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.

 

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.

Спонтанное деление это процесс радиоактивного распада, при котором материнское ядро распадается в основном состоянии и без всякого влияния извне на два осколка с близкими массами. Например, при делении ядра урана могут образовываться осколочные ядра Ba и Kr, La, Br и так далее.

Процесс спонтанного деления принято обозначать буквой f.

Спонтанное деление атомных ядер особый процесс, характерный только для самых тяжелых ядер, начиная от тория и дальше в сторону больших Z. Обнаружено, что периоды полураспада спонтанного деления изотопов уменьшаются с увеличением порядкового номера Z (табл.4.2).

 

Таблица 4.2. Периоды полураспада спонтанного деления тяжелых ядер

Ядро	U	Pu	Cm	Cf	Fm
Т1/2,	3.0 ·1017лет	7.4 ·1010лет	6.0·106лет	5 час	2.6 час с

Для нечетных ядер значение периода полураспада спонтанного деления в среднем на 3-4 порядка больше, чем среднее значение периодов полураспада соседних четно-четных рядов. Для нуклидов с числами протонов и нейтронов близкими к магическим числам Z=114 и N=184, рассчитаны очень большие периоды полураспада спонтанного деления, что является предпосылкой для поиска еще не известных сверхтяжелых элементов.

Спонтанное деление, как и альфа-распад, можно объяснить с помощью туннельного эффекта, который наблюдается только у самых тяжелых ядер (Z>90, А>230). Известно лишь небольшое число нуклидов (²⁵⁰Cm, ²⁵⁴Cf, ²⁵⁶Fm, ²⁶⁰Rf), для которых спонтанное деление преобладает над другими видами распада.

Спонтанное деление хорошо описывается моделью жидкой капли. Делению способствует кулоновское отталкивание между протонами, энергия которого (U_кул) в сферическом ядре с радиусом R пропорциональна Z²/ R; делению препятствует, стремящееся сохранить сферическую форму ядра поверхностное натяжение, его энергия(U_п.н.) пропорциональна R². В результате способность ядер к делению возрастает с увеличением отношения U_кул /U_п.н., пропорционального Z²/ R³, а тем самым параметру деления Z²/А, поскольку объем ядра пропорционален числу содержащихся в ядре нуклонов А.

Согласно капельной модели атомного ядра периоды полураспада спонтанного деления уменьшаются с ростом отношения Z²/А и нуклиды с Z²/А>44,8 должны быть вообще нестабильными к спонтанному делению. Энергетической выгодности спонтанного деления отвечает условие Z²/А 16, мгновенному делению - Z²/А 47.

Каждый акт спонтанного деления сопровождается испусканием одного или нескольких нейтронов. Осколки деления оказываются перегруженными нейтронами и испытывают последовательно ряд b - распадов:

стаб.

Cf +3n

 

Для каждого типа ядер характерно среднее число нейтронов, выделяемое в процессе каждого акта спонтанного деления. Например, для U это число равно 2.30, для Pu - 2.28, Cm - 2.59, Cf - 3.84 и Fm - 4.05.

Чаще всего спонтанное деление составляет лишь небольшую часть от общего альфа - распада.

Спонтанное деление и вслед за ним – альфа - распад есть основные виды радиоактивного распада, ограничивающие перспективы получения новых трансурановых элементов.

Именно спонтанное деление определяет границы существования химических элементов, составляющих наш мир.