Материал: Пустынский Л.Н. Конспект лекций по Ядерной физике
электромагнитное |
~ 10-2; |
слабое |
~ 10-14; |
гравитационное |
~ 10-40. |
Не следует думать, что этими цифрами определяется роль соответствующих взаимодействий (полей) в природе. Они равно фундаментальны, то есть без любого из них невозможно существование Вселенной.
Теория Ферми позволила рассчитать -спектры и влияние на форму -спектров кулоновского поля ядра и электронной оболочки атома. При малой энергии форма любого β-спектра искажается кулоновским взаимодействием между дочерним ядром и образующейся β-частицей (рис. 3.5.5). Кулоновское поле ядра оказывает на -- частицы тормозящее действие. В результате спектр в «мягкой» (низкоэнергетической) области энергий оказывается обогащенными частицами. β--Спектры с граничной энергией меньше 1 МэВ у средних и тяжелых ядер вообще не имеют максимума, а монотонно спадают. В спектрах +-распада мягкая область спектра, наоборот, оказывает-
ся обедненной. |
Поле электронной оболочки атома оказывает на |
||
|
|
спектр незначительное влияние. |
|
μH |
|
При изучении -распадных явлений |
|
β- |
β- |
||
было сделано одно из фундаментальных |
|||
Н |
е- |
||
|
|
открытий ядерной физики - несохранение |
|
60Со |
четности в слабых взаимодействиях. Ги- |
||
|
|
потезу о несохранение четности в слабых |
|
β- |
β- |
взаимодействиях выдвинули в 1956 г. Ли |
|
и Янг, которые показали, что в отличие от |
|||
|
|
||
β- β- β- |
|
теории Ферми, опирающуюся на закон |
|
Рис.3.5.7 |
сохранения четности, можно построить |
||
теорию -распада без учета этого закона, которая не противоречила всем известным к тому времени экспериментальным фактам. Они же
121
предложили эксперимент по обнаружению несохранения четности при -распаде, который был поставлен в 1957 г. Ву. Принципиальные черты этого эксперимента следующие (рис. 3.5.7). -Активный образец 60Со, ядра которого имеют большой спин и магнитный момент (I = 5, = 3,78 Б), помещался в магнитное поле кругового тока и охлаждался до очень низких (~ 10-2 К) температур. Это было необходимо для ориентирования магнитных моментов и, следовательно, спинов ядер 60Со в определенном направлении (поляризации) и уменьшения влияния тепловых колебаний ядер. У поляризованного таким образом образца 60Со регистрировались -частицы, летящие под углом и - по отношению к направлению поляризующего магнитного поля, то есть по отношению к направлению спина ядра. При выполнении закона сохранения четности для квадрата модуля волновой функции выполняется условие
(x, y, z)
2 = 
(−x,−y,−z)
2 , (3.5.15)
или в сферических координатах
(r, , ) |
2 |
|
= (r, − , + ) |
2 |
|
,
(3.5.16)
т.е. инверсия системы координат не может изменить вероятность обнаружения частицы. От азимутального угла в опыте ничего не зависит. Следовательно, если четность сохраняется, то вероятность зарегистрировать -частицу под углом («вперед») и - («назад»)
одинакова. Опыт же показал существенное различие счета частиц под этими углами. «Вперед» (в направлении вектора Н напряженно-
сти магнитного поля) двигалось существенно (~ на 40 %) меньше - частиц, чем «назад». Таким образом, закон сохранения четности, который казался столь же фундаментальным и нерушимым, как и остальные законы сохранения, в случае слабых взаимодействий оказался нарушенным. Это привело к пересмотру и уточнению теория слабых взаимодействий.
122
§3.6. Гамма–излучение ядер
Гамма-излучение ( -излучение) - испускание кванта электромагнитного излучения при спонтанном переходе ядра с более высокого энергетического уровня на один из нижележащий. Причиной возбуждения ядра чаще всего являются предшествующие α- и β- распады. Очевидно, что при испускании γ-кванта состав ядра (А,Z) не изменяется. В отличие от квантов рентгеновского излучения и квантов видимого света, испускаемых при переходах атомных электронов, кванты излучения, испускаемые ядрами, называются - квантами, хотя для квантов излучения любого происхождения сохраняется обобщающее название фотон. Фотон существует только тогда, когда он движется со скоростью света в любой системе координат. Как частица он не существует в ядре до своего испускания или после своего поглощения. Излучение -кванта является основным процессом освобождения ядра от избыточной энергии, при
условии, что эта энергия не превосходит энергию связи нуклона в |
||||
Е2 |
|
ядре. Таким образом, по своей физической приро- |
||
γ21 |
де -квант - это порция энергии E = электро- |
|||
|
||||
Е1 |
|
|
|
|
γ20 |
магнитного поля. Переходы, при которых испус- |
|||
|
||||
|
γ10 |
каются -кванты, называются радиационными. Ра- |
||
|
|
|||
Е0 |
|
диационный |
переход может быть однократным |
|
|
||||
|
|
|||
|
Рис. 3.6.1 |
(переход γ20 |
на рис. 3.6.1), когда ядро сразу пере- |
|
|
|
|||
ходит в основное энергетическое состояние, или каскадным, когда происходит испускание нескольких -квантов в результате ряда по-
следовательных радиационных переходов (переходы γ21 и γ10 |
на рис. |
||||||
3.6.1). Энергия -кванта определяется энергий перехода Е: |
|
||||||
E |
|
= E = E |
i |
− E |
j |
, i j, |
(3.6.1) |
|
|
|
|
||||
так как можно пренебречь кинетической энергией дочернего ядра.
