Y распадом называется испускание ядрами некоторых элементов. Энергетические соотношения при b-распаде. О теории бета-распада

4. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
4.1 Явление радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада. Период полураспада.

Радиоактивностью называется явление самопроизвольного распада ядра с превращением его в другие ядра и рождением элементарных частиц. Ядра, которые подвержены такому процессу, называются радиоактивными. Общая схема радиоактивного распада записывается в виде:

Здесь

- материнское ядро, - дочернее ядро, - другие частицы. В процессе радиоактивного распада может меняться как массовое число, так и зарядовое число.

К числу радиоактивных процессов относятся: - распад, - распад, - распад, спонтанное деление тяжелых ядер, протонная радиоактивность.

Радиоактивность является свойством энергетического состояния ядра. Повлиять на ход радиоактивного распада можно только, изменив состояние ядра. Процесс радиоактивности является статистическим процессом. Мы не можем говорить о том, через какое время распадется данное ядро. Одинаковые ядра распадаются через разное время. Взяв большое число одинаковых ядер можно определить время, за которое распадается половина ядер. Это время называется периодом полураспада

. Период полураспада различен для разных элементов, но всегда один и тот же для данного изотопа. Диапазон изменения времени полураспада очень велик. Так для различных - радиоактивных ядер он лежит в пределах от 10 -7 секунд до 10 15 лет.

Число радиоактивных распадов за время

определяется только количеством ядер

на момент времени:

. (4.2)

Здесь коэффициент пропорциональности называется постоянной распада. Знак минус означает убывание радиоактивных ядер в процессе распада. Уравнение (4.2) представляет собой закон радиоактивного распада в дифференциальной форме записи. Интегрируя данное уравнение, найдем:

, (4.3)

где - начальное число ядер. Подставив в данную формулу вместо времени период полураспада и взяв

, найдем связь между постоянной распада и периодом полураспада:

. (4.4)

Уравнение (4.3) показывает, что число радиоактивных ядер уменьшается со временем по экспоненциальному закону.

Среднее время жизни ядра:

. (4.5)

За время число радиоактивных ядер уменьшается в раз.

Среднее число ядер, распадающихся за время ,

. (4.6)

Величина

(4.7)

называется средней активностью ядер.

4.2 Альфа-распад.

Альфа - распадом называется процесс самопроизвольного испускания тяжелыми ядрами - частиц (ядер гелия):

. (4.8)

При - распаде зарядовое число исходного ядра уменьшается на два, массовое число – на четыре.

Альфа – распад идет для тяжелых ядер. Для большинства - радиоактивных ядер

83. При этом выделяется энергия

Данная энергия превращается в кинетическую энергию дочернего ядра и - частицы

. (4.10)

При этом - частица уносит практически всю энергию, выделяющуюся в процессе распада. Альфа-частицы, вылетающие из ядер одного сорта, имеют, как правило, одну и ту же определенную энергию. Использование точных методов измерения энергии - частиц привело к открытию тонкой структуры - спектров. Оказалось, что ядра одного сорта испускают - частицы не с одним значением кинетической энергии, а с несколькими близкими значениями.

Энергии - частиц, вылетающих из ядер различного сорта, имеют энергии в пределах от 4 до 9 МэВ (при распаде редкоземельных металлов от 2 до 4,5 МэВ).

4.3 Законы сохранения при - распаде.

Альфа-распад обусловлен сильным взаимодействием и для разрешенных - переходов должны выполняться все известные законы сохранения. Эти законы накладывают определенные ограничения на разрешенные - переходы.

Закон сохранения изотопического спина требует, чтобы изотопический спин дочернего ядра был равен изотопическому спину материнского ядра (изотопический спин - частицы равен нулю). Допустимые значения орбитального момента - частицы ограничены законом сохранения момента

, (4.11)

где

- спины материнского и дочернего ядер, соответственно. Из закона сохранения четности следует, что орбитальный момент - частицы в (4.11) должен быть четным, если четности материнского и дочернего ядер совпадают, и нечетным, если эти четности различны.

Поскольку - распад идет с выделением энергии (4.9), то энергетическое условие распада состоит в том, что масса материнского ядра должна быть больше суммы масс дочернего ядра и - частицы. Распределение кинетической энергии между дочерним ядром и - частицей происходит в согласии с законом сохранения импульса

. (4.12)

Считаем, что материнское ядро покоится:

. Отсюда и из

,

находим

.

