Общие сведения о строении ядер и их β - активности.

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Лаборатория квантовой физики

Лабораторная работа № 4я.

“Изучение Бета - активности ядер”

Составитель: Старов Э. Н.

Цель работы: определение длины пробега β -частиц и максимальной энергии

β -излучения радиоактивного источника.

Общие сведения о строении ядер и их β - активности.

Ядра химических элементов состоят из нуклонов. Существуют два сорта нуклонов – положительно заряженный называется протоном (P), а нейтральный нуклон – нейтроном (n). Основные характеристики нуклонов приведены в таблице 1.

	m масса в а. е. м.	m масса в Мэв	q заряд в единицах “е”	спиновое квантовое число	В барионное число
p	1, 007276	938, 3		1/2
n	1, 008665	939, 6		1/2

Хотя массы нуклонов приблизительно одинаковы, обращает на себя внимание факт, что m_n слегка больше m_p (m_n – m_p 2, 5m_e). Оба нуклона являются фермионами, т. е. частицами с полуцелым спином S = ½ и следовательно подчиняются принципу Паули – т. е. в одном и том же квантовом состоянии не может быть двух частиц с одинаковым набором квантовых чисел. Поскольку нуклоны относятся к барионному семейству элементарных частиц, то их барионное число, как и всех барионов В = 1. Условные обозначения произвольного ядра какого-либо химического элемента Х, записывается так , где Z – заряд ядра, совпадающий с числом протонов в ядре; А – массовое число, равное общему числу нуклонов в ядре и совпадающее т. о. с барионным числом ядра. Число нейтронов в ядре очевидно равно N_n = А – Z.

Заряд ядра не является столь важной характеристикой, как для атома, (существуют так называемые изотопы – ядра с одним и тем же Z, но разными A), т. к. за устойчивость ядра ответственны так называемые ядерные силы – силы притяжения между нуклонами, независящие от их заряда. Это короткодействующие силы с радиусом действия r_яд ≤ 10^-13 см. На таких расстояниях они превосходят кулоновские силы отталкивания протонов приблизительно в 100 раз.

Согласно оболочечной модели ядра, его энергетическое состояние характеризуется дискретным набором энергетических уровней (рис. 1).

Рис. 1

Состояние с наименьшей энергией (основное состояние) обозначено через E₀. Все остальные состояния (E_i) – возбужденные. Расстояние между энергетическими уровнями (энергетический интервал) Δ E_яд, очень велико и по порядку величины составляет 1-2 МэВ.

Между энергетическими состояниями одного и того же ядерного семейства, характеризуемое одним и тем же барионным числом ( например: где В = 12, а разные представители семейства различаются лишь зарядом ядра) возможны переходы 2^х типов:

I тип обусловлен электромагнитным взаимодействием, при котором заряд ядра не изменяется. В результате перехода ядра с одного уровня на другой происходит испускание (см рис. 1) либо поглощение γ – фотонов (квантов электромагнитного поля с энергией Δ E_яд). Символически этот процесс записывается следующим образом

При очень больших Δ eяд (так, например в ядре наименьшая энергия возбуждения E₁ – E₀ = 6, 06 МэВ) возможны электромагнитные переходы сопровождающиеся выбросом заряженных частиц (электрона и позитрона одновременно):

Энергетически это возможно, т. к. Δ Е_яд в этом случае > 2 m₀_ee², где m₀_e – масса покоя электрона.

II тип. В одном ядерном семействе возможны переходы другого рода связанные с изменением заряда ядра. Такие превращения ядер связаны с явлением β – радиоактивности, т. е. самопроизвольном выбросе из ядра заряженных β – частиц. Позднее было установлено, что β - излучение состоит из электронов (е ^-) или античастиц – позитронов (положительно заряженных электронов е ⁺).

Известны три типа β - распада, которые в виде символических равенств описываются следующим образом:

1) - β ^- распад, при котором образуется ядро нового химического элемента с зарядовым числом большим на единицу в результат выброса электрона.

2) -β ⁺ распад, зарядовое число уменьшается на единицу, в результате выброса позитрона.

3) -так называемый К- захват, при котором ядро химического элемента Х захватывает электрон с ближайшей электронной К- оболочки и превращается в дочернее ядро Y с зарядовым числом меньшим на единицу.

