Электронный р-распад. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Электронный р—распад может происходить спонтанно, т.к. уменьшение массы, происходящее при переходе более тяжёлого ядерного нейтрона в ядерный протон, приводит к выделению энергии. Этот тип распада имеет место при относительном избытке нейтронов в ядре. Поскольку число нуклонов при p-распаде не меняется, массовое число ядра остаётся тем же. Дочернее ядро оказывается ядром одного из изотопов элемента, порядковый номер которого в периодической таблице элементов на единицу превышает порядковый номер исходного ядра.

Согласно правилу сдвига Фаянса и Содди, при p-распаде зарядовое число Z увеличивается на единиц}', а массовое число А остается неизменным.

" 140_gq Р~, 140^.

Пример: 56 57.

Рис. 8. Схематическое изображение р-распада.

Бета-распад характерен для большого числа радиоактивных изотопов. В результате экспериментов по изучению отклонения р-частиц в магнитном и электрическом полях было установлено, что р—лучи являются потоком электронов, движущихся со скоростью, составляющей от 0,1 до 0,99 скорости света. Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при p-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободным нейтроном.

В процессе p-распада наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 г. В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется ещё одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. В 1933 г. Э. Ферми создал теорию p-распада, используя гипотезу В. Паули. Он показал, что p-распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе — «слабым» взаимодействием и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона е- и антинейтрино V (р—распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е⁺ и нейтрино v (р⁺-распад), а также с захватом протоном электрона с ближайшей атомной оболочки и испусканием нейтрино v (электронный захват).

Рис. 9. Схема распада *3‘J.

Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому её трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В процессе распада нейтрона возникает частица с нулевой массой покоя, которая называется электронным антинейтрино. Она обозначается символом v .

При каждом акте p-распада энергия распределяется между рчастицей и антинейтрино случайным образом, поэтому р-излучение имеет непрерывный энергетический спектр (рис. ю). Сумма энергий рчастицы и антинейтрино всегда равна постоянной величине, характерной для данного радиоактивного изотопа, и называется максимальной.

энергией превращения.

Рис. ю. pспектр ⁴°К. Нейтрино (итал. Neutrino, уменьшительное от neutrone — нейтрон) (у) — стабильная незаряженная элементарная частица со спином ½ и, возможно, нулевой массой; относится к пептонам. Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взашюдействии и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино (ve), всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино (vj, выступающее в паре с мюоном, и т-нейтрино (vj, связанное с тяжёлым пептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу {у_е, Гц. У_Т)>

отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиралъностъю. Нейтрино имеют левую спиралъностъ (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино — правую (спин — по направлению движения).

Антинейтрино (г) — античастица нейтрино, отличающегося от него знаком лептонного заряда и спиралъностъю.

Лептоны (грен. Xemoq — лёгкий) — класс фундаментальных частиц с полуцелым спином (фермионы), не обладающих сильным взаимодействием, т. е. участвующих лишь в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях. К лептонам относятся электрон, отрицательно заряженные мюон, электронное, мюонное нейтрино и их античастицы. Масса лептонов меньше масс всех других частиц (кроме фотона).

Необходимость испускания при p-распаде ещё одной частицы, кроме электрона, обусловлена следующими законами.

Закон сохранения спина. Протон, нейтрон и электрон имеют спиновое квантовое число 1=½. В связи с тем, что при переходе нейтрона в протон закон сохранения спина не нарушается, должна появиться ещё одна частица со спиновым квантовым числом I=-i/2, называемая антинейтрино. Аналогичная частица со спиновым квантовым числом I=i/2 названа нейтрино.

Закон сохранения энергии. В противоположность спектрам а-частиц, спектры рчастиц не имеют линий, а представляют собой непрерывное распределение энергии от нуля до максимального значения Ермаке, равного разности энергий распада и отдачи. Средняя энергия -0,4 Ермаке, т. е. большинство частиц обладают энергией, равной менее половины энергии распада. Непрерывное распределение энергии в спектрах (iчастиц вызвано тем, что испускаемое вместе с электроном антинейтрино уносит часть энергии распада. При Ер- =Ер-^акс антинейтрино является носителем только спина.

