Виды радиоактивного излучения

α -распад. Правило смещения. Энергия α -частиц. Проникающая способность α -излучения.

Альфа лучи представляют собой поток гелия . Распад происходит по следующей схеме: . Энергии частиц, испускаемы веществом строго определёны.

Бета-частица (β -частица), заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета-частиц называется бета-лучи или бета-излучение. Отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (β −), положительно заряженные — позитронами (β +). Энергии бета-частиц распределены непрерывно от нуля до некоторой максимальной энергии, зависящей от распадающегося изотопа; эта максимальная энергия лежит в диапазоне от 2, 5 кэВ до десятков МэВ.

Значительные дозы внешнего бета - излучения могут вызвать лучевые ожоги кожи и привести к лучевой болезни. Ещё более опасно внутреннее облучение от бета - активных радионуклидов, попавших внутрь организма.

β -распад:

а. Электронный:

б. Позитронный:

в. Электронный захват:

Нейтрино () – нейтральная частица, масса которой стремится к 0.

Гамма-лучи имеют энергию выше 124 000 эВ и длину волны меньше 0, 01 нм = 0, 1 Å. Источники: космос, ядерные реакции, радиоактивный распад, синхротронное излучение. Прозрачность вещества для гамма-лучей, в отличие от видимого света, зависит не от химической формы и агрегатного состояния вещества, а в основном от заряда ядер, входящих в состав вещества, и от энергии гамма- квантов. Поэтому поглощающую способность слоя вещества для гамма- квантов в первом приближении можно охарактеризовать его поверхностной плотностью (в г/см²). Зеркал и линз для γ -лучей не существует. Резкой нижней границы для гамма-излучения не существует, однако обычно считается, что гамма- кванты излучаются ядром, а рентгеновские кванты — электронной оболочкой атома. Проникающая способность γ -излучения выше чем у рентгеновского. , где Х со звёздочкой- возбуждённое ядро, без – невозбуждённое ядро.

1°. В процессе а-распада различаются две стадии: обра­зование частицы из двух протонов и двух нейтронов в ядре и испускание а-частицы ядром. Обособлению четырех нук­лонов в отдельную частицу способствует насыщение ядер­ных сил (VI.4.3.2°, г). Сформировавшая а-частица подвер­жена меньшему действию ядерных сил.

2°. Испускание ядром а-частицы представляет собой осо­бый квантовомеханический туннельный эффект. Он состо­ит в просачивании, проникновении а-частицы, обладающей волновыми

свойствами (VI. 1.1.3°), сквозь по- Щ--------

тенциальный барьер. Представление £ ___ „_______»_

об этом барьере можно получить из следующих весьма огрубленных рас-.

суждений. Альфа-частицу и другие /? '■ ■ -.. —-—■ ¹ - ■ ■ ^

нуклоны в ядре можно рассматривать U ^ Ч

находящимися внутри потенциальной _Рис yi.4.6 ямы (VI. 1.4.3°) в области OA. Потен­циальная яма имеет глубину П_а (рис. VI.4.6). Это означает, что для выхода любой частицы из ядра она, казалось бы, должна обладать энергией не мень­шей, чем Л₀, чтобы преодолеть притяжение ядерных сил. Это сокращенно принято формулировать так: «на границе ядра существует потенциальйый барьер некоторой высоты и ширины». На рис. VI.4.6 этот барьер изображен упро­щенно в виде прямоугольного барьера АВ высоты П₀с «ши­риной» L. Альфа-частица в ядре имеет энергию Е меньшую, чем высота потенциального барьера (рис. VI. 1.6). Однако а- частица, обладающая волновыми свойствами, может просо­читься сквозь потенциальный барьер, как это указано стрел­кой на рис. VI.4.6. В результате а-частица окажется вне ядра, в области, где ядерные силы притяжения уже не дей­ствуют. Туннельный эффект при испускании ядром а-час-тиц объясняет все закономерности а-распада в полном со­ответствии с опытными данными *).

