Радіоактивне випромінювання та його типи

Радіоактивність – процес самовільного перетворення деяких (нестабільних) ядер в інші з випромінюванням часток. До радіоактивних перетворень відносяться: a -розпад, b -розпад (з випромінюванням електрона, позитрона чи захопленням орбітального електрона), спонтанний поділ важких ядер, протонна та нейтронна радіоактивність. Радіоактивність нестабільних ядер, які існують в природі (їх відомо ~ 300), називається природною (А.Беккерель, 1896 р.), а тих, що одержані шляхом ядерних реакцій (їх відомо ~ 1700), – штучною (І. та Ф. Жоліо-Кюрі,1934 р). Обидва види радіоактивності підкоряються одному законові радіоактивного розпаду.

Найпоширенішими серед радіоактивних перетворень є альфа-розпад, бета-розпад (випромінювання електрона або позитрона) і спонтанний поділ ядер атомів.

Вже перші дослідники природної радіоактивності (П. та М. Кюрі, Е. Резерфорд) виявили, що радіоактивна речовина є джерелом трьох видів випромінювань: a-, b- і g -променів.

8.3.2. a -промені являють собою потік ядер гелію ; a -розпад відбувається за схемою

. (8.19)

Індекси дочірнього ядра встановлюються на основі законів збереження зарядового і масового чисел: зарядове чи масове число до реакції рівне сумі відповідних чисел після реакції. Звідси випливають так звані правила зміщення; зокрема, при a -розпаді Z дочірнього ядра на 2, а А на 4 менші, ніж у материнського ядра; наприклад,

.

Енергія реакції a -розпаду визначається на основі формули (8.7), де дефект маси реакції

. (8.20)

Ця енергія виділяється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції і розподіляється між a- частинкою і дочірнім ядром у відношенні обернено пропорційному до їх мас (це можна показати на основі законів збереження енергії та імпульсу).

Певний радіоактивний елемент випромінює a -частинки декількох чітко визначених груп. Це зумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати не тільки в основному стані 1, але і в збуджених станах 2,3,… (рис.8.4). За час існування збуджених станів t ~ (10^-8 – 10^-15) с дочірнє ядро переходить у більш низький чи нормальний стан, випромінюючи g -квант. Так виникають g -промені, які, звичайно, супроводжують a -розпад, хоча дочірнє ядро може звільнитись від надлишку енергії також іншими способами: випромінюючи яку-небудь частинку або іонізуючи атом (процес внутрішньої конверсії).

Процес a -розпаду не можна пояснити на основі класичної механіки. Досліди показують, що з радіоактивних ядер випромінюються a -частинки з енергією ~6 МеВ. В той же час a -частинки з енергією ~8 МеВ не проникають в ядро. Ядро для a -частинки є потенціальним бар’єром, висота якого U ₀більша від енергії a -частинки Е (рис. 8.5). Внутрішня сторона бар’єру зумовлена ядерними силами притягання, зовнішня – силами кулонівського відштовхування. Явище стає зрозумілим на основі квантової механіки: a -частинка виникає в момент радіоактивного розпаду ядра і долає бар’єр ядра за допомогою тунельного ефекту (для мікрочастинки існує відмінна від нуля ймовірність проникнути через бар’єр з енергією меншою від висоти бар’єру; Г. Гамов, 1928 р.).

Теорія a-розпаду, що спирається на явище тунельного ефекту, підтверджує емпіричний закон Гейгера-Неттола

, (8.21)

де А і В – константи, l – стала розпаду, R – пробіг a -часинки, який, очевидно, пропорційний до її енергії E. Цей закон показує, що менш стабільні ядра дійсно випромінюють a -частинки з більшою енергією.

8.3.3. Існує три типи b- розпаду: b ^– -розпад (ядро випромінює електрон ), b ⁺ -розпад (ядро випромінює позитрон ) і так зване електронне захоплення (ядро поглинає один з електронів К –, рідше L –, чи М– шару свого атома). b ^– розпад відбувається за схемою

, (8.22)

з якої випливає, що при b ^– -розпаді масове число дочірнього ядра не змінюється, а зарядове число змінюється на одиницю; наприклад, . Як і при a -розпаді, енергія реакції b -розпаду визначається за дефектом мас реакції і лежить в межах від десятків кеВ до десятків МеВ.

Пояснення b ^– -розпаду зустрілось з труднощами:

1. незрозумілим було походження електрона (електронів у ядрах немає);

2. незрозумілим був неперервний характер b ^– -спектрів ядер (мал.8.6);

3. було незрозуміло, чому при b -розпаді не змінюється спін ядра.

Ці труднощі усунули В. Паулі та Е. Фермі (1930–1934 рр.). Вони висунули гіпотезу, що електрон при b ^– -розпаді виникає в ядрі разом з антинейтрино за рахунок процесу перетворення нейтрона в протон:

. (8.23)

Антинейтрино, практично, не має маси і електричного заряду, його спін . Процес (8.23) можливий енергетично, бо ; він пояснює походження електрона при b ^– -розпаді, а також – незмінність масового числа і зростання зарядового числа дочірнього ядра на одиницю (протон залишається в ядрі). Виліт з ядра двох партнерів (електрона і антинейтрино), спіни яких компенсуються, усуває трудність зі спіном при b -розпаді, а також пояснює неперервний характер b ^– -спектру, бо максимальна енергія b ^– -розпаду E _max розподіляється між двома партнерами випадково. Походження g -променів, що супроводжують b ^– -розпад – таке ж, як і при a -розпаді: дочірнє ядро може виникати у збуджених станах, випромінюючи g -кванти при переходах у більш низькі стани.

b ⁺ -розпад відбувається за схемою

, (8.24)

наприклад, . Він супроводжується випромінюванням позитрона і нейтрино , які є античастинками, відповідно, для електрона і антинейтрино . Цей вид b -розпаду має місце для штучно-радіоактивних ядер, які мають надлишок протонів над нейтронами. Його можна пояснити за рахунок процесу перетворення протона в нейтрон:

. (8.25)

Для вільного протона цей процес неможливий, бо ; в ядрі ж протон може запозичити потрібну енергію від інших нуклонів ядра.

Реакція електронного захоплення має вигляд

, (8.26)

що можна пояснити перетворенням протона в нейтрон:

. (8.27)

Захоплення електрона ядром супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, яке зумовлене перебудовою електронної оболонки атома внаслідок виникнення електронної вакансії у ній. По цьому випромінюванню Л. Альверс і відкрив К -захоплення, у 1937 р. Прикладом цього процесу може бути перетворення калію в аргон:

Суттєва для пояснення b -розпаду гіпотеза нейтрино Паулі-Фермі стала початком вивчення так званої слабкої взаємодії, відповідальної за ряд перетворень елементарних часток. Ця гіпотеза була підтверджена експериментально у 1956 році Ф. Райнісом і К. Коуеном. При роботі на реакторі, що давав потужний потік нейтронів (і антинейтрино), їм вдалося підтвердити реакцію

, (8.28)

яка, фактично, є оберненням реакції (8.23).

У цьому ж році Р. Девіс підтвердив також існування електронного нейтрино . Пізніше було виявлено й інші типи нейтрино і антинейтрино: м’юонне () і таонне (); вони з’являються в процесах взаємодії з м’юонами і – лептонами. Доведено, що – різні частинки, як і їх античастинки .