Поскольку

окончательно получаем:

. (4.13)

Поскольку масса дочернего ядра намного превышает массу - частицы из данной формулы следует, что основная часть энергии распада уносится - частицей, как и было, сказано ранее.

Если - распад происходит в соответствии с переходом между основными состояниями материнского и дочернего ядер (рис. 4.1), то - частицы имеют строго определенную энергию.

Материнское и дочернее ядра имеют возбужденные энергетические уровни энергии. Между такими уровнями возможен - распад, если он не запрещен какими-либо законами сохранения. Если - распад происходит из основного состояния материнского ядра в одно из возбужденных состояний дочернего ядра (рис. 4.2), то возникает тонкая структура - спектра.

6,203 МэВ

0 Рис. 4.1

6,203МэВ

0,473 - распады

Распады

0

Рис. 4.2

Если переход происходит между возбужденным состоянием материнского ядра и основным состоянием дочернего ядра, то появляются длиннопробежные - частицы с большой энергией. На рис. 4.3 изображена схема - распада ядра

, которое образуется в результате - распада ядра либо в основном, либо в возбужденном состоянии. Альфа-частицы, испускаемые ядром полония с возбужденных состояний, являются длиннопробежными.

10,746

Распады
9,675
- распады - распады

0

Рис. 4.3

Как видно из рис. 4.3, распад ядра полония из возбужденного состояния возможен двумя способами (- и - распады). Постоянные данных распадов связаны неравенством

,

вероятность второго процесса много больше вероятности первого. Это приводит к уменьшению интенсивности длиннопробежных - частиц по сравнению с ожидаемой интенсивностью по числу - распадов.

4.4 Механизм - распада.

Альфа – распад с энергетической точки зрения возможен в том случае, когда энергия распадающегося ядра больше суммы энергий образующегося ядра и - частицы. При этом следует ожидать, что - распад для таких ядер должен происходить практически мгновенно (точнее за время , где - радиус ядра и - скорость - частицы). Однако, это не так. Времена жизни - радиоактивных ядер много больше характерного ядерного времени . Одной из основных причин, которая приводит к сравнительно большим временам жизни - радиоактивных ядер, является квантовомеханический характер - распада, вследствие которого - частица вынуждена преодолевать кулоновский потенциальный барьер.

Рассмотрим кривую потенциальной энергии системы ядро + частица в зависимости от расстояния от центра ядра (рис. 4.4). Вне ядра потенциальная энергия - частицы определяется электростатическим кулоновским отталкиванием. При значении

кривая потенциальной энергии имеет максимум. При значениях

в силу вступают короткодействующие ядерные силы. Кривая потенциальной энергии резко, почти вертикально, уходит вниз. Внутри ядра потенциальная энергия отрицательна, а ее точный вид неизвестен. При этом, вообще говоря, следует рассматривать материнское ядро как систему нуклонов, а не систему ядро + - частица. Однако, для рассмотрения основных закономерностей - распада можно считать, что - частица существует в ядре в виде отдельного образования. Потенциальная энергия самой - частицы внутри ядра положительна.

Рис. 4.4
Таким образом, область под кулоновской энергией отталкивания для - частицы является потенциальным барьером с высотой . Высота потенциального барьера для тяжелых ядер составляет порядка 30 МэВ. Альфа – частицы, вылетающие из ядра, имеют энергию, которая не превышает 10 МэВ. С точки зрения классической (неквантовой) теории процесс - распада невозможен. Однако, - частица является квантовой частицей и подчиняется законам квантовой механики. Квантовые частицы имеют вполне определенную вероятность прохождения сквозь потенциальный барьер (туннельный эффект). Доля частиц, прошедших через потенциальный барьер, равная отношению потоков частиц на границах барьера (коэффициент прозрачности), может быть определена следующей приближенной формулой:

. (4.14)

Выражение для постоянной радиоактивного распада получается в результате перемножения коэффициента прозрачности на вероятность того, что - частица оказывается на поверхности ядра. Если - частица имеет в ядре скорость , то за одну секунду она будет находиться на поверхности ядра порядка

раз. Скорость - частицы можно оценить из соотношений неопределенности:

