Міністерство освіти і науки України
Полтавський національний педагогічний університет імені В. Г. Короленка
Кафедра загальної фізики
«γ-випромінювання ядер»
Підготувала студентка фізико-математичногофакультету групи Ф-52
Прудка Ірина Іванівна
Полтава-2009
ЗМІСТ
УМОВИγ-ВИПРОМІНЮВАННЯ
ІЗОМЕРИ
СПИСОКВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:
УМОВИγ-ВИПРОМІНЮВАННЯ
Ще на першомуетапі дослідження радіоактивних явищ було встановлено, що в складірадіоактивного випромінювання крім заряджених α і β є й нейтральнаскладова. Ця незаряджена складова радіоактивного випромінювання, яка дісталаназву гамма-променів, має електромагнітну природу і відрізняється відрентгенівських променів тільки довжиною хвилі.
До гамма-променівналежить електромагнітне випромінювання в інтервалі довжин хвиль 10-8-10-11 см. γ-промені виникають при випромінюванні природних і штучних радіоактивних елементів, атакож при гальмуванні заряджених частинок, їх розпадах тощо. Завдяки короткійдовжині хвилі хвильові властивості в гамма-променів виявляються менше, ніжкорпускулярні. Тому часто визначають не довжину хвилі гамма-променів, а їхенергію. Природні радіоактивні елементи випромінюють гамма-промені з енергієюпорядку кількох МеВ, при ядерних реакціях можна дістати гамма-промені зенергією порядку 10 МеВ, а в прискорювачах заряджених частинок навіть порядку 1ГеВ.
Гамма-випромінюваннясупроводить процес розпаду, але не є розпадом ядра. У процесігамма-випромінювання число нуклонів у ядрі не змінюється і ядро простопереходить з одного збудженого стану в інший.
Встановлено, що γ-випромінюваннявипускається дочірнім (а не материнським) ядром. Дочірнє ядро в момент свогоутворення, виявившись збудженим, за час приблизно 10-13-10-14 с, значно зменшуєчас життя збудженого атома (приблизно 10-8 с), переходить в основний стан звипусканням гамма-випромінювання. Повертаючись в основний стан, збуджене ядроможе пройти через ряд проміжних станів, тому гамма-випромінювання одного й тогож радіоактивного ізотопу може містити кілька груп гамма-квантів, щовідрізняються одна від одної енергією.
Спектргамма-випромінювання є лінійчатим і дискретним. Дискретність γ-спектра маєпринципове значення, оскільки є доказом дискретності енергетичних станіватомних ядер. Якщо Еі і Еf –значення енергії ядра в початковому і кінцевому станах, то енергіягамма-кванта: Еγ=Еi-Ef.
При випромінюваннітакож 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 існуєнестабільне ядро ZXA, для якогоенергетичний баланс дозволяє шляхом β-розпаду перехід у стабільне ядро Z+1XA. Але ядро характеризується ще значенням свого спіну і парності. Зтеорії випливає, що розпади, при яких спін дуже змінюється, заборонені (або маютьдуже 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 іелемента 54Хе130, в який він переходить шляхом бета-розпаду. Спін йоду дорівнює5, а спін стабільного ксенону рівний нулю. Безпосередній розпад заборонений,тому відбувається на третій збуджений рівень ксенону. На рис. 1 бета-перехідзображується похилою лінією, а гамма-переходи – вертикальними стрілками.Ліворуч показано спіни, а праворуч – енергії в МеВ.
Визначення енергіїγ-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 ігамма-кванти. Спектр енергій альфа-частинок складається з шести груп. Одночасноспектр гамма-випромінювання складається з шести монохроматичних ліній.Виявляється, що енергію кожного гамма-переходу можна визначити як різницюенергій α-частинок.
Перехід іззбудженого стану ядра в основний (або менш збуджений) може паралельно зпроцесом випромінювання гамма-квантів відбуватися і іншим шляхом: енергіязбудження може перейти до електрона атома, внаслідок чого атом будеіонізований. Такий процес має назву внутрішньої конверсії, і зовнішнім йогопроявом є електронна емісія. Тому внутрішню конверсію можна виявити захарактером бета-спектру. При наявності внутрішньої конверсії розподілелектронів за енергіями для β-розпаду має характер кривої (рис. 3). Такийвигляд кривої розподілу свідчить про те, що крім неперервного спектру є йлінійчатий спектр, тобто існують електрони з цілком певними енергіями, яківідповідають вузьким максимумам на кривій розподілу. Але ці електрони виниклине шляхом β-розпаду, а вилетіли з атомної оболонки внаслідок внутрішньоїконверсії. Це випливає з порівняння енергії електронів з енергієюгамма-променів.
/>
Нехай Е – енергія,що відповідає певному максимуму, Еγ – енергія гамма-фотона, що супроводитьбета-розпад, та Еі – енергія іонізації. Дослід показує, що Е=Еγ-Еі. Цейвираз має вигляд рівняння Ейнштейна для фотоефекту: частина енергіїгамма-кванту пішла на звільнення електрона з атома, а решту отримав атом.Розрахунки свідчать про те, що внутрішня конверсія відбувається безпосередньоюпередачею енергії збудженого ядра електрону атомної оболонки.ІЗОМЕРИ
Зазвичай час життязбудженого стану ядра буває невеликим, його тяжко визначити (τ≤10-13с). Однак у деяких випадках збуджений стан ядра може існувати досить довго:секунди, години, роки і навіть тисячоліття. Такі стани (рівні) ще називаютьметастабільними. 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 зустрічаютьсягрупами (утворюють так звані острови ізомерії).
радіоактивнийелектромагнітний гамма квант
/>
На рис. 4 показанорівні Br80 у збудженому, основномуі метастабільному станах, а також основний рівень Kr80, в який перетворюється бром внаслідок бета-розпаду. Із збудженогостану ** бром шляхом гамма-випромінювання переходить на основний рівеньпрактично умить. Потім бром зазнає бета-розпаду з періодом Т1=18 хв. Але існуєй інша можливість: із збудженого стану ** бром переходить у метастабільний стан*, на якому затримується на 4,4 год. Потім він переходить в основний стан ізазнає бета-розпаду.
Отже, другийізомер брому – це просто звичайний бром, * бром, який перебуває вметастабільному стані, тобто живе відносно довгий час.
СПИСОКВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:
1. Альперин М. М., Манакин Л. А. Теоретическаяфизика. Физика ядра и элементарных частиц. – Киев: Вища школа,1979. ― Стр. 79-86.
2. Дубровский И. М., Егоров Б. В., Рябошапка К. П. Справочник пофизике. ― 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.