3°. Бета-распад естественно-радиоактивных ядер не мо­жет объясняться простым вылетом электронов из ядра, ибо стабильных электронов в ядре нет. Для создания современ­ных представлений о возникновении Р-частиц основную

роль сыграли данные об энер­гиях электронов, испускаемых Р-радиоактивными источниками. Опыты показали, что Р-частицы имеют всевозможные энергии, вплоть до некоторого наиболь­шего значения Ермаке (непрерыв­ность энергетического спектра электронов при р- распаде). На рис. VI.4.7 приведена кривая распределения числа N покинувших ядро электронов по их энергиям. Непрерывная кривая обрывается на границе

^Змакс-

4^е. Атомные ядра находятся в определенных энергети­ческих состояниях (VI.4.2.4°). Потеря ядром энергии, свя­занная с испусканием р-частицы, означает переход ядра из энергетического состояния с большей энергией в другое состояние с меньшей энергией. Это невозможно согласо­вать с тем, что электрон, покинувший атомное ядро, может иметь любое значение энергии от нуля до _макс.

5^е. Трудность с объяснением энергии р-частиц усугуб­ляется трудностью со значениями спинов ядер. При Р-рас- паде массовое число ядра не изменяется. Следовательно, не должен изменяться и суммарный спин всех нуклонов в ядре (VI.4.1.4°). Но электрон, обладающий спином «уно­

сит» свой спин при Р-распаде. Спин ядра, казалось бы, дол­жен измениться — вместо целочисленного (в единицах %) он должен оказаться полуцелым (в единицах %) или наобо­рот. Этого не происходит.

6°. Бета-распад объясняется превращением в радиоак­тивном ядре нейтрона Jn в протон }р с одновременным обра­зованием электрона _Je и еще одной частицы — антинейт­рино Jv **):

__________ Jn-*ip + _! e +! v_e-

*) Сведения об этих закономерностях выходят за рамки дан­ного справочного руководства.

**) В обозначениях нейтрона и протона подчеркивается, что массовые числа у них равны единице, а заряды равны соответствен-

В стабильных, не Р-радиоактивных, ядрах такого превра­щения не происходит вследствие взаимодействия нейтрона с другими нуклонами ядра. Вылет из ядра Р-частицы — электрона сопровождается одновременным вылетом антиней­трино. При этом энергия вылетающей пары частиц различ­ным образом распределяется между ними, но так, чтобы сумма энергий обеих частиц не превышала верхней границы £ рмакс (П. 3°). Этим объясняется возможность различных значений энергии р-частиц. Антинейтрино имеет спин, рав­ный ±%/2. Поэтому при одновременном вылете из ядра элект­рона и антинейтрино их спины могут быть ориентированы взаимно противоположно и общий спин ядра при Р-распаде не изменяется. В процессах p-распада мы встречаемся с при­мерами взаимопревращения частиц с одновременным обра­зованием новых частиц. Подробнее об этом см. VI.5.4.5°—8".

7°. Нейтрон может превратиться в протон не только в ядре, но и тогда, когда он в свободном состоянии (радио­активность свободного нейтрона). Масса покоя нейтро­на превышает сумму масс покоя протона и электрона на Ат=0, 837-10^_3 а. е. м. (VII.7.1°). Этой массе по закону взаимосвязи массы и энергии (V.4.11.1⁰) соответствует энер­гия АЕ=Am -с²=782 кэВ. Опыты показали, что свободный нейтрон является р-радиоактивным. Период полураспада свободных нейтронов равен (9, 25±0, 11)-10² с. Электроны, которые испускаются свободными нейтронами, имеют все­возможные энергии, причем наибольшая энергия _с (п. 3°) равна 782 кэВ в соответствии с предыдущим расчетом.

8°. Как правило, у-излучение не является самостоятель­ным типом радиоактивности. Гамма-излучение сопро­вождает ос- и Р-распады. Дочернее ядро (VI.4.5. Г), возник­шее при а- или p-распаде, обычно является возбужденным (VI.4.2.4°). При переходе в нормальное или менее возбужден­ное энергетическое состояние ядро испускает у-фотон, по­добно тому как атом, переходя из возбужденного состояния в нормальное, испускает фотон оптического диапазона (VI.2.4.3°) или рентгеновского излучения (V.3.6.1⁰).

Большая жесткость у-квантов объясняется большими значениями энергий у-фотонов. Разность энергий АЕ между энергетическими уровнями атомных ядер составляет при­мерно 0, 1 МэВ, в то время как в атомах АЕ имеет значе­ния, не превышающие десятков электрон-вольт.