. Следовательно,

. (4.15)

Постоянная распада существенным образом зависит от показателя экспоненты, в который входят энергия - частицы и радиус ядра. Сильная зависимость постоянной распада от энергии - частиц приводит к тому, что незначительное изменение этой энергии существенно влияет на вероятность распада и среднее время жизни - радиоактивных ядер. Для тяжелых ядер - частицы, имеющие энергию около 9 МэВ, вылетают из ядра практически мгновенно, - частицы с энергиями меньше 4 МэВ, способны находиться в ядре очень большое время. Зависимость постоянной распада от радиуса ядра позволяет по экспериментальным данным - распада находить радиусы ядер.

4.5 Бета – распад.

Бета – распадом называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра с зарядовым числом в ядро – изобар с зарядовым числом

. В результате - распада испускается электрон (позитрон) или происходит захват электрона. В первом случае говорят о - распаде ( - распаде), во втором о - захвате. Период полураспада - радиоактивных ядер изменяется от 10 -2 с до 10 16 лет. Столь широкий диапазон периодов полураспада - радиоактивных ядер связан с тем обстоятельством, что при - распадах, вообще говоря, происходит перестройка ядра. Период полураспада и другие характеристики - распада в значительной степени зависят от сложности такой перестройки.

Что касается области - радиоактивных ядер, то она много шире области - радиоактивных ядер. - радиоактивные ядра имеются во всей области значений массового числа .

Рассмотрим примеры - превращений ядер. 1. - распад трития:

, 2. - распад:

, 3. - захват:

. Все - превращения ядер обусловлены слабым взаимодействием, являются внутринуклонными процессами (в ядрах нейтрон переходит в протон, или наоборот) и, как говорилось выше, связаны с перестройкой ядер, как этого требуют законы сохранения энергии и момента импульса. Подчеркнем, что в отличие от - превращений - распад является внутриядерным процессом и обусловлен сильным взаимодействием.

4.6 Энергетический баланс - превращений ядер. Нейтрино.

Первым процессом - превращения, который изучался, был - распад, происходивший по схеме

. (4.16)

Процесс, определяемый формулой (4.16), относится к двухчастичным процессам. Для таких процессов, энергия распада, т.е. кинетическая энергия образующихся частиц, равна разности масс начальной и конечных частиц. Энергия отдачи, образующегося ядра, мала, и ею можно пренебречь. В согласии с этим следует ожидать, что кинетическая энергия образующихся электронов должна иметь определенное значение. Однако, как показали эксперименты, электроны имеют непрерывный энергетический спектр. Рассмотрим для примера распад свободного нейтрона:

. (4.17)

Данный процесс распада свободного нейтрона энергетически возможен, поскольку масса нейтрона больше суммы масс протона и электрона. Исследования показали, что энергетический спектр электрона в распаде (4.17) является непрерывным; кинетическая энергия электрона может принимать значения от нуля до некоторого максимального значения (рис. 4.5 – распределение образующихся электронов по энергиям при распаде свободного нейтрона).

1

100 800 , КэВ

Рис. 4.5
Имеются спектры более сложной формы. При этом все они обладают следующими свойствами: энергетические спектры являются плавными (не имеют острых пиков); существует максимальная энергия, при которой спектр обрывается.

Энергетический спектр образующихся электронов объясняется на основе предположения, что наряду с электроном в процессе - распада образуется еще одна частица, которая уносит часть кинетической энергии. Такая частица (нейтрино) была предсказана В. Паули в 1930 г. и была открыта в 50-е годы. На самом деле, существуют две частицы: нейтрино и антинейтрино (частица и античастица). О различии между нейтрино и антинейтрино будет сказано позднее. Сейчас отметим, что в распаде нейтрона (4.17) вместе с электроном образуется антинейтрино. В связи с этим распад нейтрона следует записывать в виде

. (4.18)

Нейтрон в согласии с формулой (4.18) является нестабильной частицей. Период полураспада его 11,7 минут.

В ядрах возможен процесс распада протона:

. (4.19)

Здесь - позитрон, частица, которая является античастицей по отношению к электрону. Позитронный распад (4.19) для свободного протона невозможен, т.к. масса протона меньше массы нейтрона. Для протона, находящегося в ядре, такой распад возможен, т.к. недостаток энергии восполняется ядром.

