Понятие о радиоактивности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радиоактивность

1. Радиоактивный распад ядер

Радиоактивность. Самопроизвольное (спонтанное) превращение однихатомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием одной или нескольких частиц, называется радиоактивностью. Условились считать, что время радиоактивного распада ядер составляет не менее 10-12 с. За это время происходит большое число разнообразных внутриядерных процессов, полностью формирующих вновь образовавшееся ядро.

Ядра, испытывающие радиоактивный распад, называются радиоактивными. Ядра, не участвующие в радиоактивных превращениях, называются стабильными. Такое деление достаточно условно, поскольку практически все ядра могут претерпевать радиоактивный распад, однако скорость распада у разных ядер неодинакова.

Радиоактивность ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных с помощью ядерных реакций в лабораторных условиях (например, на ускорителях), называется искусственной. Между ними нет принципиальных отличий. И в том и в другом случае радиоактивные превращения подчиняются одним и тем же закономерностям. Распадающиеся ядра называются материнскими, а ядра, образующиеся в результате распада, -- дочерними.

К радиоактивному распаду относятся б-, в-распад, спонтанное деление тяжелых ядер, протонный распад и др. в -распад обусловлен слабым взаимодействием, все остальные виды радиоактивных процессов -- сильным взаимодействием. Закон сохранения энергии при радиоактивном распаде имеет следующий вид:

Мм c2 = Мд c2 + ? mi c2 + Ек (1)

где Мм и Мд -- массы покоя материнского и дочернего ядер соответственно; mi -- массы образовавшихся частиц; Ек -- кинетическая энергия продуктов распада. Выражение (1) получено в предположении, что материнское ядро покоится.

Для того чтобы распад шел самопроизвольно, необходимо, чтобы Ек > 0. Это означает, что массы распадающегося ядра и продуктов распада должны удовлетворять соотношению

Мм > Мд +? mi . (2)

Это ограничение, следующее из закона сохранения энергии, не является единственным. При радиоактивном распаде должны также выполняться законы сохранения импульса, момента импульса и др.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем, обнаружившим испускание солями урана неизвестного проникающего излучения, которое он-назвал радиоактивным. Вскоре была обнаружена радиоактивность тория, а в 1898 г. французские физики П. Кюри и М. Склодовская-Кюри открыли два новых радиоактивных элемента -- полоний и радий.

В работах Э.Резерфорда, П.Кюри и М.Склодовской-Кюри было установлено, что при радиоактивном распаде испускаются три вида радиоактивного излучения: б-излучение, в-излучение и г-излучение.

Рис.1. Отклонение радиоактивных излучений магнитным полем

Они обнаружили, что под действием магнитногополя б-излучение отклоняется в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положительно заряженных частиц, в-излучение -- в противоположную сторону, а г-излучение не испытывает каких-либо отклонений (рис. 1).

В дальнейшем было показано, что б-частицы представляют собой ядра гелия , в-частицы являются электронами е- (хотя возможен в-распад с испусканием позитронов е+), а г-излучение представляет собой жесткое коротковолновое (л<10-10м) электромагнитное излучение, испускаемое ядрами.

Закон протекания радиоактивных процессов во времени одинаков для всех видов распадов. Поэтому, прежде чем подробно описывать каждый из них, сформулируем общие для всех радиоактивных превращений закономерности.

2. Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад является принципиально статистическим явлением. Нельзя предсказать, в какой момент времени распадется то или иное возбужденное ядро. Но можно с высокой степенью точности указать, какая часть нестабильных ядер распадется за определенный промежуток времени. Выявляемые в радиоактивном распаде закономерности носят вероятностный характер и выполняются тем точнее, чем более велико число радиоактивных ядер.

