Материал: Иродов. т5 Квантовая физика Основные законы. 2014, 256с

что совпадает с выражением (8.23) для энергии Q при 7–-распаде. Следует отметить, что формулы (8.23), (8.25) и (8.27) определяют одновременно и условия энергетической возможности этих трех процессов: необходимо, чтобы выполнялось условие

Q > 0.

Распределение электронов по энергиям. Общим свойством всех 7-спектров является их плавность и наличие у каждого спектра предельной кинетической энергии Kмакс, на которой 7-спектр обрывается (рис. 8.7).

Энергия Kмакс соответствует разности между массой мате-

энергии? Возникшую в свое время «проблему 7-распада» решил Паули (1930), предположивший, что вместе с электроном испускается электрически нейтральная частица, неуловимая вследствие очень большой проникающей способности. Ее назвали нейтрино n.

Тогда становится понятным, что энергия, выделяемая при распаде, распределяется между электроном и нейтрино в самых разных пропорциях, и мы получаем изображенный на рис. 8.7 спектр.

Имеется еще одно важное обстоятельство в пользу гипотезы о существовании нейтрино — это необходимость сохранения момента импульса в реакции распада. Дело в том, что отличительной чертой 7-распада является превращение в ядре нейтрона в протон, и наоборот. Поэтому можно сказать, что 7-рас- пад есть не внутриядерный процесс, а внутринуклонный процесс. В связи с этим указанные выше три разновидности 7-распада обусловлены следующими превращениями нуклонов в ядре*:

Известно, что спин нейтрона, протона и электрона одинаков и равен 1/2. Если бы, например, нейтрон распадался только как n & p e–, то суммарный спин возникающих частиц согласно квантовым законам сложения моментов был бы равен 1 либо 0, что отличается от спина исходной частицы. Таким образом, участие в 7-распаде еще одной частицы диктуется и законом сохранения момента, причем эта частица должна обладать спином 1/2 (или 3/2). Сейчас установлено, что спин нейтрино равен 1/2.

Наблюдать нейтрино непосредственно очень сложно. Это обусловлено тем, что их электрический заряд равен нулю, масса (если она есть) чрезвычайно мала, фантастически мало и эффективное сечение взаимодействия их c ядрами. Согласно теоретическим оценкам средняя длина свободного пробега нейтрино с энергией 1 МэВ в воде порядка 1016 км (или 100 световых лет!). Это значительно превышает размеры звезд. Такие нейтрино свободно пронизывают Солнце, а тем более Землю.

*Пока нет необходимости уточнять, о какой именно «неуловимой» частице идет речь, мы будем пользоваться только термином «нейтрино». В следующей же главе мы увидим, что есть разные нейтрино и, кроме них, частицы, называемые антинейтрино.

Чтобы зарегистрировать процесс захвата нейтрино, необходимо иметь огромные плотности потока их. Это стало возможным только после создания ядерных реакторов, которые и были использованы как мощные источники нейтрино.

Непосредственное экспериментальное доказательство существования нейтрино было получено в 1956 г.

Гамма-распад. Этот вид распада заключается в испускании возбужденным ядром при переходе его в нормальное состояние Λ-квантов, энергия которых варьируется в пределах от 10 кэВ до 5 МэВ. Существенно, что спектр испускаемых Λ-квантов дискретный, так как дискретны энергетические уровни самих ядер.

Свободный нуклон испускать Λ-квант не может, ибо в противном случае было бы нарушено одновременное выполнение законов сохранения энергии и импульса (в этом полезно убедиться самостоятельно). Между тем такой процесс возможен и действительно происходит внутри ядра, поскольку испущенный (или поглощенный) Λ-квант может обмениваться импульсом не только с порождающим его нуклоном, но и с остальными нуклонами ядра. Таким образом, в отличие от 7-распада, Λ-распад — процесс внутриядерный, а не

внутринуклонный.

Возбужденные ядра образуются при 7-распаде в случае, если распад материнского ядра X в основное состояние дочернего ядра Y запрещен. Тогда дочернее ядро Y оказывается в одном из возбужденных со-

Возбужденное ядро может перейти в основное состояние и другим путем, путем непосредственной передачи энергии возбуждения одному из атомных электронов, например, в K-обо- лочке. Этот процесс, конкурирующий с 7-распадом, называют

внутренней конверсией электронов.

Очевидно, что электроны внутренней конверсии моноэнергетичны. Это и позволяет отличить их от электронов, испускаемых при 7-распаде, спектр которых, как мы знаем, непрерывный.

Внутренняя конверсия сопровождается рентгеновским излучением, возникающим при переходе электрона с вышележащих оболочек на место, освобожденное электроном внутренней конверсии.

Пример. Возбужденное ядро 81Se с энергией возбуждения Е* 103 кэВ переходит в основное состояние, испуская или Λ-квант, или конверсионный электрон с K-оболочки атома. Энергия связи K-электрона EK 12,7 кэВ. Найдем скорость v отдачи ядра в обоих случаях.

В первом случае импульс ядра отдачи mv h /c. Здесь h % E*, поскольку энергия отдачи тяжелого ядра пренебрежимо мала. Тогда

Во втором случае следует воспользоваться релятивистским соотношением (П.5) pc Ke(Ke 2mec2), где импульс ядра p mv, Ke E* – EK 90,3 кэВ. Тогда

§ 8.6. Эффект Мессбауэра

Известно, что атомы наиболее интенсивно поглощают свет частоты, соответствующей переходу из основного состояния атома в ближайшее к нему возбужденное состояние. Это явление называют резонансным поглощением. Другими словами, фотоны, испущенные атомом при переходе из первого возбужденного состояния в основное, без всяких проблем поглощаются такими же атомами, поскольку их частоты практически совпадают.

Иначе обстоит дело в случае излучения Λ-квантов ядрами. Энергия и импульс Λ-кванта во много раз больше, чем у фотона видимого света, поэтому значительно больше и энергия отдачи. Представим себе два одинаковых первоначально покоящихся ядра, одно из которых находится в основном состоянии, другое — в возбужденном с энергией возбуждения E*. Переходя в основное состояние, возбужденное ядро испускает Λ-квант с энер-

гией h и импульсом h /c, удовлетворяющими законам сохранения:

где K — энергия отдачи ядра. Из этих уравнений следует, что

здесь m — масса ядра.

Согласно первой из формул (8.28) энергия Λ-кванта h сдвинута относительно энергии E* ядерного перехода на величину K — энергию отдачи ядра. Поэтому Λ-квант сможет поглотиться другим ядром только при условии, что сдвиг*

где Μ — ширина возбужденного уровня E*.

Выясним, насколько выполняется соотношение (8.30). Например, ядро 57Fe при переходе из первого возбужденного состояния испускает Λ-квант с энергией h % 14 кэВ. При этом его

Ширина же Μ первого возбужденного уровня, время жизни которого ) 10–7 с, согласно соотношению неопределенностейE t h равна

Таким образом, сдвиг K не меньше Μ, а наоборот, больше на пять порядков, что далеко перекрывает возможность резонансного поглощения.

*Точнее, надо было бы написать 2K < Μ, поскольку ядро, находившееся в основном состоянии, тоже испытывает такую же отдачу K при поглощении Λ-кван- та. Но, как будет видно чуть ниже, это не существенно.