Процессы и - превращений ядер обусловлены процессами (4.18) и (4.19), соответственно. Общие схемы - превращений ядер записываются в виде:

Следует обратить особое внимание, что изначально электроны, позитроны, нейтрино не существуют в ядре, а рождаются в процессе распада. На это четко указывает процесс распада свободного нейтрона.

Процесс - захвата состоит в том, что ядро захватывает один из электронов из электронной оболочки собственного атома. При этом один из протонов в ядре, как и в позитронном распаде, превращается в нейтрон:

. (4.21)

Данный процесс сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, которое отвечает переходу электронов на свободное место в электронной оболочке атома, образующегося в результате - захвата.

Перейдем к обсуждению энергетического баланса различных - превращений. Это обсуждение тесным образом связано с проблемой массы нейтрино. Долгое время масса нейтрино считалась равной нулю. В этом случае, необходимое условие - превращений получается, по следующей схеме. Рассмотрим - распад, протекающий в согласии с первой формулой (4.20). Распад разрешен, если выполняется условие:

,

где

- массы ядер, лишенных своих электронных оболочек, - масса электрона. В последней формуле следует перейти к массам нейтральных атомов, которые определяются по данным масс-спектроскопии и приводятся в соответствующих таблицах. Данный переход осуществляется согласно формулам:

В последних формулах мы пренебрегаем разностью энергий связи электронов в атомах. Из данных соотношений получаем энергетическое условие для - распада в виде

(- распад). (4.22)

Аналогично получаются энергетические условия для других - превращений:

( - распад) (4.23)

, (- захват) (4.24)

где

- массы исходного и конечного атомов.

Формулы (4.22) – (4.24) получаются в предположении, что масса нейтрино равна нулю, как предполагали ранее. Данное предположение не вытекает из каких-либо теоретических соображений. Последние измерения показывают, что масса нейтрино хотя и мала, но не равна нулю. Эти измерения производятся на основе кривых энергетического спектра электронов (рис. 4.5), а точнее участка кривой вблизи максимальной энергии. Такие исследования позволяют исследовать не только возможную верхнюю границу массы нейтрино, но и нижнюю границу. При этом для верхней границы массы нейтрино были получены результаты до 18 эВ.

Рассмотрим другие характеристики нейтрино. В соответствии с законом сохранения электрического заряда электрический заряд нейтрино и антинейтрино равен нулю. В процессе - превращений массовое число ядра не меняется. Поскольку спин ядра (целый или полуцелый) определяется массовым числом, то в процессе - распада характер спина ядра не меняется. Электрон (позитрон) уносит спин ½, что должно приводить к изменению спина ядра. Данное противоречие устраняется, если нейтрино приписать полуцелый спин. Результаты теоретических исследований по расчету энергетических спектров - превращений дают для спина нейтрино и антинейтрино значение ½. Таким образом, нейтрино и антинейтрино являются фермионами.

Процесс распада нейтрона на протон и электрон (4.17) не наблюдается в природе, в частности по той причине, что в нем не выполняется закон сохранения лептонного заряда. По определению считают, что лептонный заряд нуклонов, а соответственно и ядер, равен нулю; лептонный заряд электрона L = +1, для позитрона L = -1; для нейтрино следует взять L = +1 и для антинейтрино L = -1. Ненулевой лептонный заряд приписывается и ряду других частиц (лептоны). По предположению лептонный заряд сохраняется во всех процессах. Подробнее данный закон сохранения будет рассмотрен при обсуждении класса частиц – лептонов. Очевидно, что превращения (4.20) и (4.21) идут в согласии с законом сохранения лептонного заряда.

Нейтрино и антинейтрино приписывается еще одна характеристика – спиральность. Спиральность частицы определяется как проекция спина на направление импульса частицы:

. (4.25)

Данное число может быть положительным или отрицательным. В первом случае говорят о положительной спиральности частицы, во втором – об отрицательной спиральности. Нейтрино имеет отрицательную спиральность, антинейтрино – положительную. Если считать массу нейтрино равной нулю, то нейтрино должно двигаться со скоростью света. При этом преобразования Лоренца не меняют направление импульса нейтрино при переходе к движущейся системе отсчета. Это означает, что спиральность остается прежней, т.е. при данном допущении (равенство нулю массы нейтрино) определение спиральности частицы является инвариантным. При условии, что масса частицы не равна нулю, последнее утверждение не является справедливым, т.к. частица должна двигаться со скоростью меньше скорости света, и имеются системы отсчета, по отношению к которым направление импульса меняется на противоположное.

