Гамма-випромінювання ядер
Міністерство освіти і науки України
Полтавський національний педагогічний університет імені В. Г. Короленка
Кафедра загальної фізики
«γ-випромінювання ядер»
Підготувала студентка фізико-математичного факультету групи Ф-52
Прудка Ірина Іванівна
Полтава-2009
ЗМІСТ
УМОВИ γ-ВИПРОМІНЮВАННЯ
ІЗОМЕРИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:
УМОВИ γ-ВИПРОМІНЮВАННЯ
Ще на першому етапі дослідження радіоактивних явищ було встановлено, що в складі радіоактивного випромінювання крім заряджених α і β є й нейтральна складова. Ця незаряджена складова радіоактивного випромінювання, яка дістала назву гамма-променів, має електромагнітну природу і відрізняється від рентгенівських променів тільки довжиною хвилі.
До гамма-променів належить електромагнітне випромінювання в інтервалі довжин хвиль 10-8-10-11 см. γ-промені виникають при випромінюванні природних і штучних радіоактивних елементів, а також при гальмуванні заряджених частинок, їх розпадах тощо. Завдяки короткій довжині хвилі хвильові властивості в гамма-променів виявляються менше, ніж корпускулярні. Тому часто визначають не довжину хвилі гамма-променів, а їх енергію. Природні радіоактивні елементи випромінюють гамма-промені з енергією порядку кількох МеВ, при ядерних реакціях можна дістати гамма-промені з енергією порядку 10 МеВ, а в прискорювачах заряджених частинок навіть порядку 1 ГеВ.
Гамма-випромінювання супроводить процес розпаду, але не є розпадом ядра. У процесі гамма-випромінювання число нуклонів у ядрі не змінюється і ядро просто переходить з одного збудженого стану в інший.
Встановлено, що γ-випромінювання випускається дочірнім (а не материнським) ядром. Дочірнє ядро в момент свого утворення, виявившись збудженим, за час приблизно 10-13-10-14 с, значно зменшує час життя збудженого атома (приблизно 10-8 с), переходить в основний стан з випусканням гамма-випромінювання. Повертаючись в основний стан, збуджене ядро може пройти через ряд проміжних станів, тому гамма-випромінювання одного й того ж радіоактивного ізотопу може містити кілька груп гамма-квантів, що відрізняються одна від одної енергією.
Спектр гамма-випромінювання є лінійчатим і дискретним. Дискретність γ-спектра має принципове значення, оскільки є доказом дискретності енергетичних станів атомних ядер. Якщо Еі і Еf – значення енергії ядра в початковому і кінцевому станах, то енергія гамма-кванта: Еγ=Еi-Ef.
При випромінюванні також повинен справджуватись і закон збереження спіну. Якщо ji і jf― значення спіну у відповідних станах, то гамма-квант повинен забрати з собою момент імпульсу L, що дорівнює L=|ji-jf|.
Нехай існує нестабільне ядро ZXA, для якого енергетичний баланс дозволяє шляхом β-розпаду перехід у стабільне ядро Z+1XA. Але ядро характеризується ще значенням свого спіну і парності. З теорії випливає, що розпади, при яких спін дуже змінюється, заборонені (або мають дуже малу ймовірність). Тому коли спін нестабільного ядра ZXA дуже відрізняється від спіну ядра Z+1XA в основному стані, то розпад ядра ZXA в основний стан Z+1XA заборонений. Ядро ZXA може перейти в збуджений стан ядра Z+1XA, а перехід ядра Z+1XA до свого основного стану здійснюється шляхом γ-випромінювання (рис. 1). На рис. 1 зображено рівні бета-радіоактивного ізотопу йоду 53І130 і елемента 54Хе130, в який він переходить шляхом бета-розпаду. Спін йоду дорівнює 5, а спін стабільного ксенону рівний нулю. Безпосередній розпад заборонений, тому відбувається на третій збуджений рівень ксенону. На рис. 1 бета-перехід зображується похилою лінією, а гамма-переходи – вертикальними стрілками. Ліворуч показано спіни, а праворуч – енергії в МеВ.