Пусть в момент времени t имеется N одинаковых радиоактивных ядер. Будем считать, что ядра распадаются независимо друг от друга. Обозначим через л вероятность распада ядра в единицу времени, эта величина называется постоянной распада. Смысл л заключается в том, что из N нестабильных ядер в единицу времени распадается в среднем лN ядер. Тогда к моменту времени t + dt число радиоактивных ядер изменится (уменьшиться) на

dN = - лNdt (3)

Интегрируя (3) по времени и считая, что постоянная распада л не зависит от времени, получаем

N(t)=N0e-лt (4)

где N(t) -- число нераспавшихся ядер в момент времени t. N -- число нераспавшихся ядер в начальный момент времени t = 0. Соотношение (4) выражает закон радиоактивного распада: число нераспавшихся ядер убывает с течением времени по экспоненциальному закону.

Число ядер, испытавших радиоактивный распад за время t, равно

N0 - N(t) = N0 (1- e-лt ) (5)

Интенсивность распада, происходящего в радиоактивном препарате, характеризуется величиной, называемой активностью А. Активность определяется как число распадов, происходящих в радиоактивном препарате в единицу времени. Из физического смысла л и определения А следует, что

где A0 = л N0 -- активность радиоактивного препарата в момент времени t=0.

Единицей активности в системе СИ является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду. Используется также внесистемная единица кюри (Ки), равная активности одного грамма изотопа радия (1 Ки =3,7*1010Бк).

Активность единицы массы радиоактивного препарата а = A/m называется удельной активностью.

Рассмотрим теперь временные характеристики радиоактивного распада -- период полураспада ТЅ и среднее время жизни ядра ф. Эти величины определяют скорость процессов рампада и выражаются через постоянную распада л.

Периодом полураспада TЅ называется время, за которое распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Согласно определению,

Логарифмируя это равенство, получаем

Период полураспада разных ядер лежит в очень широких пределах. Он меняется от 10-6 с для изотопа радона до 14 * 1017 лет для изотопа свинца

Найдем теперь среднее время жизни ядра т. Из всех N0 ядер

\dN\ = лNdt ядер распадается в промежуток времени между t и t+dt. Следовательно, можно считать, что время жизни каждого из этих ядер равно t. Тогда, по определению, среднее время жизни ядра

Таким образом, среднее время жизни радиоактивного ядра

увеличивается при уменьшении вероятности распада ядра за единицу времени, которая определяется постоянной распада л. Как следует из (7) и (8), период полураспада и среднее время жизни ядра связаны соотношением

TЅ = 0/693ф.

3. Закон сложного радиоактивного распада

Дочернее ядро, образующееся при распаде материнского ядра, также может быть нестабильным и испытывать радиоактивный распад. Пусть постоянная распада материнского ядра равна л1 дочернего ядра л2. Найдем, как будут меняться с течением времени числа материнских (N1) и дочерних (N2) ядер.

Изменения N1 и N2 со временем определяются следующими дифференциальными уравнениями:

Уравнение (9), описывающее распад материнских ядер, с точностью до обозначений совпадает с (3). Уравнение (10) характеризует изменение числа дочерних ядер. Первое слагаемое в правой части (10) задает увеличение дочерних ядер за счет распада материнских ядерна второе слагаемое -- их убыль за счет радиоактивного распада.

Решение уравнений (9) и (10) имеет следующий вид:

N1 (t)=N10e-л1t (11)



Здесь N10 и N20 -- числа материнских и дочерних ядер соответственно в начальный момент времени. Если первоначально имелись только материнские ядра, т. е. если N20 =0, то выражение (12) упрощается

4. Альфа-распад

б-распад представляет собой процесс самопроизвольного испускания радиоактивным ядром б-частиц (ядер гелия Не). Он происходит по схеме

где X и Y -- химические символы распадающегося (материнского) и образующегося (дочернего) ядер соответственно. Как следует из схемы распада, массовое число дочернего ядра на четыре единицы, а зарядовое -- на две единицы меньше, чем у материнского.

В качестве примера приведем схему б-распада ядра изотопа висмута, который протекает с образованием ядра таллия:

В настоящее время известно более двухсот ядер, испытывающих а-распад. Большинство из этих ядер получается искусственным путем.