4.7 Правила отбора при - превращениях.

Будет ли - распад разрешенным или запрещенным зависит от четности и момента материнского и дочернего ядер. Для этого необходимо определить полный момент и четность, уносимые парой электрон + антинейтрино. В разрешенных переходах - распада электрон и антинейтрино испускаются с

. Испускание данных частиц со значениями

маловероятно и отвечает запрещенным переходам. Это утверждение следует из того, что - распад является внутринуклонным процессом, т.е. электрон и антинейтрино вылетают практически из одной точки. При данных условиях их относительный орбитальный момент должен быть равен нулю. Согласно этому полный момент пары электрон + антинейтрино для разрешенных переходов должен быть равен

, (4.26)


. (4.27)

Четность пары частиц электрон + антинейтрино равняется

. Поскольку , четность ядра для разрешенных переходов не меняется. Согласно формуле (4.26) полный момент ядра не меняется:

(правило отбора Ферми). В согласии с (4.27) изменения полного момента ядра

(за исключением 0 – 0 перехода) (правило отбора Гамова - Теллера).

Рассмотрим распады:

, (4.28)

. (4.29)

Данные распады являются разрешенными. Первый из них является фермиевским переходом (0 + - 0 +), второй – гамов – теллеровским переходом (0 + - 1 +). Распад нейтрона (4.18) (1/2 + - 1/2 +) является смешанным, т.к. он может происходить как за счет фермиевских, так и гамов – теллеровских переходов. Изоспин ядра в случае фермиевских переходов не меняется, т.е.

. Для гамов – теллеровсих переходов

(кроме 0 – 0 переходов по изоспину).

Разрешенные переходы делятся на сверхразрешенные и нормально разрешенные. Сверхразрешенные переходы отвечают переходам, при которых структура ядра практически не меняется. Примером такого перехода является распад трития:

. (4.30)

Ядра трития и гелия имеют одинаковые нуклонные конфигурации

и получаются друг из друга заменой нуклона одного сорта на нуклон другого сорта. В случае нормально разрешенных переходов структура ядра меняется, но несущественным образом. Например, может происходить переориентация спина одного нуклона относительно орбитального момента. Примером нормально разрешенного распада является распад

. (4.31)

Здесь протон, находившийся в состоянии

, превращается в нейтрон в состоянии

.

4.8 Нарушение закона сохранения пространственной четности в - распадах.

Бета – распад обусловлен слабым взаимодействием. Как говорилось выше в процессах, обусловленных слабым взаимодействием, нарушается закон сохранения четности. Рассмотрим данную проблему применительно к - распаду. Более подробно данная проблема будет обсуждаться в разделе, посвященном элементарным частицам.

Закон сохранения четности выполняется для процессов, идущих под управлением сильного и электромагнитного взаимодействий. Он связан с преобразованием пространственной инверсии

(4.32)

и с зеркальной симметрией пространства. Преобразование (4.32) переводит правостороннюю систему координат в левостороннюю систему и эквивалентно отражению в плоскости. Последнее утверждение иллюстрируется рис. 4.6, а) и в).

Закон сохранения четности означает, что процессы, идущие в природе, должны протекать одинаково в правосторонней и левосторонней системах координат. В частности, если в ядерной реакции не сохраняется четность, то реакция будет по-разному описываться в правой и левой системах координат.

Первые опыты по обнаружению несохранения пространственной четности в - распадах проводились в 1957 г. Ц. Ву по предложению Ц. Ли и Ч. Янга. При этом изучалось угловое распределение электронов при

распаде ориентированных в магнитном поле ядер кобальта

. Ядра кобальта, используемые в экспериментах, распадались по схеме, изображенной на рис. 4.7.

0 +
Рис. 4.7

Из приведенной схемы видно, что - распад происходит с изменением спина

, четность ядра при этом сохраняется. Для такого процесса распада характерным является вылет электрона и антинейтрино в противоположные стороны. Опыты Ву показали, что электроны летят преимущественно в сторону против спина ядра. Объединяя результаты опытов со схемой распада ядер кобальта, схему распада можно представить в виде рис. 4.8.