Таким образом, при всех этих радиоактивных превращениях ядер число нуклонов в ядре остается неизменным, изменяется лишь заряд ядра на ±1. Разумеется, процессы β - распада будут происходить только в тех ядрах. где они энергетически возможны.

Например, первый тип распада может произойти если энергия ядра X больше энергии ядра Y, тогда избыток энергии Δ E= E_OX–E_OY должен был бы в основном_{_}выделиться в виде кинетической энергии электрона Е_е= Δ Ε. И, кроме того, поскольку электрон обладает спином S = ½, то и спин дочернего ядра (Y) должен был бы уменьшиться на эту величину.

Рис. 2

Экспериментальные результаты исследований β - распада показали, что спин ядра остается неизменным т. к. барионное число не изменяется. Не оправдался и вывод о том, что все β -частицы должны иметь одинаковое значение энергии Е_е. Характерной особенностью β - распада является то, что испускаемые электроны (или позитроны) имеют всевозможные значения кинетической энергии от 0 до некоторого максимального значения Е_max.Значения Е_maxизменяются в широких пределах от 18, 6 кэВ (для трития) до 13, 4 МэВ (для изотопа В).

Энергетический спектр β -частиц приведен на рис. 3.

Рис. 3

Эти особенности β -распада нашли свое объяснение в теории, разработанной Э. Ферми в 1931 г. согласно которой нуклоны в ядре наряду с β - частицей выбрасывают нейтрино (υ ) незаряженную частицу с массой покоя приблизительно равной нулю и со спином S=½ ориентированным антипараллельно спину β -частицы. Гипотеза о существовании нейтрино позволила не только объяснить кажущееся несохранение спина ядра, но и объяснить непрерывный энергетический спектр β -частиц. Энергия, выделяющаяся при β распаде:

Е_max = [М_х- (М_у+ m_е)] с²

практически целиком уносится парой частиц, причем распределение энергий между ними носит вероятностный характер (см. рис. 1).

Важно подчеркнуть, что процесс β - распада не ядерный, а внутринуклонный, связанный с распадом одиночного нуклона в ядре; т. о. все три типа распада (см. выше) объясняются следующим образом:

Здесь υ и ΰ – нейтрино и антинейтрино*⁾. Энергия, стимулирующая, эти процессы обеспечивается взаимодействием нуклонов в ядре. Какова же причина этих процессов?

Ферми в своей теории предположил, что кроме короткодействующих ядерных сил с радиусом взаимодействия r₉₉≈ 10^–13 см (сильное взаимодействие нуклонов), обеспечивающих стабильность ядер, существуют слабые ядерные силы (слабое взаимодействие), отвечающее за распад нуклонов в ядре. На очень маленьких расстояниях между частицами (10^-15 и меньше) в игру вступает новый механизм - слабое взаимодействие - обмен тяжелыми промежуточными бозонами: W±, Z⁰ - которые и являются переносчиками (квантами) слабого взаимодействия.

__________________________________________________________________

*) Различие между частицей и античастицей заключается в том, что спин нейтрино ориентирован противоположно импульсу частицы , а спин антинейтрино совпадает по направлению с импульсом:

Согласно современной теории адроны состоят из кварков-, гипотетических частиц имеющих спин ½ и дробный электрический заряд. Нуклоны (одни из представителей адронов) состоят из 3 кварков, основные характеристики которых приведены в таблице 2.

название	символ	масса, МэВ	q заряд в “e”	S спин, в единицах ħ	В барионное число
UP(верхний)	U		+⅔	½	⅓
down(нижний)	d		-⅓	½	⅓

Протон состоит из двух U-кварков и одного d- кварка, поэтому его структура записывается как: uud. Нейтроны имеют структуру udd. Сильное взаимодействие, обеспечивающее удержание кварков в нуклоне. заключается в обмене между ними глюонами (нейтральными и безмассовыми частицами), который проявляется на расстояниях порядка 10^-13 см.

На расстояниях порядка 10^-15 10^-16см между кварками возможен обмен промежуточными бозонами – которые являются переносчиками слабого взаимодействия.

На кварковом уровне β – распад может быть представлен в виде следующей диаграммы:

т. е. один из d кварков испускает W^- - бозон и превращается в U – кварк, W^- бозон в свою очередь рождает пару (e^-, ):

d → U + W^-→ U + e^- +

т. о. β – распад действительно внутринуклонный процесс, обусловленый слабым взаимодействием частиц.

12 3 Следующая ⇒