а-частицы вылетают из ядер с очень большими скоростями (Vа?0,1с). Их кинетическая энергия Еа равна нескольким мегаэлектронвольтам. Распространяясь в среде, б-частица теряет свою энергию на ионизацию молекул вещества. Пробег б-частицы, т. е. расстояние, которое она проходит до полной остановки, зависит от плотности среды. Так, в воздухе при нормальном давлении ее пробег составляет несколько сантиметров, а в твердом теле примерно 10-3см.

Кинетическая энергия б-частицы образуется за счет превышения энергии покоя материнского ядра над суммой энергий покоя дочернего ядра и а -частицы (см. выражение (2)). Этот избыток энергии делится между л-частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Действительно, поскольку при л-распаде выполняется закон сохранения импульса, то импульсы л-частицы и дочернего ядра должны быть равны по модулю:

Кинетические энергии продуктов л-распада составляют

Отсюда находим, что

В силу того что масса дочернего ядра заметно превышает массу б-частицы, большая часть избыточной энергии уносится б-частицей.

Обычно при б-распаде образуется несколькомоноэнергетических групп а-частиц, незначительно отличающихся по энергиям (так называемая тонкая структура б-рас- пада). Это объясняется тем, что до чернее ядро может образовываться не только в основном, но и в возбужденных состояниях. На рис. 2 пред- ставлена условная схема энергетических уровней материнского и дочернего ядер, на которой для простоты приведен только один возбужденный уровень дочерней ядра.



Рис.2. К механизму возникновения

г-излучения, сопровождающего б-распад

Наиболее интенсивными являются группы б-частиц, связанные с образованием дочернего ядра в основном б и в первом возбужденном б состояниях. Так, в рассмотренном выше примере б- распада висмута доля частиц б0 составляет 27 % , а доля частицы б1 -- 70 % от общего числа всех б-частиц.

Время жизни большинства ядер, находящихся в возбужденном состоянии, 10-7...10-15с. За это время возбужденное дочернее ядро переходит в основное или в возбужденное-состояние. Избыток энергии при этом расходуется на испускание у-квантов или каких-либо других частиц -- протонов, нейтронов и т. д.

Основы теории б-распада были заложены в 1927 г. русским физиком Г.А.Гамовым и независимо от него американскими физиками Э. Кондоном и Р.Герни. В работах этих авторов была дана квантово-механическая трактовка б-распада, учитывающая волновые свойства а-частицы. Как уже отмечалось, б-частица, покидая ядро, преодолевает потенциальный барьер, создаваемый силами ядерного притяжения и силами кулоновского отталкивания (см. рис. 3). Поскольку высота барьера заметно (в несколько раз) превышает энергию б-частицы, то выход б-частицы из ядра возможен только за счет туннельного эффекта. Теория б -распада, в основе которой лежит туннельный эффект, хорошо подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Рис.3.Потенциальный барьер б-частицы в поле ядра

Следует отметить, что радиоактивные ядра могут испускать и более крупные частицы, чем ядра гелия (б-частицы), например ядра углерода или ядра неона . Такие распады были экспериментально обнаружены в 1984 и 1985 гг. Возможные схемы распадов имеют вид

В отличие от б-радиоактивности эти распады получили название кластерной радиоактивности. Поскольку массы ядер углерода и неона заметно превышают массу б-частицы, то вероятность таких распадов (вероятность туннелирования столь массивных частиц) очень невелика. Действительно, вероятность вылета ядра примерно в 1010 раз меньше вероятности вылета б-частицы. Для ядра неона это отношение достигает 1012 раз. В дальнейшем было обнаружено самопроизвольное испускание тяжелыми ядрами ядер магния, кремния и серы.

5. Бета-распад

в-распадом называется самопроизвольное превращение радиоактивного ядра в ядро-изобар или . В этом процессе один из нейтронов ядра превращается в протон или один из протонов - в нейтрон. Таким образом, в-распад является не внутриядерным, а внутринуклонным процессом. Ответственным за в-распад является слабое взаимодействие нуклонов в ядре (см. рис. 1).