Ядра атомов устойчивы, но изменяют свое состояние при нарушении определенного соотношения протонов и нейтронов. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и, следовательно, ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента. При этом процессе испускаются ядерные излучения.

Существуют следующие основные типы ядерных превращений или виды радиоак­тивного распада: альфа-распад и бета-распад (электронный, позитронный и К-захват), внутренняя конверсия.

Альфа-распад – это испускание ядром радиоактивного изотопа альфа-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей двух протонов и двух нейтронов распадающееся ядро превращается в другое ядро, в котором число протонов (заряд ядра) уменьшается на 2, а число частиц (массовое число) на 4. Следовательно, при данном радиоактивном распаде в соответствии с правилом смещения (сдвига), сформулированным Фаянсом и Содди (1913 г.), образующийся (дочерний) элемент смещен влево относительно исходного (материнского) на две клетки влево в периодической системе Д. И. Менделеева. Процесс альфа-распада в общем виде записывается так:

где X– символ исходного ядра;Y– символ ядра продукта распада; 4 2 He– альфа-частица,Q– освобожденный избыток энергии.

Например, распад ядер радия-226 сопровождается испусканием альфа-частиц, при этом ядра радия-226 превращаются в ядра радон-222:

Энергия, выделяющаяся при альфе-распаде, делится между альфа-частицей и ядром обратно пропорционально их массам. Энергия альфа-частиц строго связана с периодом полураспада данного радионуклида(закон Гейгера-Неттола). Это говорит о том, что, зная энергию альфа-частиц, можно установить период полураспада, а по периоду полураспада идентифицировать радионуклид. Например, ядро полония-214 характеризуется значениями энергии альфа-частиц Е = 7,687 МэВ и Т 1/2 = 4,510 -4 с, тогда как для ядра урана-238 Е = 4,196 МэВ и Т 1/2 = 4,510 9 лет. Кроме того, установлено, что чем больше энергия альфа-распада, тем быстрее он протекает.

Альфа-распад – достаточно распространенное ядерное превращения тяжелых ядер (уран, то­рий, полоний, плуто­ний, и др. с Z > 82); в настоящее время известно более 160 альфа-излучающих ядер.

Бета-распад – самопроизвольные превращения нейтрона в протон или протона в нейтрон внутри ядра, сопровождающиеся испусканием электроновили позитронов и антинейтриноили нейтрино е.

Если в ядре имеется излишек нейтронов (“нейтронная перегрузка” ядра), то происходит электронный бета-распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, испуская при этом электрон и антинейтрино:

.

При этом распаде заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего ядра увеличивается на 1, а массовое число не изменяется, т. е. дочерний элемент сдвинут в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку вправо от исходного. Процесс бета-распада в общем виде записывается так:

.

Таким способом распада­ются ядра с избытком нейтронов. Например, распад ядер стронция-90 сопровождается испусканием электронов и превращением их в иттрий-90:

Часто ядра элементов, образующихся при бета-распаде, имеют из­быточную энергию, которая высвобождается испусканием одного или не­скольких гамма-квантов. Например:

Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный бета-распад, при котором ядро испускает позитрон и нейтрино в результате превращения протона в нейтрон внутри ядра:

Заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего элемента уменьшается на 1, массовое число не изменяется. Дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку влево от материнского:

Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов. Напри­мер, распад изотопа фосфора-30 с образованием кремния-30:

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома “лишний” электрон (слабо связанный с ядром) или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару “позитрон-электрон”. Вследствие того, что частица и античастица мгновенно взаимоуничтожаются с выделением энергии, то образованная пара превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (e + иe -). Процесс превращения пары “позитрон-электрон” в два гамма-кванта носит название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение называется аннигиляционным. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую (излучение). Это подтверждается существованием обратной реакции – реакции образования пары, при которой электромагнитное излучение достаточно высокой энергии, проходя вблизи ядра под действием сильного электрического поля атома, превращается в пару “электрон-позитрон”.

Таким образом, при позитронном бета-распаде в конечном результате за пределы материнского ядра вылетают не частицы, а два гамма-кванта, обладающие энергией в 0,511 МэВ каждый, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц – позитрона и электрона E= 2m e c 2 = 1,022 МэВ.

