Энергия превращения нейтрона в протон. Протон нейтронного происхождения механизм возникновения протона из свободного нейтрона

Вот теперь мы, наконец, подошли к ответу на вопрос о происхождении таинственных бета-частиц. Источником их появления служит процесс обратный превращению протона в нейтрон, а именно: превращение нейтрона в протон. Из логических соображений такой процесс по аналогии сопряжен с испусканием электрона (той самой бета-частицы). Ведь утрата отрицательного заряда эквивалентна приобретению положительного. Но где в абсолютно незаряженном нейтроне можно отыскать отрицательный заряд и выпустить его на свободу?
На самом деле, если бы все ограничивалось только испусканием отрицательно заряженной частицы, это было бы просто невозможно. Многовековой опыт приучил физиков к мысли, что ни отрицательный, ни положительный заряд не могут возникнуть из ничего. Точно так же, как ни один из этих зарядов не может исчезнуть безо всякого следа. Таков закон сохранения электрического заряда.
В действительности нейтрон не просто выпускает на свободу бета-частицу; одновременно он образует и протон, который полностью уравновешивает отрицательный заряд последней и поддерживает суммарную нейтральность. Таким образом, в сумме никакого дополнительного заряда не образуется. Аналогично, когда электрон встречается с позитроном и аннигилирует, суммарное изменение заряда также равно нулю.
Когда протон излучает позитрон, превращаясь в нейтрон, исходная частица (протон) имеет единичный положительный заряд, а две итоговые частицы (нейтрон и позитрон) в сумме также имеют заряд +1.
Ядро способно также поглотить электрон, тогда протон внутри ядра превращается в нейтрон. Электрон с протоном (их суммарный заряд равен нулю) образуют не имеющий заряда нейтрон. Обычно ядро захватывает электрон с ближайшей к нему К-оболочки, поэтому такой процесс носит название К-захват. Тут же вакантное место занимает электрон с более удаленной L-оболочки, что сопровождается выделением энергии в виде рентгеновского излучения. Первым этот эффект описал в 1938 году американский физик Л. Альварес. Как правило, химические превращения, которые связаны с перемещением электронов, на ядерные реакции не влияют. Но поскольку в К-захвате участвуют не только ядра, но и электроны, этот процесс в некоторой степени связан с химическими изменениями.

Бета-распад.

Процессы бета-распада уже давно и хорошо(?) известны (10). Тем не менее, в данной работе эти процессы рассматриваются не только как пример практического применения приведенных в данной работе утверждений и положений. Рассмотрение этих процессов представляет значительный интерес, поскольку:
а) выясняются некоторые особенности их протекания;
б) появляется возможность с высокой степенью точностью рассчитать материальные балансы процессов бета-распада;
в) появляется возможность внести некоторую ясность в проблему нейтрино.

Часть 3.1. Распад нейтрона (бета-минус-распад).
3.1.1. Распад нейтрона (превращение нейтрона в протон) является одним из основных видов распада в Природе, который подводит черту под временем жизни всех химических элементов тяжелее водорода:
нейтрон = протон + электрон + электронное антинейтрино , см. рис. 20-1.

Рис. 20-1. Схема распада нейтрона.
Схема распада нейтрона сравнительно проста - в процессе распада происходит превращение одного из кварков d в кварк u с выделением электрона и сбросом излишков энергии-материи в виде антинейтрино. Однако при детальном рассмотрении этого процесса (с учетом безусловного соблюдения всех законов сохранения) раскрываются некоторые особенности его протекания, а именно:
а) процесс происходит только внутри кварка d ;
б) процесс происходит только после образования «внутри» кварка вспомогательной (промежуточной) электрон-позитронной пары. Образование вспомогательной электрон-позитронной пары обязательно, поскольку ее участие в процессе диктуется законами сохранения;
в) на образование вспомогательной электрон-позитронной пары используется только материя глюона-1 и только этого кварка d. (См. также пункт 3.3.2.)
3.1.2. Таким образом, процесс превращения нейтрона в протон (превращение комбинации udd в комбинацию uud ) можно ограничить рассмотрением процесса превращения кварка d в кварк u, который происходит в следующей последовательности, см. рис.20-2:

