Известны такие радиоактивные процессы, как испускание ядрами так называемых запаздывающих альфа-частиц, протонов и нейтронов. Однако все эти процессы не являются элементарными актами радиоактивного распада: происходят они в два приема, и наблюдаемая их длительность связана с малой скоростью первого этапа – бета-распада, а не с задержкой последующей эмиссии самих альфа-частиц или нуклонов, происходящей столь же быстро, как и распад компаунд-ядер.
Среди подобных двухступенчатых процессов наиболее широко исследовалось испускание запаздывающих протонов.
Возьмём для примера распад, в ходе которого ядро кальция-37 превращается в ядро аргона-36 с испусканием протона. Испусканию протона предшествует бета-плюс-распад: выбрасывая позитрон и нейтрино, ядро кальция-37 превращается в ядро калия-37, находящееся в момент возникновения в возбужденном состоянии, а уже оно испускает протон, превращаясь в ядро аргона-36.
При бета-плюс-распаде многих излучателей запаздывающих протонов с наибольшей вероятностью должно образовываться такое возбужденное состояние дочернего ядра, которое характеризуется в точности тем же ядерным взаимодействием между нейтронами и протонами, что и в исходном, материнском ядре.
Читать дальше…
Три варианта бета-распада. Обнаружено спонтанное деление ядер, тем временем поиски новых элементов продолжаются. Аномально быстрое спонтанное деление ядер-изомеров ждет количественного объяснения.
Приняв строгое определение, мы можем теперь перечислить виды радиоактивности. Прежде всего это альфа-распад, известный ещё с первых лет изучения радиоактивности. далее надо назвать бета-распад, точнее, три его разновидности, отвечающие разным вариантам взаимного превращения протонов и нейтронов внутри ядра:
Первый из перечисленных вариантов именуются бета-минус-распадом (подобно испусканию альфа-частиц он был известен ещё Резерфорду, как уже говорилось ранее), второй – бета-плюс-распадом (его открыли Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1934 году), третий – электронным захватом (его обнаружил Луис Альварец в 1938 году).
В 1940 году Г.Н. Флеров и К.А. Петржак открыли третий основной вид радиоактивности – спонтанное деление ядер. Этот вид радиоактивного распада привлекает к себе в последнее время самое пристальное внимание, особенно по той причине, что он накладывает важные ограничения на возможность существования заурановых элементов.
Читать дальше…
Открытие Резерфорда – альфа, бета и гамма-лучи. Гамма-излучение не меняет состава ядра и поэтому не попадает под определение радиоактивности. Двустадийность – основное понятие боровской теории ядерных реакций. Компаунд-ядра и критерий времени в определении радиоактивности.
Начнём, пожалуй, с определения. Будем называть радиоактивностью самопроизвольные превращения изотопов химических элементов, обусловленные распадом их атомных ядер.
Скажем, если ядро испускает протон, то и масса и заряд ядра уменьшатся на единицу – элемент сместится на одну клетку влево в таблице Менделеева. Испускание нейтрона не влечет такого смещения (вот почему при определении радиоактивности нужно сказать о превращениях именно изотопов, а не обязательно элементов). При вылете из ядра альфа-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, массовое число уменьшается на четыре, а заряд на два. Есть среди радиоактивных превращений и такие, которые сопровождаются лишь изменением заряда: например, нейтрон может превратиться в протон, испустив электрон и антинейтрино.
В последних двух примерах нетрудно узнать «старейшие» виды радиоактивности. В 1989 году Эрнест Резерфорд доказал, что радиоактивное излучение урана неоднородно по составу, и выделил в нем альфа- и бета-лучи, представляющие собой, как мы знаем сегодня потоки альфа-частиц и электронов.
Известен и третий вид радиоактивного излучения – гамма-лучи. Однако сам по себе процесс гамма-излучения вряд ли имеет смысл считать видом радиоактивности – ведь испускание гамма-лучей влечет за собой изменение лишь энергетического состава ядра, но не его состава.
Скажем попутно ещё об одном ограничении, которое необходимо иметь ввиду при описании типов радиоактивности. ради ясности начнем с примера.