Существует три вида в-распада: электронный ( в--распад ), позитронный (в+-распад) и электронный захват.

Электронный в-распад (в--распад). В этом случае материнское ядро испускает электрон, поэтому зарядовое число дочернего ядра увеличивается на единицу. Электронный в- распад протекает по схеме

При этом распаде наряду с дочерним ядром образуется электрон и электронное антинейтрино. Здесь мы приписали электрону зарядовое число Z=-1 и массовое число А=0, чтобы подчеркнуть сохранение электрического заряда и числа нуклонов в процессе распада.

Примером электронного в-распада может служить превращение углерода в азот :

Из приведенной схемы распада видно, что массовые числа обоих ядер одинаковы, а зарядовое число дочернего ядра на единицу больше, чем у материнского.

В основе электронного в-распада, как уже отмечалось, лежит превращение в ядре нейтрона в протон:



Поэтому можно определить в -распад как процесс самопроизвольного превращения нейтрона в протон внутриатомного ядра.

Дочернее ядро, образующееся при в-распаде, может находиться в возбужденном состоянии. При переходе ядра в основное состояние испускается у-излучение, поэтому в-распад, так же как и б-распад, может сопровождаться испусканием г-квантов.

Рис.4.Энергетический спектр электронов при в--распаде

Как показывают экспериментальные исследования, электроны, образующиеся при в--распаде, имеют широкий энергетический спектр от нуля до максимального значения Еmах (рис. 4). Величина dN, определяет число электронов, энергия которых заключена в интервале от Е до E + dE. Площадь под кривой (см. рис. 4) численно равна полному числу электронов, испускаемых радиоактивным препаратом в единицу времени. Энергия Еmах определяется разностью значений массы материнского ядра и массы продуктов распада -- электрона и дочернего ядра (см. выражение (1))

Первоначально, до открытия нейтрино, казалось, что в--распад протекает с нарушением закона сохранения энергии. Действительно, если бы материнское ядро распадалось только на дочернее ядро и электрон, то энергия электрона, согласно (1), не могла быть меньше Еmах . Для того чтобы объяснить "исчезновение" энергии (?Е = Еmах -Е), В. Паули в 1932 г. выдвинул гипотезу, согласно которой при в--распаде испускается еще одна частица, которая и уносит энергию ?Е. Так как эта частица никак себя не проявляла, то следовало предположить, что она электронейтральна и обладает очень малой массой. Эта частица, названная Э. Ферми нейтрино, что дословно означает "маленький нейтрон", была экспериментально обнаружена лишь в 1956 г. За проведение экспериментальных исследований по обнаружению нейтрино Ф. Райнес и К. Коуэн в 1995 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.

Установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное ve, мюонное vм, тау-лептонное vф и их античастицы.

Тип нейтрино определяется заряженной частицей, вместе с которой нейтрино рождается и с которой взаимодействует. в--распад сопровождается испусканием электронного антинейтрино ve. Именно эта частица и приведена в записанных выше схемах распада. Вопрос о массе нейтрино рассмотрен в (рис.1.).

Позитронный в-распад (в+-распад). В случае позитронного в-распада ядро испускает позитрон, в результате чего его зарядовое число Z уменьшается на единицу. Позитронный в-распад осуществляется по схеме

В качестве примера приведем превращение азота в углерод

Позитронный в-распад сопровождается испусканием позитрона е+ и нейтрино ve, т. е. тех частиц, которые представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при электронном в-распаде (е -- и ve).



В основе в+-распада, как уже отмечалось, лежит превращение в ядре протона в нейтрон:

Поскольку масса протона меньше массы нейтрона, то для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям (см. выражение (1)). Однако протон, находящийся в ядре, может получать необходимую энергию от других нуклонов ядра.