Визначення енергії γ-квантів дає можливість іноді побудувати схему енергетичних рівнів ядра. На рис. 2 зображена така схема на прикладі природного радіоактивного елемента ThC. Він випромінює альфа-частинки і гамма-кванти. Спектр енергій альфа-частинок складається з шести груп. Одночасно спектр гамма-випромінювання складається з шести монохроматичних ліній. Виявляється, що енергію кожного гамма-переходу можна визначити як різницю енергій α-частинок.
Перехід із збудженого стану ядра в основний (або менш збуджений) може паралельно з процесом випромінювання гамма-квантів відбуватися і іншим шляхом: енергія збудження може перейти до електрона атома, внаслідок чого атом буде іонізований. Такий процес має назву внутрішньої конверсії, і зовнішнім його проявом є електронна емісія. Тому внутрішню конверсію можна виявити за характером бета-спектру. При наявності внутрішньої конверсії розподіл електронів за енергіями для β-розпаду має характер кривої (рис. 3). Такий вигляд кривої розподілу свідчить про те, що крім неперервного спектру є й лінійчатий спектр, тобто існують електрони з цілком певними енергіями, які відповідають вузьким максимумам на кривій розподілу. Але ці електрони виникли не шляхом β-розпаду, а вилетіли з атомної оболонки внаслідок внутрішньої конверсії. Це випливає з порівняння енергії електронів з енергією гамма-променів.
Нехай Е – енергія, що відповідає певному максимуму, Еγ – енергія гамма-фотона, що супроводить бета-розпад, та Еі – енергія іонізації. Дослід показує, що Е=Еγ-Еі. Цей вираз має вигляд рівняння Ейнштейна для фотоефекту: частина енергії гамма-кванту пішла на звільнення електрона з атома, а решту отримав атом. Розрахунки свідчать про те, що внутрішня конверсія відбувається безпосередньою передачею енергії збудженого ядра електрону атомної оболонки.
ІЗОМЕРИ
Зазвичай час життя збудженого стану ядра буває невеликим, його тяжко визначити (τ≤10-13 с). Однак у деяких випадках збуджений стан ядра може існувати досить довго: секунди, години, роки і навіть тисячоліття. Такі стани (рівні) ще називають метастабільними. Ядро, що має метастабільний рівень, називається ізомером. Ядро-ізомер ніби несе в собі властивості двох ядер. Його параметри (маса, спін, магнітний момент та ін.) в основному та метастабільному станах відрізняються. Це призводить до ряду особливостей у властивостях ядер-ізомерів. Наприклад, бета-радіоактивне ядро-ізомер може мати два (чи більше) періоди піврозпаду. Завдяки цій властивості вони й були відкриті. Ядра-ізомери зустрічаються групами (утворюють так звані острови ізомерії).
радіоактивний електромагнітний гамма квант
На рис. 4 показано рівні Br80 у збудженому, основному і метастабільному станах, а також основний рівень Kr80, в який перетворюється бром внаслідок бета-розпаду. Із збудженого стану ** бром шляхом гамма-випромінювання переходить на основний рівень практично умить. Потім бром зазнає бета-розпаду з періодом Т1=18 хв. Але існує й інша можливість: із збудженого стану ** бром переходить у метастабільний стан *, на якому затримується на 4,4 год. Потім він переходить в основний стан і зазнає бета-розпаду.
Отже, другий ізомер брому – це просто звичайний бром, * бром, який перебуває в метастабільному стані, тобто живе відносно довгий час.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:
1. Альперин М. М., Манакин Л. А. Теоретическая физика. Физика ядра и элементарных частиц. – Киев: Вища школа, 1979. ― Стр. 79-86.
2. Дубровский И. М., Егоров Б. В., Рябошапка К. П. Справочник по физике. ― Киев: Наукова думка, 1986. ― Стр. 425.
3. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том ІІІ. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. ― Москва: Наука, 1986. ― Стр. 516-521.
4. Мухин К. Н. Занимательная ядерная физика. ― Москва: Энергоатомиздат, 1985. ― Стр. 26-30.
5. Трофимова Т. И. Курс физики: учебник для студентов вузов. ― Москва: Высшая школа, 1985. ― 1985. ― Стр. 385-387.