Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 11 из 63)

При аннигиляции позитрона с электроном их масса полностью превращается в энергию двух g - квантов. Эта энергия образуется за счет перестройки остального ядра:

е^_ + е⁺® 2g + 1,02 Мэв

Позитронная эмиссия очень редка у естественных радионуклидов и встречается в основном у искусственно полученных радионуклидов с помощью ускорителей частиц:

О ® N + e⁺; Fe ® Mn + e⁺ + g

Если значение энергии превращения меньше 1,02 Мэв, то эмиссия позитронов не возможна. В этом случае материнский нуклид переходит в дочерний путем захвата электрона так называемого К-захвата.

Для ядер тяжелых элементов с недостатком нейтронов (нейтронодефицитное ядро), превращения протонов в нейтроны происходит только по механизму электронного К-захвата. Поскольку в атоме К-электроны в среднем находятся наиболее близко к ядру, то существует некоторая вероятность захвата ядром электрона с К – оболочки.

Так как масса нейтрона больше суммарной массы протона и электрона, для реализации этой реакции нужна дополнительная энергия. Эта энергия берется за счет увеличения энергии связи у вновь образовавшегося ядра. Для атомов тяжелых элементов К-захват более вероятен, чем позитронная эмиссия.

Захват электрона ядром всегда сопровождается рентгеновским излучением, так как на освободившееся место на нижнем энергетическом уровне сразу переходят орбитальные электроны из оболочек расположенных выше.

Кроме того, К-захват сопровождается испусканием электронов Оже с возбужденных электронных оболочек атома.

Для ядер легких элементов распространены все три варианта b - распада.

As Se +e^-+

As Ge +e⁺+

As+ e^- Ge +

Бета-распад энергетически возможен, если масса покоя системы в начальном состоянии больше ее массы покоя в конечном.

Поскольку масса покоя нейтрино (антинейтрино) равно 0, энергетические условия b- превращений имеют вид:

М(Z,A) > М(Z + 1), A + m_e- (b

) - распад

М(Z,A) > М(Z - 1), A + m_e+ (b⁺) распад

М(Z,A) + m_e > М(Z - 1), A -К захват

Из этих условий видно, что К- захват энергетически более выгодный, чем позитронный распад.

Так как энергия возбуждения, которая уносится из ядер при b - распаде перераспределяется между электроном и антинейтрино или между позитроном и нейтрино и подчиняется закону случайностей, b - распад имеет непрерывный энергетический спектр. Сумма энергий b - частицы и нейтрино (антинейтрино) всегда равна постоянной величине, характерной для данного изотопа и называется максимальной энергией b - спектра.

Э. Ферми вывел эмпирическое уравнение, связывающее максимальную энергию b- излучения с постоянной распада, λ:

λ = k E

Максимальная энергия бета- частиц лежит в интервале 0,015 – 15 МэВ, а периоды полураспада изменяются от 0.3 с до 6.10¹⁴ лет

4.3 Гамма - излучение ядер (изомерный переход)

Под гамма - излучением понимается электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях.

Гамма - излучение является вторичным процессом, сопровождающим процессы a - и b -распада. Гамма- кванты испускаются не непосредственно радиоактивным веществом, а дочерним нуклидом, который находится не в основном, а в возбужденном состоянии. Переход дочернего ядра из возбужденного состояния в основное приводит к эмиссии g - квантов.

При испускании гамма - квантов в ядре не изменяется ни число нуклонов А, ни его заряд Z.

Так как время жизни ядер в возбужденных состояниях очень мало (t < 10^-10 с), то при a- и b- распадах g-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Поэтому обычно этот процесс не выделяют в самостоятельный вид распада, а говорят лишь о гамма - излучении, сопутствующем другим видам распада :

Th ® Ra + He + g ;

Cl ® Ar + b^- + g

Pa + e^-® Th + g

Однако в некоторых случаях, из-за квантово - механических запретов время жизни ядра в возбужденном состоянии может оказаться весьма большим.

Внешне распад таких возбужденных ядер выглядит как обычный радиоактивный распад с испусканием только g-квантов, т.е. как g-распад.

Уровни ядер с аномально большими временами жизни t> 10 ^-10 с называют метастабильными уровнями, а ядро находящееся в метастабильном состоянии, называется изомером к ядру, находящемся в основном состоянии.

В случае изомерных переходов интенсивность g-излучения убывает во времени по обычному экспоненциальному закону с периодом полураспада данного метастабильного уровня. Например:

Bа образуется при позитронном распаде La:

La ^mBа,

который затем путем эмиссии гамма- квантов с периодом полураспада 38,9 ч переходит в

¹³³ Ba:

^mBа Bа

Гамма-излучение имеет ту же природу, что и радиоволны, рентгеновские, видимый, ультрафиолетовый, инфракрасный цвет все эти виды излучения различаются условиями образования и свойствами (энергией, частотой, длиной волны). В таблице 4. 1 приведены основные виды электромагнитного излучения в зависимости от энергии фотонов и длины волны.

Таблица 4.1. Основные виды электромагнитного излучения в зависимости от энергии фотонов и длины волны

Вид излучения	Энергия фотонов, эВ	Длина волны, см
Радио (до УВЧ)	< 0,00001 (10-5)	> 10
Микроволновое	1×10-5 -1×10-2	0,01 - 10
Инфракрасное	0,01 - 1	0,0001 - 0,01
Видимое	1 - 6	10-5 - 10-4
Ультрафиолетовое	6 – 103	10-7 -2×10-5
Рентгеновское	103 -105	10-9 - 10-7
Собственно g-излучение	> 105	10-8 - 10-12

Как видно из таблицы, радиоволны, видимый свет, УФ и g - излучения имеют одну и ту же природу, но различаются условиями образования и свойствами (энергией или частотой).

Во многих процессах g-кванты проявляют себя как частицы, которые называются фотонами. Масса покоя их равна нулю. Скорость распространения гамма - квантов равна скорости света. Энергия фотона зависит от частоты n или от длины волны l гамма-излучения связь между которыми дается соотношением:

E_g = hn = h

, где с - скорость света, h - постоянная Планка.

4.4 Спонтанное деление

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом справедлива даже для очень тяжелых элементов, вплоть до 176 элемента. Однако до настоящего времени столь тяжелых атомов никто не находил ─ значительно раньше ядро самопроизвольно распадается на две части. Это явление ─ спонтанное (самопроизвольное) деление урана-238 обнаружили в 1940 г. советские физики Г.Н. Флеров и К.А. Петржак. Период полураспада был ими оценен приблизительно в 10¹⁵-10¹⁶ лет.