Возьмём два тяжелых изотопа водорода – дейтерий и тритий. Взаимодействуя друг с другом, ядра дейтерия и трития могут превратиться в альфа-частицу. такое превращение происходит в два этапа: сначала ядра дейтерия и трития сливаются в ядро изотопа гелия с массовым числом 5, а затем образовавшееся ядро распадается на альфа-частицу и нейтрон.
Читать дальше…
Планетарные изображения атомов стали традиционными. Глядя на внешнюю электронную оболочку атома, можно сразу определить характер этого элемента. Если там немного электронов – это металл, если оболочка близка к заполнению – неметалл, если оболочка заполнена целиком – это инертный газ,атомы которого отличаются наибольшей устойчивостью.
Устойчивость ядра также зависит от числа входящих в него протонов и нейтронов. Систематическое изучение огромного количества изотопов показало, что ядра, содержащие 20, 50 и 82 протона или 20, 50, 82 и 126 нейтронов, оказываются особенно устойчивыми. Указанные числа получили название «магических чисел», а соответствующие ядра – «магических» ядер.
Магические ядра отличаются более высокой распространённостью; радиоактивные магические ядра обладают особенно большими периодами полураспада.
По аналогии с инертными газами была предпринята попытка объяснить существование магических ядер тем, что в них целиком заполняются определенные состояния протонов или нейтронов, так что прибавление следующего нуклона отвечает началу заполнения новой нейтронной или протонной оболочки. В каждую оболочку включаются частицы, находящиеся в состояниях с одинаковыми (или близкими) энергиями; число частиц в различных оболочках различно.
Читать дальше…
В органической химии известны соединения, называемые изомерами. Их молекулы состоят из одних и тех же атомов, но по-разному расположенных по отношению друг к другу. Разная структура приводит к различию свойств молекул-изомеров.
Аналогичное явление наблюдается и среди атомных ядер. В ядерной физике изомерами называются ядра данного элемента, содержащие одинаковое число протонов и нейтронов, но обладающие различными радиоактивными свойствами.
Детальное изучение ядерной изомерии показало, что это явление связано с существованием у радиоактивных ядер возбужденных состояний с большим периодом полураспада. Именно такие состояния получили название изомерных.
С точки зрения модели ядерных оболочек при переходе нуклона с «обычного» места на другую оболочку ядро оказывается в возбужденном состоянии. В ядрах-изомерах один нейтрон или один протон обычно перемещён из своей «нормальной» оболочки в другую с существенно отличным характерным моментом количества движения.
Читать дальше…
Наибольшая устойчивость для легких ядер достигается тогда, когда они состоят из одинакового числа протонов и нейтронов. Для более тяжелых ядер максимальная устойчивость достигается небольшим избытком нейтронов – сказывается кулоновское отталкивание положительно заряженных протонов.
Недостаток нейтронов в легких ядрах приводит к бета-плюс-распаду, электронному захвату, протонной и двупротонной радиоактивности (первая характерна для ядер с нечетными зарядами, вторая – для ядер с четными). Для нейтронодефицитных ядер с зарядом, большим 70, более существенным становится альфа-распад. В области наиболее тяжелых ядер с альфа-распадом начинает конкурировать спонтанное деление, скорость которого при данном числе нейтронов чрезвычайно быстро возрастает с увеличением числа протонов. Как видно из многих опытов, граница, обусловленная спонтанным делением, прорезана узким перешейком – там оболочечная теория ядра допускает существование относительно стабильных сверхтяжелых ядер – например, с числом нейтронов, равным 184, и числом протонов, равным 114 или 126.
Что касается нейтроноизбыточных изотопов, то для них преобладает бета-минус-распад, а границы существования определяются постепенным уменьшением – вплоть до нуля – энергии связи нейтрона при возрастании числа нейтронов для данного числа протонов.
Учет всех возможных вариантов ядерной нестабильности при использовании различных формул для масс атомных ядер и для скорости радиоактивного распада (в том числе и скорости спонтанного деления) позволяет очертить границы изображенной на диаграмме области существования (в радиоактивных масштабах времени, то есть не менее 10-12 секунд) ядер. Очевидно, что в настоящее время мы знаем лишь около одной трети всех возможных изотопов – уже одно это обстоятельство делает вполне законным интерес к продвижению в область сильного дефицита и избытка числа нейтронов, к тщательному изучению свойств ядер, расположенных вдали от области стабильных изотопов.