Энергии p-распада варьируются от 0.02 МэВ.

Периоды полураспада также изменяются в широком диапазоне от Ю’З с до ю¹⁶ л. Большие времена жизни p-радиоактивных ядер объясняются тем, что p-распад происходит в результате слабого взаимодействия.

Используя формулу Вайцзеккера для энергии связи ядра можно найти условия, связывающие А и Z для всех ядер, стабильных к бетараспаду. Зависимость массы ядра от его заряда имеет параболический характер (рис. и). Наиболее устойчивое ядро имеет наименьшую массу и, следовательно, соответствующее ему Z₀ может быть найдено методом определения минимума кривой. Дифференцируя формулу Вайзеккера по Z при постоянном А и приравнивая производную нулю, полущим формулу:

позволяющую по известным А и Z вычислить Z₀ для стабильного изобара.

Так как A=N+Z, формула (19) определяет соотношение между числом протонов Z и нейтронов N для ядер долины стабильности. При Z<Z_paBH ядро нестабильно к p-распаду, а при Z>Zp_aB" к р⁺-распаду и электронному захвату. При всех атомных весах р-стабильные ядра должны группироваться вокрут значений Zp_aBH. При малых A Z_paBH ~ А/2 стабильные лёгкие ядра должны иметь примерно одинаковое количество протонов и нейтронов (роль кулоновской энергии мала). С ростом А роль кулоновской энергии увеличивается, и количество нейтронов в устойчивых ядрах начинает превышать количество протонов. На рис. 11а показана парабола масс для ядер с нечётным ^=125. Стабильное ядро ¹²5Те находится в минимуме массовой параболы. ¹²⁵In, ¹²³Sn, ^{, 25}Sb подвержены p-распаду, a ^I25J, ¹²⁵Xe, ^l2sCs, ^I25Ba — р⁺-распаду. Чем больше энергия бета-распада ядер (разность масс между соседними изобарами), тем они дальше от зоны стабильности и тем сильнее склонны к радиоактивному распаду.

Рис. 11. Зависимости массы ядра от его заряда (параболы масс): а — ядра с нечётным А, б — ядра с чётным А (нечётно-нечётных и чётно-чётных ядер).

Для чётных А вместо одной параболы, за счёт энергии спаривания спинов, получаются две параболы (правая часть рис. и): для нечётно-нечётных ядер и для чётночётных. Несмотря на то, что энергия спаривания невелика по сравнению с полной энергией связи ядра (для ядер с А"юо энергия связи порядка юоо МэВ, расстояние между параболами ~2 МэВ), это приводит к важным следствиям. Некоторые нечётнонечётные ядра (например ¹²⁸J) могут испытывать как (5 -распад, так и Р⁺-распад и электронный захват. Стабильных чётно-чётных ядер значительно больше, чем стабильных ядер с нечётным А и, тем более, чем стабильных нечётно-нечётных ядер, которых всего четыре (²Н, ⁶Li, ¹⁰В, KN). При данном А стабильных чётно-чётных ядер может быть несколько (например, ^13бХе, ^13бВа, ^13бСе). Элементы с нечётным Z редко имеют больше одного стабильного изотопа, в то время как для элементов с чётным Z это не редкость (^U2Sn,^Sn, «5 $n, «^Sn, ⁿ?Sn, ^ll8Sn, «9Sn, ¹²°Sn, ^l22Sn, ¹²4Sn).

Для p-распада, как и для а-распада, получают простые и сложные спектры в зависимости от того, находится образующийся нуклид в основном или возбуждённом состоянии. Примерами чистых ризлучателей являются 9"Sr-9°Y, зН, иС, ³²Р, 35S, ²°4Т1. При рраспаде ²°F и ^з8С1 происходит также испускание у-квантов, которое связано с переходом ядра из возбуждённого состояния в основное.