123
Покажем это. Законы сохранения энергии и импульса для ядра свободного атома, который не связан с молекулой или кристаллом:
E = E |
γ |
+ T |
яд |
, |
|
|
|
|
|||
0 = P |
+ P |
|
, |
|
|
γ |
|
яд |
|
|
|
(3.6.2)
где Е – энергия перехода (3.6.1); Тяд и Ряд – кинетическая энергия и импульс ядра отдачи соответственно; Рγ – импульс γ-кванта. Из уравнений (3.6.2) получаем
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Еγ |
|
|
|
Е |
|
|
|
|
|||
Т |
|
= |
|
|
|
|
|
|
. |
(3.6.3) |
||||
яд |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|||||
|
|
2М |
|
с |
|
2М |
|
|
с |
|
||||
|
|
|
яд |
|
яд |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Таким образом, Тяд = (10-6 ÷ 10-5)Е, т.е. γ-квант уносит подавляющую часть энергии возбуждения ядра. Из проведенного рассуждения очевидно также, что энергетический спектр γ-квантов дискретен, так как энергетическая ширина Г уровня (1.7.1) обычно много меньше расстояния между уровнями.
-Квант - это не только частица, но и волна. Приведенная длина волны ( = λ/2π) -кванта, определяющая взаимодействие с другими частицами, связана с его энергией соотношением
= |
c |
или [cм] = |
1,97 10-11 |
. |
(3.6.4) |
Eγ |
|
||||
|
|
E [МэВ] |
|
||
Например, при E ≈ 1 МэВ, |
10-11 см. Поэтому волновые свой- |
ства такого -излучения при взаимодействии с атомами (Ra ≈ 10-8 см), а тем более с макроскопическими телами, проявляются слабо. На первый план выдвигаются корпускулярные свойства. Однако при взаимодействии с ядрами, наоборот, проявляется в основном волно-
вая природа излучения, так как |
|
становится сравнимой с |
Rя только при Еγ > 100 МэВ.
Образование γ-квантов обусловлено взаимодействием отдельных нуклонов ядра с электромагнитным полем, создаваемым движением всех нуклонов ядра. Поэтому γ-излучение, в отличие от β-распада,
124
явление внутриядерное, а не внутринуклонное. Испускание или поглощение -квантов свободными нуклонами запрещено совместным действием законов сохранения энергии и импульса.
Собственный механический момент -кванта равен единице. Это обусловлено тем, что электромагнитные колебания происходят в плоскости, перпендикулярной вектору перемещения волны (поперечные колебания) и поэтому не может быть сферической симметрии, которая в квантовой механике характеризуется нулевым механическим моментом (см. формулу 1.6.9 в §1.6 п.4). В этой связи - кванты, испускаемые ядрами, должны уносить из ядра момент импульса не меньше единицы. Для фотона вообще, имеющего нулевую массу покоя, в отличие от других микрочастиц, не существует понятия орбитального момента, и у фотона нет s-, p-, d- и других состояний с определенными значениями орбитального момента l. Фотон может обладать только полным моментом L = 1, 2, 3…Состояние свободно распространяющегося электромагнитного поля с определенным полным моментом и четностью называется мультиполем. Излучение, уносящее момент L = 1, называется дипольным, L = 2 – квадрупольным L = 3 - октупольным и т.д. Для обозначения радиационных переходов определенной мультипольности используются следующие обозначения. Радиационные переходы, вызванные перераспределением электрических зарядов в ядре, называют электрическими и обозначают буквой E (E1 - дипольные (L = 1), Е2 - квадрупольные (L = 2), и т.д.), переходы, вызванные перераспределением магнитных моментов нуклонов называют магнитными переходами (дипольные - M1, квадрупольные - М2 и т.д.).
В соответствии с законом сохранения спина (см. §4.4) существует следующие соотношение между спином Iн начального и спином Iк конечного ядра и моментом L, уносимым -квантом:
| I |
н |
− I |
к |
| L I |
н |
+ I |
к |
. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
125 |
|
|
|
(3.6.5)