Читать дальше…
Ядра – продукты радиоактивного распада или разных ядерных реакций могут находиться не только в основном, но и в долгоживущем возбужденном (изомерном) состоянии, когда какой-либо нуклон располагается не на своем обычном месте, а в другой ядерной оболочке.
Существуют так называемые многочастотные изомеры, в которых сразу несколько нуклонов сидят «не на месте». Вероятность перехода многочастичных изомеров в основное состояние путем излучения гамма-кванта крайне мала, и преобладающим процессом, в котором «снимается» энергия возбуждения, является вылет частиц. И если даже ядро в своем основном состоянии вполне устойчиво к испусканию протона, изомер может быть протонно-радиоактивным, разумеется, если его энергия возбуждения превышает энергию связи протона. При этом, естественно, испускание протонов из возбужденного состояния не требует столь же сильного дефицита нейтронов, как «обычная» протонная радиоактивность в основном состоянии, и может наблюдаться у ядер с большими массовыми числами.
В нашем примере протонная радиоактивность из изомерного возбужденного состояния вместо изотопа с массовым числом 49 появляется уже для кобальта-53. Протонный распад этого изомера наблюдался в 1970 году в Беркли (США) Джозефом Черны с сотрудниками, причем образование протонно-радиоактивных ядер кобальта-53 происходило при облучении кальция ионами кислорода и железа протонами.
Читать дальше…
Рождение и судьба Ω- гиперона настолько интересны, что стоит потратить на них немного времени.
Хотя мы как-то упоминали, что Ω- рождается в сопровождении трех каонов, это не совсем точно: один из каонов обычно играет свою роль в начале реакции (с левой стороны формулы). Реакция, которую мы опишем, наблюдалась в пучке отриуательных каонов:
K- + P → Ω- + K+ + Ko.
Каоны распадаются каждый на два пиона, Ω- излучает пион и превращается в Ξ; это уже третье поколение. Кси-гиперон, в свою очередь, распадается на Λo - гиперон и нейтральный пион. Нейтральный пион, как мы знаем, превращается в 2 фотона. Наконец, в шестом поколении каждый из фотонов порождает пару электрон-позитрон. Все шесть поколений с разветвлениями были обнаружены на одном снимке.
Читать дальше…
Выкипание нейтронов, про которое говорится в статье о поисках протонной радиоактивности, можно проиллюстрировать реакциями получения трансплутониевых элементов на ускорителях тяжелых ионов. Возьмем для примера синтез 102-го элемента, осуществленный в Дубне в 60-х годах XX века: ускоренное ядро неона-22 сливалось с ядром урана-238; слившись, они испускали четыре нейтрона – в результате получалось ядро 102-го элемента с атомным весом 256.
Пусть теперь целью поиска является протонно-радиоактивное ядро кобальта – по формуле масс атомных ядер это должен быть кобальт-49. Чтобы получить такое ядро в реакции переноса, надо отобрать у стабильного изотопа кобальта целых десять нейтронов, а это фактически неосуществимо. Что же касается реакций слияния, то здесь образование кобальта-49 возможно, например, при бомбардировке кальция-40 ядрами азота-14 с испарением пяти нейтронов.
Беда, однако, в том, что в отличие от упомянутого примера со 102-м элементом для относительно легких ядер типа кобальта кулоновский барьер уже не служит особенно серьёзной преградой для протонов и потому не обеспечивает надежного отбора, позволяющего выпустить из ядра только нейтроны, но не какие-либо заряженные частицы.
Читать дальше…
Если энергия частицы превышает высоту потенциального барьера, частица беспрепятственно приблизится к ядру и сольется с ним. Если же частица обладает энергией, не превышающей высоты барьера, то она, казалось бы, лишь приблизится к ядру на расстояние, определяемое гиперболической кривой, не ближе. Если же такая частица уже находится в ядре, то она не сможет выйти из него, не преодолеет барьер. Однако по законам квантовой механики барьер преодолим и при таких «подбарьерных» энергиях посредством так называемого туннельного перехода. Вероятность туннельного проникновения чрезвычайно сильно возрастает по мере приближения энергии частицы к вершине барьера – то есть пом ере того, как укорачивается «туннель» и уменьшается высота «горы» над ним.