При распаде ²°F наблюдается только образование ²⁰Ne в возбужденном состоянии; в таком случае говорят о запрещённом переходе. В общем случае для pраспада было показано, что период полураспада тем больше, чем больше разность спиновых квантовых чисел А1 между исходным и конечным уровнем. В случае если А1=о, 1, 2, 3 и т. д., говорят о разрешенных, а также о единожды, дважды, трижды и т. д. запрещённых переходах соответственно. Однако существуют особые случаи. Так, переход ³*Cl.

(1=2, отрицательная чётность) в возбуждённое состояние Цаг (iw>= 3,77 МэВ, 1= з, отрицательная чётность) при Д/=1 разрешён (38% распадов), поскольку чётность не изменяется. Переход в менее возбужденное состояние $Аг (?возб=2,17 МэВ, 1=2, положительная чётность), несмотря наД 1=0, запрещён вследствие изменения чётности (9% распадов).

Вероятность pперехода зависит от энергии p-распада — Е⁵.

При р⁺-распаде атомный номер вновь образованного ядра уменьшается на единицу, а массовое число практически не изменяется:

При позитронном р*-распаде из ядра вылетают позитрон и нейтрино. Позитрон — это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей.

Позитрон (от лат. Positivus — положительный и… трон), (е+) — античастица электрона. Позитрон стабилен, но в веществе из-за аннигиляции с электронами (е) существует очень короткое время. Позитрон образуется в процессах рождения пар е⁺е' гамма квантами, при распаде мюонов и т. д.

Рис. 12. Схематическое изображение р⁺-распада Позитронный распад наблюдается преимущественно у искусственных радиоактивных изотопов. Этому виду распада подвергаются ядра с избытком протонов (недостатком нейтронов). Позитрон отличается от электрона только положительным знаком заряда. Этот вид распада характерен для ядер, содержащих избыточное число протонов; ядерный протон превращается в ядерный нейтрон, позитрон и нейтрино (v):

Позитронное излучение, подобно электронному, имеет непрерывный энергетический спектр с характерной величиной максимальной энергии (рис. 13).

При р⁺-распаде атомный номер вновь образованного ядра уменьшается на единицу, а массовое число практически не изменяется:

энергии в исходном.

Так как при испускании позитрона происходит захват электрона из электронной оболочки, обеспечивающий сохранение электронейтральности атома, позитронный распад может протекать в случае, если разность и конечном состояниях превышает 1,02 МэВ, т. е. больше массы покоя двух электронов. В зависимости от значения AI говорят о разрешённых и неразрешённых переходах.

Рис. 13. Схема распада ⁹¹Мо Позитроны, испускаемые при р⁺-распаде, отдают свою энергию при упругих столкновениях и объединяются с электронами; при этом под углом 180⁰ испускаются два у-кванта с энергией 0,51 МэВ каждый, эквивалентной массе покоя обеих частиц. Появление в спектре изотопа у-излучения с энергией 0,51 МэВ является косвенным доказательством позитронного распада у этого изотопа.

Позитрон недолговечен. Он исчезает в процессе аннигиляции. В отличие от ядерного у-излучения, аннигиляционное излучение рождается вне ядра.

Электронный захват — вариант ftраспада, при котором захват ядром электрона с одной из атомных оболочек, чаще всего с ближайшей к ядру Коболочки (К-захват), реже — со следующих, Lи М-оболочек (соответственно, L и М-захват).

Если значение энергии превращения меньше 1,02 МэВ, то излучение позитронов невозможно. В этом случае материнский нуклид переходит в дочерний путём захвата электрона из оболочки (т.е. имеет место электронный захват).

