Основи радіаційної фізики, дозиметрії і радіометрії

 

 

При альфа- і бета-розпадах повинен виконуватись також закон збереження моменту імпульсу. Момент імпульсу мікрочастинки складається з власного (спінового)  і момента імпульсу орбітального, з яким мікрочастинка рухається як ціле відносно інших частинок. З квантової механіки випливає, що перехід системи в стан  з великим значенням орбітального квантового числа є малоімовірним. Тому переходи системи в результаті радіоактивного розпаду відбуваються не тільки в основний стан дочірнього ядра, а і в збуджені стани. Дочірнє ядро повинне перейти в основний стан (з мінімальною енергією) . Цей перехід може відбуватись з випромінюванням гама-фотонів. За законом збереження енергії частота випромінювання задовольняє співвідношенню

 ,                                         (3.37)

де Е1- енергія початкового стану, Е2 – кінцевого. Гама-випромінювання має дуже малу довжину хвилі    і відповідно велику енергію фотонів (10 кеВ  10 МеВ).

Гама-випромінювання, крім енергії фотонів, характеризується квантовим виходом. Квантовий вихід випромінювання є середнє число фотонів, що припадає на один розпад

 ,                                              (3.38)

де Nф – середнє число випромінюваних фотонів, Nρ – число розпадів.

При випромінюванні виконується також закон збереження моменту імпульсу

                                              (3.39)

де   - вектор моменту імпульсу випромінюваного фотона,   - вектори моментів імпульсу початкового і кінцевого станів ядра.

Моменти імпульсу мікрочастинок можуть бути виражені через відповідні квантові числа. Моментам імпульсу   вадповідають квантові числа І1 і І2, які називають спінами ядра у відповідних станах. Квантове число момента імпульсу фотона може приймати значення L=1,2,3,4… При цьому для кожного значення момента існує один стан фотона з позитивною парністю і один – з негативною. Стан з моментом L і парністю (-1)L називається електричним (Е) 2L полем (мультиполем), а з моментом L і парність  – магнітним (М) 2L полем. Нижні мультиполя мають наступні назви: диполь – при L=1, квадруполь – при L=2, секступоль – при L=3, октуполь – при L=4.

Квантове число L згідно з векторною рівністю (39) приймати значення через 1 в інтервалі

 .                             (3.40)

Період піврозпаду по відношенню до гама-переходу збільшується при збільшенні мультипольності випромінювання. Таким чином, чим більше значення L, тим менша імовірність випромінювання гама-фотонів з таким моментом імпульсу. Така залежність особливо яскраво проявляється при малих енергіях переходів, коли довжина хвилі відносно велика.

Деякі переходи являються повністю забороненими. Таким переходом є 0-0-перехід, коли ядро переходить з стану з спіном 0 в стан з спіном 0. При цьому згідно з законом збереження моменту імпульсу повинен випромінюватись фотон з моментом L=0, який не існує.

Часи життя ядра в збудженому стані вцілому невеликі і складають величину 10-7-10-11с. В рідких випадках при наявності високого степеня заборони (імовірність переходу дуже мала) в поєднанні з малою енергією переходу можуть спостерігатись ядра з часом життя в збудженому

стані макроскопічного порядку (до кількох годин і більшим). Такі довгоживучі стани називають ізомерами. Прикладом ізомерного стану є ядро  , схема енергетичних рівнів якого показана на рис.3. Перехід з першого збудженого стану   на основний   згідно з (40) і законом збереження парності має мінімальну мультипольність 24 (магнітний перехід   з L = 4). Цей перехід сильно заборонений, тому час життя в збудженому стані дорівнює 14,4 години.

 

Ядро, що знаходиться в збудженому стані, може перейти в основний стан не тільки шляхом випромінювання гама-фотона, а і шляхом передачі енергії збудження одному з електронів атомної оболонки (найчастіше К-оболонки). Такий процес носить назву внутрішньої конверсії. Внутрішня конверсія часто конкурує з гама-випромінюванням, тому квантовий вихід гама-випромінювання  . В процесі внутрішньої конверсії випускається електрон, енергія якого дорівнює енергії збудження ядра Езб, зменшену на енергію зв’язку електрона в атомній оболонці

 .                                               (3.41)

Моноенергетичність електронів, що вилітають з ядра при внутрішній конверсії дозволяє відрізнити їх від бета-частинок, спектр енергій яких неперервний. Наприклад, спектр електронів, які вилітають з ядер ізотопу ртуті   при бета “-“-розпаді, має форму, наведену на рис. 4. З рисунку видно, що вузькі піки в залежності функції розподілу електронів f(E) відповідають енергії збудженого рівня кінцевого ядра талію   (Езб=279 кеВ), зменшеній на енергію зв’язку відповідної електронної оболонки. З графіка можна зробити висновок, що піки в розподілі електронів являються конверсійними, а наявність декількох близьких піків

відповідає вибиванню електронів з різних електронних оболонок. По віддалі між цими піками можна визначити, на якому іменно елементі відбувається внутрішня конверсія.