Электронный захват. Третий вид в-распада -- электронный захват -- представляет собой поглощение ядром одного из электронов электронной оболочки своего атома. Чаще всего поглощается электрон из K-оболочки, поэтому электронный захват называют еще К-захватом. Реже поглощаются электроны из L- или М-оболочек.

В результате К-захвата происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон, сопровождающееся испусканием нейтрино:

Схема К-захвата имеет следующий вид:

На освободившееся в результате К-захвата место в электронной оболочке атома могут переходить электроны из вышележащих слоев, в результате чего возникает рентгеновское излучение. При исследовании этого излучения был открыт К-захват американским физиком Л.Альваресом в 1937 г.

Примером электронного захвата может служить превращение калия в аргон 

Подводя итог описанию б- и в-распадов, следует отметить, что б-распад наблюдается только у тяжелых ядер и некоторых ядер редкоземельных элементов. Напротив, в-активные ядра более многочисленны. Практически для каждого атомного номера Z существуют нестабильные изотопы, обладающие в±-активностью.

Энергия, выделяющаяся при в-распаде, лежит в пределах от 0,0186 МэВдо 16 МэВ. Период полураспада в-активных ядер меняется от 10-2с (для ) до 4*1012 лет (для ).

Спонтанное деление тяжелых ядер.

Самопроизвольное деление тяжелых ядер было впервые обнаружено советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком в 1940 г. у ядер урана. Оно осуществляется по схеме т. е. ядро урана распадается на ядра ксенона и стронция с испусканием трех нейтронов.

Спонтанное деление, так же как и б-распад, происходит за счет туннельного эффекта. Пользуясь капельной моделью ядра, т. е. считая, что ядро подобно капле жидкости, можно выделить стадии, которые проходит ядро в процессе деления (рис. 5, а). Соответствующий вид потенциальной энергии ядра U для различных деформаций ядра представлен на рис. 5,б.

Рис. 5. Спонтанное деление тяжелого ядра: а -- схема деления; б -- потенциальный барьер деления

Как и при всяком туннельном эффекте, вероятность спонтанного деления очень сильно (по экспоненциальному закону) зависит от высоты барьера деления ?U. Для изотопов урана и соседних с ним элементов высота барьера деления составляет ?U ? 6 МэВ.

Спонтанное деление является основным каналом распада сверхтяжелых ядер. Осколки деления ядер урана U и плутония Рu асимметричны по массе. С ростом массового числа распадающегося ядра осколки деления становятся более симметричными.

7. Протонная радиоактивность

При протонной радиоактивности ядро испытывает превращения, испуская при этом один или два протона. Протонная радиоактивность впервые была обнаружена в 1963 г. группой советских физиков под руководством Г.Н. Флерова.

Протонная радиоактивность возможна лишь у небольшого числа искусственно получаемых легких ядер, которые характеризуются относительно короткими временами жизни и большим избытком протонов. Однако при проведении эксперимента протонную радиоактивность очень трудно обнаружить из-за сильного фона конкурирующих б- и в+ -распадов, приводящих к образованию изотопов таких же химических элементов.

Радиоактивные ряды.

Как уже отмечалось, ядра, возникающие в результате радиоактивных превращений, могут сами оказаться радиоактивными. Они распадаются со скоростью, которая характеризуется их постоянной распада. Новые продукты распада, в свою очередь, могут быть радиоактивными и т. д. В итоге возникает целый ряд радиоактивных превращений.

Все б- и в-радиоактивные элементы можно объединить в четыре радиоактивных ряда, или радиоактивных семейства. Каждый из членов такого ряда получается из предыдущего элемента за счет б- или в-распадов. Каждый ряд имеет своего родоначальника -- ядро с наибольшим периодом полураспада. Внутри ряда массовые числа ядер А могут либо быть одинаковыми (при в-распаде), либо отличаться на число, кратное четырем (при б-распаде). Если для всех членов ряда А = 4n, где n -- целое число, то этот ряд называется рядом 4n. Соответственно для А = 4n +1, А = 4n + 2,

А = 4n + 3 радиоактивные ряды называются рядом 4n +1, рядом 4n+ 2, рядом 4n+ 3.