Превращение ядра может быть осуществлено путем электронного за­хвата, когда один из протонов ядра самопроизвольно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (K,Lи т. д.), чаще всего с К-оболочки, и превращается в нейтрон. Такой процесс на­зывают также К-захватом. Протон превращается в нейтрон согласно следующей реакции:

При этом заряд ядра уменьшается на 1, а массовое число не изменяется:

Например,

При этом место, освобожденное электроном, занимает электрон с внеш­них оболочек атома. В результате перестройки электронных оболочек испус­кается квант рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, т. к. количество протонов в ядре при электронном захвате уменьшается на единицу. Таким образом, этот тип распада приводит к тем же результатам, что и позитронный бета-распад. Характерен он, как правило, для искусственных радионуклидов.

Энергия, выделяемая ядром при бета-распаде конкретного радионуклида, всегда постоянна, но ввиду того, что при этом типе распада образуется не две, а три частицы: ядро отдачи (дочернее), электрон (или позитрон) и нейтрино, то энергия по-разному в каждом акте распада перераспределяется между электроном (позитроном) и нейтрино, т. к. дочернее ядро всегда уносит одну и ту же порцию энергии. В зависимости от угла разлета нейтрино может уносить большую или меньшую энергию, в результате чего электрон может получить любую энергию от нуля до некоторого максимального значения. Следовательно, при бета-распаде бета-частицы одного и того же радионуклида имеют различную энергию, от нуля до некоторого максимального значения, характерного для распада данного радионуклида.По энергии бета-излучения практически невозможно произвести идентификацию радионуклида.

Некоторые радионуклиды могут распадаться одновременно двумя или тремя способами: путем альфа- и бета-распадов и через К-захват, сочетанием трех типов распадов. В таком случае превращения осуществляются в строго определенном соотношении. Так, например, естественный долгоживущий радиоизотоп калий-40 (Т 1/2 =1,4910 9 лет), содержание которого в природном калии составляет 0,0119 %, подвергается электрон­ному бета- распаду и К-захвату:

(88 % – электронный распад),

(12 % – К- захват).

Из описанных выше типов распадов, можно сделать вывод, что гамма-распада в “чистом виде” не существует. Гамма-излучение только лишь может сопутствовать различным типам распадов. При испускании гамма-излучения в ядре не изменяются ни массовое число, ни его заряд. Следовательно, природа радионуклида не изменяется, а меняется лишь содержащаяся в ядре энергия. Гамма-излучение испускается при переходе ядер с возбужденных уровней на более низкие уровни, в том числе и на основной. Например, при распаде цезия-137 образуется возбужденное ядро бария-137. Переход из возбужденного в стабильное состояние сопровождается испусканием гамма-квантов:

Так как время жизни ядер в возбужденных состояниях очень мало (обычно t10 -19 с), то при альфа- и бета-распадах гамма-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Исходя из этого, процесс гамма-излучения не выделяют в самостоятельный вид распада.По энергии гамма-излучения, как и по энергии альфа-излучения, можно произвести идентификацию радионуклида .

Внутренняя конверсия. Возбужденное (в результате того или иного ядерного превращения) состояние ядра атома свидетельствует о наличии в нем избытка энергии. В состояние с меньшей энергией (нормальное состояние) возбужденное ядро может переходить не только путем излучения гамма-кванта или выброса какой-либо частицы, но и путем внутренней конверсии, или конверсии с образованием электрон-позитронных пар.

Явление внутренней конверсии состоит в том, что ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L- или М-слой), который в результате этого вырывается за пределы атома. Такие электроны получили название конверсионных электронов. Следовательно, испускание электронов конверсии обусловлено непосредственным электромагнитным взаимодействием ядра с электронами оболочки. Конверсионные электроны имеют линейчатый спектр энергии в отличии от электронов бета-распада, дающих сплошной спектр.

Если энергия возбуждения превосходит 1,022 МэВ, то переход ядра в нормальное состояние может сопровождаться излучением пары «электрон–позитрон» с последующей их аннигиляцией. После того как произошла внутренняя конверсия, в электронной оболочке атома появляется «вакантное» место вырванного электрона конверсии. Один из электронов более удаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.