Электронный захват так же, как и р⁺-распад, наблюдается при избыточном числе протонов в ядре. Если энергия ядра недостаточна для излучения позитрона, то оно может захватить периферический электрон атома, обычно с внутренней К-оболочки. Для таких электронов вероятность оказаться внутри ядра больше, чем у электронов с других оболочек. Процесс захвата электрона часто называют электронным захватом и обозначают буквами «Э.З.» (иногда — е-захват). Так как вероятность нахождения электронов /f-оболочки в атомном ядре является наибольшей, чаще всего наблюдается /f-захват (К.З.); L-захват или М-захват наблюдаются гораздо реже. Эти виды распада происходят чаще, если энергия недостаточна для отрыва прочно связанных электронов /С-оболочки.

Электронному захвату соответствует превращение протона ядра в нейтрон:

Рис. 14. Схематическое изображение К-захвата.

При этом атомный номер нового радиоактивного ядра, как и при позитронном распаде, уменьшается на единицу', а массовое число не изменяется:

На схемах электронный захват обозначают пунктирной стрелкой, направленной влево (рис. 14 и 15).

В случае захвата ядром орбитального электрона образуются два продукта: конечное ядро и нейтрино. Распределение энергий между ними является однозначным, и практически вся она уносится нейтрино. Таким.

образом, спектр нейтрино при электронном захвате является моноэнергетическим в отличие от бета-распада.

Рис. 15. Схема распада ^{, 1}^Ге.

В результате электронного захвата в /С-оболочке атома образуется вакантное место, которое занимает один из внешних орбитальных электронов. Этот переход сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения образующегося дочернего атома, что и позволяет установить наличие /С-захвата. Например, /С-захвате 2яСи наблюдается /С_п-излучение которое может использоваться для идентификации материнского нуклида.

Электронный захват и эмиссия позитронов выступают как конкурирующие реакции. Соотношение распадов путём /С-захвата и испускания позитронов сильно уменьшается с ростом энергии превращения и увеличивается с возрастанием порядкового номера при равных значениях энергии распада. Из нуклидов с А>о только для ²3⁺-распад в виде разветвлённого распада с вероятностью 0,05%.

Примером чистого излучателя позитронов является joNe. Для его дочернего нуклида F характерен распад путём К-захвата и р⁺-распада. Другой пример — распад в ряду ^sSm-H^Pm-H^Nd.

Интересным свойством электронного захвата является наличие очень слабой зависимости его скорости от химического состояния превращающихся атомов. Такая зависимость вызвана тем, что ядро захватывает электрон с какой-либо из атомных оболочек, а вероятность подобного захвата определяется строением не только отдающий ядро электрон внутренней оболочки, но и более отдалённых, в том числе и валентных оболочек. Мгновенно происходящее изменение заряда ядра при p-распаде влечёт за собой последующую перестройку электронных атомных оболочек, возбуждение, ионизацию атомов и молекул, разрыв химических связей.

При электронном захвате возможно возникновение электронов Оже.

Оже — электроны — электроны, возникающие в результате возбуждения (ионизации) атомов с передачей безызлучательным образом энергии другому электрону (оже — электрону), который может выйти в вакуум.

Оже-эффект — явление, в котором возбуждённый атом возвращается в исходное невозбуждённое состояние путём испускания электрона с энергией, характерной для данного элемента. В ходе электронного захвата электрон удаляется с внутренней оболочки атома (например, К-оболочки) и атом ионизируется. Ионизированное состояние атома неустойчиво, атом будет находиться в нём до тех пор, пока электрон с более высокой орбиты (например, с /,-оболочки) не упадёт на вакансию, созданную электроном, покинувшим атом. Выделяющаяся при этом энергия может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения, но может быть передана третьему атомному электрону, который в результате вылетает из атома, т. е. наблюдается оже-эффект (рис. 16). Энергия может передаться, например, электрону L-оболочки, который в результате будет испущен атомом. Этот электрон обладает характеристической энергией, переданной ему в результате безызлучательного перехода электрона L-оболочки на вакансию в К*-оболочке. Он называется /CL-оже-электроном.

Рис. 16. Схема образования электронов Оже