Родоначальниками этих рядов являются следующие ядра:

ряд 4n >уран ,

ряд 4n+ 1 > нептуний ,

ряд 4n+ 2 >уран ,

ряд 4n + 3> уран .

Ряд 4n+1 --ряд нептуния-- состоит из изотопов, не встречающихся в природе, а получающихся искусственным путем (искусственная радиоактивность). Остальные три ряда обусловлены естественной радиоактивностью. Все они заканчиваются различными стабильными изотопами свинца , , .

Приведем в качестве примера ряд 4n (рис. 6). Этот ряд называется рядом тория, хотя родоначальником его является уран

Рис. 6. Радиоактивный ряд 4n (ряд тория)

Гамма-излучение ядер.

Это излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое ядрами при переходе из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Поскольку ядро является квантовой системой с дискретным набором энергетических уровней то и спектр г-излучения также дискретен.

Энергия г-квантов Ег, испускаемых различными ядрами, лежит в диапазоне 10 кэВ ? Ег ?5 МэВ.

Соответствующая длина волны г-излучения составляет 2*10-13 м ?л?10-10 м.

Отметим, что изолированный свободный нуклон не может испустить или поглотить г-квант, так как при этом были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса. Это означает, что при испускании г-излучения ядром г-квант обменивается импульсом не с одним, а с несколькими нуклонами. Таким образом, испускание г-излучения является внутриядерным процессом.

Как уже отмечалось, у-излучение сопровождает б- и в-распады ядер. Это происходит в тех случаях, когда распад с переходом материнского ядра в основное состояние дочернего ядра либо маловероятен, либо запрещен правилами отбора.

Среднее время жизни ядра в возбужденном состоянии различно для разных ядер и обычно находится в пределах 10-15с? фn ?10-7 с. За это время ядро переходит на более низкий энергетический уровень, испуская при этом г-излучение.

Возможен и другой канал перехода ядра в состояние с меньшей энергией -- передача избытка энергии непосредственно одному из атомных электронов. Такой процесс называется внутренней конверсией электронов, а сами электроны -- электронами внутренней конверсии (конверсионными электронами).

Конверсионный электрон (обычно это электрон К- или L- оболочки), получив энергию от ядра, вырывается из атома, поскольку энергия, передаваемая ему ядром, как правило, заметно превышает энергию связи электронов в атоме. На освободившееся место переходит один из электронов с вышележащих оболочек. Такой процесс сопровождается испусканием рентгеновского излучения

Эффект Мессбауэра.

Явление резонансного испускания и поглощения г-квантов ядрами атомов кристалла называется эффектом Мессбауэра.

Рассмотрим сначала процесс испускания и поглощения г-кванта свободным ядром. Пусть покоящееся ядро, переходя из возбужденного состояния в основное, испускает г-квант с энергией Ег и импульсом рг. В результате ядро приобретает импульс отдачи рп и кинетическую энергию (энергию отдачи) Wn. Если разность энергий основного и возбужденного состояний ядра равна E0, то из законов сохранения энергии и импульса следует, что

E0=Eг+Wn, рг + рn =0. (13)

Отсюда находим, что энергия отдачи Wn, которая передается ядру при испускании г-кванта, равна

где Мn -- масса ядра. Так как ,то

Легко убедиться, что большую часть энергии, выделяемой ядром при испускании у-излучения, уносит г-квант. Действительно,

поскольку энергия покоя ядра Мпс2 значительно превышает энергию г-кванта Eг. Поэтому в выражении (14) можно заменить Eг на E0:

Именно это выражение и определяет энергию отдачи ядра при испускании г-кванта.

Рассмотрим теперь процесс поглощения г-кванта ядром. Ядро, поглощая г-квант, получает импульс отдачи и энергию отдачи, которая также определяется выражением (15). Чтобы сообщить ядру энергию Е0, необходимую для перевода его из основного состояния в возбужденное, энергия налетающего г-кванта E'г должна превысить энергию перехода Е0 на Wn , т.е 

E'г = Е0 + Wn .

