Β-розпад

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.11. β-розпад

Бета-розпадом називають процес спонтанного перетворення нестабільного ядра в ізобарне із зарядом, відмінним на ΔZ = ±1, за рахунок випромінювання електрона (позитрона) або захоплення електрона з найближчої до ядра електронної оболонки. Період піврозпаду β-радіоактивния ядер змінюється від 0,025 с (125В) до 4 ∙ 1012 років ( 18775Re). Енергія випромінюваних частинок досягає кількох мегаелектронвольт. Відомо три типи β-розпаду:

β-, β+-розпади, захоплення електрона ядром (К-захоплення). Найпростішим прикладом електронного β-розпаду (після β–розпаду нейтрона) є β–розпад тритію:

Період піврозпаду 31H становить 12 років. Схематично цей процес зображено на рис. 17.9, а. Остаточно β-розпад тритію зводиться до перетворення одного нейтрона в протон. Енергетичну умову можливості β–розпаду ядра з масовим числом А і зарядом Z можна записати так:

Отже, маса початкового β–радіоактивного ядра має бути більшою, ніж сума мас кінцевого ядра і електрона. Цю умову можна виразити

через маси атомів, якщо до лівої частини нерівності (17.34) додати Zme, тобто масу електронів у атомі:

Звідси можна підрахувати енергію, що виділяється при β-розпаді:

Для розглянутого прикладу ΔЕ β- = 0,019 МеВ.

Прикладом позитронного β-розпаду є β+-розпад ядра 116С:

Період піврозпаду 116С становить 20 хв. У цьому разі β+-розпад ядра 116С зводиться до перетворення одного з його протонів у нейтрон (рис. 17.9, б). Звичайно, це перетворення слід розуміти умовно, оскільки маса протона менша від маси нейтрона, внаслідок чого позитронний розпад вільного протона неможливий. Однак для протона, зв’язаного в ядрі, подібне перетворення можливе, оскільки нестача енергії для такого перетворення доповнюється ядром. Енергетичну умову β–розпаду можна записати за аналогією з умовою β+-розпаду:

Якщо до обох частин нерівності додати масу електпонної оболонки Zme, то прийдемо від мас ядер до мас атомів і нерівність набере такого вигляду:

Енергія, що виділяється при β+-розпаді,

Для β+-розпаду ядра 116С вона становить ΔЕ β+ ≈ 1 МеВ.

Рис. 17.9

Третій вид β-радіоактивності – електронне захоплення (е-захоплення) було відкрите американським фізиком Л. Альваресом (1937 р.). Воно полягає в захопленні ядром електрона з електронної оболонки власного атома. Природу е-захоплення було виявлено при вивченні рентгенівського випромінювання, яке його супроводжує. Істотне значення для важких ядер має захоплення електрона з K-оболонки (K-захоплення). При цьому звільняється місце в K-шарі, внаслідок чого атом переходить у збуджений стан. Повернення до нормального стану відбувається внаслідок переходу одного з електронів зовнішніх шарів на звільнене місце в K-шарі, що супроводжується виникненням характеристичного рентгенівського випромінювання K-серії. Іноді перебудова електронної оболонки із заповненням вільного місця в К-шaрі відбувається і без рентгенівського випромінювання, за рахунок автоiонізації атома; в цьому разі надлишок енергії оболонки несе один із електронів, причому викинутий електрон має велику швидкість (ефект Оже).

Прикладом легкого K-радіоактивного ядра може бути ядро 74Вe, яке захоплює K-електрон і перетворюється в ядро 73Li:

Період піврозпаду 74Вe становить 53,6 дня.

Схему е-захоплення зображено на рис. 17.9, в. Енергетичну умову можливості K-захоплення можна записати так:

Де Е’K – енергія зв’язку K-електрона в атомі, виражена в одиницях маси (у. а. о. м.). Додаючи до лівої і правої частини нерівності (17.12) (Z – 1)me, дістанемо

Енергія, що виділяється при K-захопленні,

Для розглянутого випадку ΔЕк = 0,864 МеВ.

Порівнюючи наведені нерівності для атомних мас, можна переконатися, що окремим ядрам властиві два, а то й три типи β-перетворень.

Тепер розглянемо деякі особливості β-розпаду. На відміну від α-частинок, що випромінюються з певними, характерними для кожної радіоактивної речовини, енергіями, β-частинки випромінюються з різними початковими енергіями, розподіленими за статистичним законом від найменших значень до максимальних (рис. 17.10). Для одних речовин це максимальне значення близько кількох десятих мегаелектронвольта, для інших – 1…4 МеВ і в окремих випадках ще більше. Наприклад, максимальна енергія електронів, випромінюваних 21482Рb, дорівнює 0,65 МеВ, а у 21483Ві – 7,68 МеВ.

Рис. 17.10

Суцільний характер β-спектрів, здавалося б, суперечить квантовій механіці. Справді, оскільки при β-розпаді ядро переходить із деякого певного енергетичного стану в інший (також певний квантовий стан), то швидкості випромінених електронів (позитронів) повинні були б мати тільки такі значення, при яких їхня енергія дорівнює різниці квантових станів ядра, як це відбувається при випромінюванні α-частинок. Неперервний характер розподілу енергії β-частинок з цього погляду свідчить про те, що частина енергії під час розпаду немовби безслідно втрачається. Тому деякі фізики запропонували відмовитись від закону збереження енергії в елементарних актах. Було поставлено під сумнів універсальність закону збереження енергії. Тоді В. Паулі висловив припущення, розвинуте Е. Фермі, що одночасно з випромінюванням електрона випромінюється ще одна частинка, яка забирає “залишок” енергії квантового переходу. Якби ця частинка мала заряд або масу (порядку маси електрона), то при експериментальних дослідженнях β-перетворень вона не залишалася б непоміченою. Тому, безумовно, ця частинка, яка згодом дістала назву антинейтрино, не несе заряду і має дуже малу або навіть нульову масу. Коли в явищах штучно викликаної радіоактивності було виявлено позитрони, які мають розподіл енергій, аналогічний електронам, таку частинку, що супроводжує випромінювання позитронів, почали називати нейтрино.

Оскільки ядро одночасно випромінює електрон і антинейтрино (позитрон і нейтрино), то зрозуміло, що енергія, яка дорівнює різниці стаціонарних станів ядра, може як завгодно розподілятись між двома викинутими частинками. Цим пояснюється неперервний спектр ядерного β-випромінювання. Якби нейтрино (антинейтрино) не існувало, то в одиничному акті β-розпаду порушувався б закон збереження енергії: частину енергії квантового переходу ядра несе із собою електрон, а залишок енергії довелось би вважати таким, що зникає безслідно.

Через відсутність заряду і дуже малу масу антинейтрино (нейтрино) не iонізує на своєму шляху повітря.

Отже, при звичайних β-перетвореннях викидання антинейтрино () відбувається разом з викиданням електрона е-, тоді як позитронний розпад супроводжується викиданням нейтрино (ν). Схему перетворення нейтрона на протон і протона на нейтрон можна записати так: