Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

Теорія -розпаду, що спирається на явище тунельного ефекту підтверджує емпіричний закон Гейгера-Неттола

 , (8.21)

де А і В – константи,  – стала розпаду, R – пробіг -часинки, який, очевидно, пропорційний до її енергії E. Цей закон показує, що менш стабільні ядра дійсно випромінюють -частинки з більшою енергією.

8.3.3. Існує три типи -розпаду:  – -розпад (ядро випромінює електрон  ),  +-розпад (ядро випромінює позитрон ) і так зване електронне захоплення (ядро поглинає один з електронів К–, рідше L–, чи М– шару свого атома).  – розпад відбувається за схемою

 , (8.22)

з якої випливає, що при  –-розпаді масове число дочірнього ядра не змінюється, а зарядове число змінюється на одиницю; наприклад,  . Як і при -розпаді, енергія реакції -розпаду визначається за дефектом мас реакції і лежить в межах від десятків кеВ до десятків МеВ. 

Пояснення  –-розпаду зустрілось з труднощами:

1. незрозумілим було походження електрона (електронів у ядрах немає);

2. незрозумілим був неперервний характер  –-спектрів ядер (мал.8.6);

3. було незрозуміло, чому при -розпаді не змінюється спін ядра.

Ці труднощі усунули В. Паулі та Е. Фермі (1930–1934 рр.). Вони висунули гіпотезу, що електрон при  –-розпаді виникає в ядрі разом з антинейтрино  за рахунок процесу перетворення нейтрона в протон:

 . (8.23)

Антинейтрино не має маси спокою і електричного заряду, його  спін  . Процес (8.23) – можливий енергетично, бо  ; він пояснює походження електрона при  –-розпаді, а також – незмінність масового числа і зростання зарядового числа дочірнього ядра на одиницю (протон  залишається в ядрі). Виліт з ядра двох партнерів (електрона і антинейтрино), спіни яких компенсуються, усуває трудність зі спіном при -розпаді, а також пояснює неперервний характер  –-спектру, бо максимальна енергія  –-розпаду Emax розподіляється між двома партнерами випадково. Походження -променів, що супроводжують  –-розпад – таке ж, як і при -розпаді: дочірнє ядро може виникати у збуджених станах, випромінюючи -кванти при переходах у більш низькі стани.

 +-розпад відбувається за схемою

 , (8.24)

наприклад,  . Він супроводжується випромінюванням позитрона   і нейтрино  , які є античастинками, відповідно, для електрона   і антинейтрино  . Цей вид -розпаду має місце для штучно-радіоактивних ядер, які мають надлишок протонів над нейтронами. Його можна пояснити за рахунок процесу перетворення протона в нейтрон:

 . (8.25)

Для вільного протона цей процес неможливий, бо  ; в ядрі ж протон може запозичити потрібну енергію від інших нуклонів ядра.

Реакція електронного захоплення має вигляд

 , (8.26)

що можна пояснити перетворенням протона в нейтрон:

 . (8.27)

Захоплення електрона ядром супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, яке обумовлене перебудовою електронної оболонки атома внаслідок виникнення електронної вакансії в ній. По цьому випромінюванню Л. Альверс і відкрив К-захоплення, у 1937 р. Прикладом цього процесу може бути перетворення калію в аргон:

 

Суттєва для пояснення -розпаду гіпотеза нейтрино Паулі-Фермі стала початком вивчення так званої слабкої взаємодії, відповідальної за ряд перетворень елементарних часток. Ця гіпотеза була підтверджена експериментально у 1956 році Ф. Райнісом і К. Коуеном. При роботі на реакторі, що давав потужний потік нейтронів (і антинейтрино) їм вдалося підтвердити реакцію

 , (8.28)

яка, фактично, є оберненням реакції (8.23).

У цьому ж році Р. Девіс підтвердив також існування електронного нейтрино  . Пізніше було виявлено й інші типи нейтрино і антинейтрино: мюонне ( ) і таонне ( ); вони з’являються в процесах взаємодії з мюонами   і   – лептонами. Доведено, що   – різні частинки, як і їх античастинки  .

8.3.4. Важливим для практичних застосувань радіоактивності є поняття активності. Під активністю радіоактивного зразка розуміють число розпадів, які відбуваються в ньому за одиницю часу,

 . (8.29)

З (8.13) випливає, що

 , (8.30)

тобто активність змінюється з часом за законом

 , (8.31)

де   – активність при  . Одиницею активності в СІ є 1 бекерель [Бк], що відповідає одному розпадові за секунду. Позасистемними одиницями активності є 1 кюрі [Кі] та 1 резерфорд [Рд]; 1 Кі = 3,71010 Бк, 1 Рд = 106 Бк.

За відомою активністю може бути розрахована експозиційна, поглинута та еквівалентна доза радіації і потужність дози (доза, віднесена до часу опромінення).

Експозиційна доза Дексп є мірою іонізації повітря рентгенівським або -випромінюванням. Вона чисельно рівна відношенню сумарного заряду всіх іонів одного знаку Q, створених в елементарному об’ємі повітря вторинними частинками при їх повному гальмуванні, до маси m повітря в цьому об’ємі  . Одиницею експозиційної дози є  , позасистемною одиницею