Таким образом, линии испускания и поглощения у-квантов ядрами (рис. 7.) должны быть сдвинуты относительно друг друга по шкале энергии на величину

?Е = E'г - Eг = 2 Wn . (16)

Поскольку г-излучение, испускаемое ядрами, имеет энергетическую линию конечной ширины Г, то, для того чтобы можно было наблюдать в эксперименте

Рис. 7. Линии испускания и поглощения ядрами г-излучения

резонансное поглощение г-квантов, т. е. поглощение ядром г- излучения, энергия которого точно равна энергии перехода Е0, необходимо, чтобы линии испускания и поглощения перекрывались. Это означает, что должно выполняться соотношение

Г? Wn (17)



В рассматриваемом случае изолированного ядра ширина Г линии излучения является естественной шириной, задаваемой соотношением неопределенностей

где фn -- время жизни ядра в возбужденном состоянии.

Приведем оценки ширины линии излучения, испускаемого ядром, и энергии отдачи Wn при испускании г-квантов ядром изотопа железа 57Fe. Энергия перехода из возбужденного в основное состояние для этого ядра составляет Е0 = 14,4кэВ, время жизни фn =10-8 с, естественная ширина линии Г?10-8 эВ. Согласно (15), энергия отдачи ядра изотопа железа, у которого Мпс2 = 5,35*1010 эВ, равна Wn = 0,00193 эВ.

Поскольку энергия отдачи Wn значительно (на пять порядков) превышает естественную ширину спектральной линии Г, то условие (17) заведомо не выполняется. Аналогичные оценки можно получить и для других ядер. Это означает, что резонансное поглощение г-квантов изолированными ядрами свободных атомов невозможно.

Совсем иначе обстоит дело, если ядро принадлежит атому, находящемуся в узле кристаллической решетки. В этом случае существует вероятность того, что импульс отдачи будет передан не испускающему г-квант ядру, а всему кристаллу в целом. При этом энергию отдачи можно определить из выражения (15), в котором массу ядра Мn нужно заменить на массу всего кристалла. Поскольку масса кристалла неизмеримо больше массы ядра, то энергия отдачи, передаваемая излучающим ядром кристаллу, ничтожно мала по сравнению с естественной шириной линии Г

Wкр<<Г.



Таким образом, ядра, находящиеся в кристалле, могут испускать г-кванты с энергией, практически точно равной энергии ядерного перехода Eг = E0, и с естественной шириной линии Г.

Эти г-кванты могут поглощаться такими же ядрами, находящимися в другом кристалле, причем импульс отдачи с определенной вероятностью также может быть передан не поглощающему ядру, а всему кристаллу. В таком процессе ядро поглощает энергию, точно равную энергии возбуждения (разности значений энергий основного и возбужденного состояний ядра) E0. Это означает, что если ядра находятся в кристалле, т. е. в связанном состоянии, то для них становится возможным резонансное испускание и поглощение г-излучения. В этом и состоит суть эффекта, открытого в 1958 г. немецким физиком Р. Мессбауэром и названного его именем. Ядра, для которых наблюдается эффект Мессбауэра, называются мессбауэровскими ядрами, а резонансное у-излучение, испускаемое такими ядрами, -- мессбауэровским г-излучением.

Отметим, что в случае мессбауэровского г-излучения отсутствует доплеровское уширение линии, связанное с тепловыми колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки. Причина этого достаточно очевидна. Период тепловых колебаний атомов составляет Т~10-12...10-13 с. а время жизни мессбауэровского ядра в возбужденном состоянии фn оказывается намного больше. Для различных ядер фn~10-7...10-9с. Находясь в возбужденном состоянии, ядро успевает много раз изменить направление своей скорости, так что ее среднее значение практически равно нулю.

