Сайт студентов физиков для студентов физиков!

Период полураспада

б) Позитронный β+ распад – ядро испускает позитрон (38.9)

в) Электронный захват или так называемый К-захват – ядро поглощает электроны оболочки своего атома (обычно у тяжелых ядер К-слоя, отсюда – К-захват). Напр., К-захват:

Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада:

(38.10), где N0 — число ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t = 0, N — число ядер в том же объеме к моменту времени t , λ — постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за 1с и равная доле ядер, распадающихся в единицу времени.

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: (1) период полураспада T1/2 и (2) среднее время жизни τ радиоактивного ядра.

Период полураспада — время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое: откуда (38.11)

Среднее время жизни τ для всех первоначально существовавших ядер:

(38.12)

Естественной единицей радиационной активности является 1 распад в секунду = 1 Бк (Беккерель) – в СИ. (1 Ки (Кюри) = 3,7 10 10 Бк, 1 Рд (Резерфорд) = 106 Бк).

38.3. γ- излучение

Радиоактивное излучение бывает трех типов: α -, β — и γ — излучение (по их отклонению в магнитном поле). γ –излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение, энергия которого испускается при переходах ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденные состояния, а также при ядерных реакциях.

Длина волны γ — излучения λ <10−10 м, т.е. ярко выражены корпускулярные свойства (поток частиц — γ — квантов (фотонов). γ — Излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями ( в отличие от α — и β – излучений), обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. γ -Излучение не самостоятельный тип радиоактивности. Оно сопровождает процессы α — и β — распадов и не вызывает изменения заряда и массового числа ядер.

Основными процессами, сопровождающими прохождение γ -излучения через вещество являются:

фотоэффект или фотоэлектрическое поглощение γ –излучения ( в области малых энергий γ — квантов Eγ <100 кэВ);

комптон-эффект (комптоновское рассеяние) является основным механизмом взаимодействия γ — квантов с веществом при энергиях Eγ ≈ 500 кэВ;

образование электрон-позитронных пар (при Eγ >1,02МэВ = 2mec2 ) становится основным процессом взаимодействия γ — квантов с веществом при Eγ >10 МэВ: (38.13)

Частица X необходима для того, чтобы выполнялись законы сохранения энергии и импульса.

— Если энергия γ — кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре (7 ÷ 8 МэВ), то в результате поглощения γ — кванта может наблюдаться ядерный фотоэффект — выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.

Воздействие γ — излучения (а также других видов ионизирующего излучения) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения.

Различаются:

Поглощенная доза излучения — физическая величина, равная отношению энергии излучения к массе облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы излучения — грей (Гр): 1Гр=1Дж/кг — доза излучения, при которой облученному веществу массой 1кг передается

энергия любого ионизирующего излучения 1Дж.

Экспозиционная доза излучения — физическая величина, равная отношению суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, освобожденными в облученном воздухе (при условии полного использования ионизирующей способности электронов), к массе этого воздуха. Единица экспозиционной дозы излучения — кулон на килограмм (Кл/кг); внесистемной единицей является рентген (Р): 1Р=2,58·10–4 Кл/кг.

Биологическая доза — величина, определяющая воздействие излучения на организм. Единица биологической дозы — биологический эквивалент рентгена (бэр): 1бэр — доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или γ — излучения в 1Р (1бэр=10–2 Дж/кг).

Эффектом Мёссбауэра называется явление упругого испускания или поглощения γ — квантов атомными ядрами, связанными в твердом теле, не сопровождающееся изменением внутренней энергии тела (т. е. происходящее без возбуждения квантов колебаний кристаллической решетки — фононов). При излучении или поглощении γ — кванта ядром свободного атома,

вследствие закона сохранения импульса ядро атома приобретает импульс, равный импульсу излученного или поглощенного фотона, а значит и кинетическую энергию — кинетическую энергию отдачи ядра (EЯ ) Следствием этого является то, что:

при переходе ядра из возбужденного состояния с энергией E в основное, излучаемый γ — квант имеет энергию Eγ несколько меньшую, чем E , из-за отдачи ядра в процессе излучения:

при возбуждении ядра и переходе его из основного состояния в возбужденное с энергией E γ -квант должен иметь энергию несколько большую, чем E :

38.4. Ядерные реакции и их основные типы

Ядерные реакции это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ -квантами) или друг с другом.

Символически реакции записываются в виде: (38.14),

где X и Y — исходное и конечное ядра, a и b — бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (и массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

Ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии) так и эндотермическими (с поглощением энергии).

Ядерные реакции протекают в несколько этапов. На первом этапе налетающая частица застревает в ядре-мишени, образуя составное ядро или компаунд-ядро, и ее энергия передается равномерно распределяется между всеми частицами составного ядра, так что ни одна из них не получает энергии, достаточной для вылета из ядра. Составное ядро рассматривается как возбужденная статистическая система частиц, совершающая неупорядоченные движения, подобные движению частиц в капле жидкости. В результате случайных отклонений от равномерного распределения энергии возбуждения между частицами составного ядра на какой-либо одной из них концентрируется энергия, достаточная для вылета этой частицы из ядра. Этот второй этап ядерной реакции происходит по истечении времени (107 -108 ) τЯ после первого этапа, где τЯхарактерное ядерное время (~ 10−22 c) .

Схема ядерной реакции с образованием компаунд-ядра: (38.15),

Ядерные реакции классифицируются:

1) по роду участвующих в них частиц реакции под действием нейтронов; заряженных частиц; γ — квантов;

2) по энергии вызывающих их частиц реакции при малых, средних и высоких энергиях;

3) по роду участвующих в них ядер реакции на легких (A < 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) ядрах;

4) по характеру происходящих ядерных превращений реакции с испусканием нейтронов, заряженных частиц; реакции захвата (в случае этих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько γ — квантов).