами полей: сильным (ядерным), электромагнитным, слабым и гравитационным. К примеру, все химические реакции относятся к классу электромагнитных взаимодействий, так как осуществляются электрическими силами электронных оболочек атомов. В частности, любые проявления жизни на Земле также имеют электромагнитный характер (за исключением различных гравитационных эффектов). Сильное (ядерное) взаимодействие удерживает нуклоны в ядре и проявляется в различных ядерных реакциях. Слабое взаимодействие ответственно за (-распад и распады мезонов. Гравитационное поле проявляется в макроскопических и космических масштабах. Если расположить все эти взаимодействия по их относительной интенсивности, то получим следующую картину: сильное 1 электромагнитное ~ 10-2 слабое ~ 10-14 гравитационное ~ 10-40. Не следует думать, что этими цифрами определяется и роль соответствующих взаимодействий (полей) в природе. Они равно фундаментальны, то есть без любого из них невозможно существование Вселенной. Но в данном конкретном процессе, наоборот, всегда можно пренебречь каким-либо типом взаимодействия. Например, в ядерных реакциях можно не рассматривать гравитационное и слабое (а часто и электромагнитное) взаимодействия. В химических и гравитационных взаимодействиях можно не учитывать ядерные силы и т.д. Теория Ферми позволила рассчитать спектры (-распада и некоторые другие его характеристики, например, влияние на спектры кулоновского поля ядра и электронной оболочки атома. Кулоновское поле ядра оказывает на -частицы (электроны) тормозящее действие. В результате спектр в «мягкой» (низкоэнергетической) области энергий оказывается обогащенными частицами. Это особенно ярко проявляется в спектрах с E0 < 1 МэВ (на рис. 3.5.5 - спектр 140Ва). В спектрах (+-распада мягкая область спектра, наоборот, оказывается обедненной. Поле электронной оболочки атома оказывает на спектр незначительное влияние. Часто спектры носят более сложный характер из-за наложения нескольких спектров (-переходов на различные уровни возбужденного ядра-продукта. Уже отмечалось, что масса нейтрона превышает массу протона более чем на массу электрона. Иначе говоря, для нейтрона выполняется условие (-распада: (3.5.8) Поэтому нейтрон в свободном состоянии испытывает (-распад: (3.5.9) Спектр (-распада нейтрона показан на рис. 3.5.6. Период полураспада нейтрона был измерен посредством регистрации в электромагнитном поле заряженных продуктов распада пучка нейтронов (Спивак, Сосновский (СССР), Снелл (США), Робсон (Канада), 1950 г.) и оказался равным T1/2(n) ( 11 мин. Современное значение этой величины – 10,25 мин. Так что нейтрон - нестабильная частица. Однако в различных ядерных реакциях, в том числе в ядерных реакторах, нестабильность нейтрона не играет никакой роли, так как он вступает в реакции или поглощается за времена много меньшие, чем его период полураспада. (-Распад протона: (3.5.10) не может идти вне ядра, так как не выполняется энергетическое условие (-распада (то есть закон сохранения энергии). Но в ядре он идет за счет внутренней энергии ядра и приводит к позитронному распаду. С (-распадом связано одно из фундаментальных открытий - несохранение четности в слабых взаимодействиях (Ли, Янг, Ву, 1957 г.). Принципиальные черты этого эксперимента в следующем (рис. 3.5.7). (Активный образец 60Со, ядра которого имеют большой спин и магнитный момент (J= 5, ( = 3,78 (Б), помещался в магнитное поле кругового тока и охлаждался до очень низких (~ 10-2 К) температур. Это было необходимо для ориентирования ядер 60Со в определенном направлении (поляризации) и уменьшения влияния тепловых колебаний ядер. У поляризованного таким образом образца Со60 регистрировались (-частицы, летящие под углом ( и (-( по отношению к направлению поляризующего магнитного поля, то есть по отношению к направлению спина ядра. Вспомним теперь, что при инверсии системы координат, которая в сферической системе имеет вид , , , (3.5.11) квадрат модуля волновой функции не изменяет знак, что служит выражением закона сохранения четности, то есть (3.5.12) От азимутального угла ( в опыте ничего не зависит. Следовательно, если четность сохраняется, то вероятность зарегистрировать (-частицу под углом ( («вперед») и (-( («назад») одинакова. Опыт же показал существенное различие счета частиц под этими углами. «Вперед» (в направлении вектора напряженности магнитного поля) двигалось существенно (~ на 40 больше (-частиц, чем «назад». Таким образом, закон сохранения четности, который казался столь же фундаментальным, как и остальные законы сохранения в случае слабых взаимодействий оказался нарушенным. Это привело к пересмотру и уточнению теория слабых взаимодействий и некоторых фундаментальных взглядов на характеристики элементарных частиц, особенно нейтрино, которые не ясны полностью и в настоящее время (например, наличие массы покоя у нейтрино).
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Бета – распад» з дисципліни «Основи ядерної фізики»
больше (-частиц, чем «назад». Таким образом, закон сохранения четности, который казался столь же фундаментальным, как и остальные законы сохранения в случае слабых взаимодействий оказался нарушенным. Это привело к пересмотру и уточнению теория слабых взаимодействий и некоторых фундаментальных взглядов на характеристики элементарных частиц, особенно нейтрино, которые не ясны полностью и в настоящее время (например, наличие массы покоя у нейтрино). 