Рис. 20-2. Распад нейтрона. Схема превращения кварка(d) в кварк(u) .
а) ввиду нестабильности комбинации udd нейтрон переходит в возбужденное состояние (см. пункт 3.4) и «внутри» одного из кварков d образуется вспомогательная электрон-позитронная пара (используется материя глюона-1 в количестве: 0,51099 + 0,51099 = 1,02198 МэВ);
б) в первую очередь (например: спины антипараллельны) происходит частичная аннигиляция частицы-ядра кварка (-1/3) и образовавшегося позитрона. Выделяется энергия в количестве 0,17033 + 0,17033 = 0,34066 МэВ. Появляется частица +2/3.
в) «ненужный» электрон (масса 0,51099 МэВ) покидает зону реакции (кварк), а затем и пределы протона;
г) внутри частицы (d-u ) остались излишки материи глюона-1 в количестве 0,44168 МэВ и появилась энергия аннигиляции 0,34066 МэВ, итого: 0,44168 + 0,34066 = 0,78234 МэВ. Этот излишек энергии распределяется между электроном и антинейтрино и удаляется из зоны реакции, а затем и за пределы протона, (см. примечание).
д) после появления частицы-ядра +2/3 массой 0,34066 МэВ и уменьшения массы облака глюона-1 на 1,02198 + 0,44168 = 1,46366 МэВ, формируется кварк u и образуется комбинация uud . Процесс превращения нейтрона в протон закончен.
3.1.3. Итого по распаду нейтрона:
а) по данной схеме происходят все реакции бета-распада нейтронов - как одиночных, так и находящихся в составе ядер таблицы Менделеева;
б) наличие в нейтроне двух массивных кварков d приводит к существенному дисбалансу масс (и зарядов) в комбинации udd , что делает эту систему заведомо нестабильной и обреченной на самопроизвольный бета-распад;
в) все реакции взаимодействия, связанные с превращением нейтрона в протон происходят внутри одного из кварков d с образованием вспомогательной электрон-позитронной пары. Образование электрон-позитронной пары обязательно, поскольку ее участие требуется по законам сохранения;
г) процесс энергоизбыточный. Излишки энергии распределяются между электроном и антинейтрино и выбрасываются за пределы протона;
д) поскольку процесс происходит только за счет материи глюона-1 кварка d , то масса глюона-2 в «исходном» нейтроне и «конечном» протоне остается неизменной - 931,56576 МэВ, см. также рис.18 и 19.
3.1.4. Примечание:
В процессе распада излишек энергии распределяется между электроном и антинейтрино. В данном случае (в тексте и на рис.20-2.) представлен вариант, в котором условно приведено «расчетное» распределение энергий между электроном (0,44168) и антинейтрино (0,34066).

Часть. 3.2. Распад протона.
Кроме распада нейтрона (бета-минус-распад) в составных ядрах могут происходить также процессы превращения протона в нейтрон: бета-плюс-распад и электронный захват:
протон + энергия = нейтрон + позитрон + нейтрино
протон + электрон + энергия = нейтрон + нейтрино.
Располагая данными о массе кварков можно подробнее рассмотреть схемы распада и составить материальные балансы этих процессов.
3.2.1. Бета-плюс-распад. Реакция превращения протона в нейтрон (бета-плюс-распад) происходят внутри одного из кварков (u ) с образованием вспомогательной электрон-позитронной пары, см. рис. 21. Процесс энергозатратный. Требуется подвод энергии в размере 2,48564 МэВ, которая затрачивается:
- на образование вспомогательной электрон-позитронной пары - 1,02198 МэВ;
- на увеличение массы облака глюона кварка d - 1,46366 МэВ.
Выход материалов в процессе реакции - 1,19231 МэВ. Разница материи-энергии в размере 2,48564 - 1,19231 = 1,29333 МэВ идет на увеличение массы нейтрона.