Схема опыта по наблюдению эффекта Мессбауэра приведена на рис. 8. Мессбауэровское г-излучение от источника S проходит через поглотитель А, содержащий резонансные ядра, и регистрируется детектором D. Двигая источник относительно поглотителя со скоростью v, можно за счет эффекта Доплера изменять частоту испущенных у-квантов и тем самым нарушать условие резонанса.



Рис. 8. Схема опыта по резонансному поглощению мессбауэровского г-излучения

Первые опыты по наблюдению эффекта Мессбауэра были выполнены с использованием изотопа иридия 191Ir при низких температурах, что повышало вероятность резонансного испускания и поглощения г-квантов. В дальнейшем был найден ряд мессбауэровских изотопов, в частности изотоп 57Fe, в котором эффект Мессбауэра наблюдается вплоть до температуры 1300 К и характеризуется очень узкой естественной шириной линии.

Характерный вид экспериментальной зависимости интенсивности прошедшего через поглотитель г-излучения от скорости источника I(v) приведен на рис. 9 (в этом эксперименте использова лось мессбауэровское г-излучение изотопа 57Fe). Кривая зависимости I(v) имеет глубокий провал вблизи резонанса, обусловленный интенсивным поглощением мессбауэровских г-квантов, и остается практически неизменной вне резонансной области.

Рис.9. Резонансное поглощение мессбауэровского у-излучения

Отметим, что в данном опыте г-резонанс смещен относительно значения V=0. Такое смещение называется изомерным сдвигом, оно обусловлено тем, что мессбауэровские ядра в источнике и поглотителе, как правило, находятся в окружении различных атомов, что вызывает различный сдвиг ядерных уровней и нарушает условие точного резонанса.

Обращает на себя внимание чрезвычайно малая ширина мес- сбауэровской линии поглощения. Как следует из результатов эксперимента (см. рис. 9), чтобы нарушить ядерный г-резонанс за счет эффекта Доплера, оказывается достаточно двигать источник относительно поглотителя со скоростью всего лишь около 1 мм/с.

Таким образом, благодаря эффекту Мессбауэра исследователи получили метод с уникальным энергетическим разрешением . Для наиболее широко используемого на практике мессбауэровского изотопа 57Fe это разрешение составляет 10-13, а для изотопа 67Zn оно достигает 5*10-16. Значение открытия Мессбауэра было столь велико, что уже через три года (в 1961 г.) Р. Мессбауэр был удостоен Нобелевской премии по физике.

В настоящее время эффект Мессбауэра находит очень широкое и разнообразное практическое применение. Он используется в физике твердого тела, ядерной физике, химии, биологии, геологии, медицине, археологии, многочисленных технических приложениях, представляя, с одной стороны, удивительный пример единства различных областей самой физики, а с другой -- пример неразрывной связи физики с другими естественными науками.

С помощью эффекта Мессбауэра был выполнен ряд уникальных экспериментов, в том числе таких, осуществление которых до его открытия считалось невозможным. В первую очередь это относится к наблюдению предсказанного теорией относительности гравитационного красного смещения -- изменения частоты фотона в гравитационном поле Земли. Исследователи назвали этот эксперимент опытом по измерению "кажущегося веса фотона". Расчеты показывают, что относительное изменение частоты фотона при его подъеме на высоту h= 20 м составляетЭто ничтожно малое смещение частоты было обна ружено в эксперименте, проведенном Р. Паундом и Г. Ребкой с помощью эффекта Мессбауэра в 1959 г. Данные измерений составили 0,99±0,05 от значения, предсказанного теорией.



Литература

радиоактивный распад ядро бета

1. Иродов И.Е. Атомная и ядерная физика. Сборник задач. Спб.: Издательство «Лань», 2002

2. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы. Лаборатория Базовых Знаний. 2006

3. Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. YPCC. M., 2002

4. Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Юдин Н.П. Частицы и атомные ядра: URSS. Издательство ЛКИ, 2007

Размещено на Allbest.ru

...