Рис. 21. Схема превращения кварка u в кварк d (бета-плюс-распад).
Процесс происходит в следующей последовательности:
а) в протон (а затем в один из кварков u ) поступает энергия не менее 2,48564 МэВ;
б) за счет этой энергии (2,48564 МэВ) в кулоновском поле ядра-частицы +2/3 происходит образование вспомогательной электрон-позитронной пары и происходит «наращивание» массы глюона (у кварка u масса глюона 1,46366 МэВ, а у кварка d должна быть 2,92732 МэВ);
в) происходит частичная аннигиляция частицы-ядра кварка (+2/3) и образовавшегося электрона. Выделяется энергия в количестве 0,34066 + 0,34066 = 0,68132 МэВ и появляется частица -1/3;
в) внутри кварка образовалась энергия от частичной аннигиляции в размере 0,68132 МэВ. Этот излишек энергии распределяется между позитроном и нейтрино и удаляется с ними из зоны реакции, а затем и за пределы u-d ;
г) «ненужный» позитрон (масса 0,51099 МэВ) покидает зону реакции;
д) после появления частицы-ядра -1/3 массой 0,17 МэВ и увеличения массы облака глюона-1 на 1,46366 МэВ формируется кварк d и образуется комбинация udd . Процесс превращения протона в нейтрон закончен.
Итого по бета-плюс-распаду:
а) все реакции взаимодействия, связанные с превращением протона в нейтрон (бета-плюс-распад) происходят внутри одного из кварков u с образованием вспомогательной электрон-позитронной пары;
б) процесс энергозатратный, требуется подвод энергии в размере 2,48 МэВ. Однако в то же время из кварка происходит «встречный» выброс энергии 0,68 МэВ в виде нейтрино.
Примечание:
1. В процессе распада излишек энергии распределяется между электроном и нейтрино. В данном случае (в тексте и на рис.21) представлен вариант, в котором условно приведено «расчетное» распределение энергий между позитроном (0) и антинейтрино (0,68).

3.2.2. Электронный захват. Реакция при энергозатратном электронном захвате происходит без образования вспомогательной электрон-позитронной пары и по более простой (упрощенной) схеме - внутри кварка u сразу происходит частичная аннигиляция «готового» электрона и частицы-ядра (+2/3) с образованием новой частицы-ядра (-1/3).
При этом следует обратить внимание на то, что:
- протон не может «добровольно» захватить электрон - электрон должен «влететь» вовнутрь кварка u . Для этого он должен обладать кинетической энергией в размере не менее 1,46366 МэВ, которая затем полностью превращается в глюон-1 кварка d , см. рис.22.

Рис. 22. Схема электронного захвата.
Процесс электронного захвата происходит в следующей последовательности:
а) электрон покидает свою орбиту и, набирая скорость, начинает перемещаться к протону. Набрав скорость (и, главное, повысив свою кинетическую энергию до необходимых 1,46366 МэВ), он влетает вовнутрь протона, а затем и вовнутрь ближайшего кварка u ;
б) электрон «останавливается» и вся его кинетическая энергия (1,46366 МэВ) превращается в глюон-1;
в) происходит частичная аннигиляция «готового» электрона и частицы-ядра +2/3 с выделением энергии в размере 0,34066 + 0,34066 = 0,68132 МэВ (без учета энергии отдачи), которая в виде нейтрино удаляется из зоны реакции, а затем и за пределы нейтрона. Процесс превращения протона в нейтрон закончен.
Итого по электронному захвату:
- все реакции взаимодействия, связанные с превращением протона в нейтрон при электронном захвате происходят внутри одного из кварков u ;
- процесс энергозатратный - кроме подвода «готового» электрона требуется подвод энергии вовнутрь кварка в размере 1,46366 МэВ на образование глюона. Однако в то же время из кварка происходит «встречный» выброс энергии 0,68132 МэВ в виде нейтрино.
Примечание:
1. Возможен также вариант, когда электрон «приносит» с собой лишь некоторую часть необходимой энергии из 1,46 МэВ. Недостающая часть энергии поступает в протон дополнительно со стороны или в виде кванта, который выделяет? электрон при сходе с орбиты. Однако эти заведомо сложные и нелогичные процессы маловероятны и в данной работе не рассматриваются.

3.3. Возможные места образования вспомогательной электрон-позитронной пары при бета-распаде.
Возможные места образования вспомогательной электрон-позитронной пары при распаде нейтрона и протона приведены на рис.23.

Рис. 23. Возможные места образования вспомогательной электрон-позитронной пары: а) при распаде нейтрона, б) при бета-плюс-распаде протона.
3.3.1. Образование промежуточной электрон-позитронной пары возможно в следующих местах (вариантах):
Вариант 1. Внутри кварка в кулоновском поле частицы-ядра.
Вариант 2. На «границе» (или «поверхности») кварка.
Вариант 3. Внутри протона в объеме глюона-2.
Вариант 4. На «поверхности» протона (для бета-плюс-распада).
После рассмотрения данных вариантов принимается, что образование промежуточной (вспомогательной) электрон-позитронной пары может происходить либо на «границе» кварка (Вариант 1), либо внутри кварка (Вариант 2), поскольку здесь:
- кулоновское поле частицы-ядра достигает максимальных величин;
- имеется «строительный материал» (глюон-1) для их образования;
- обеспечивается незамедлительный контакт между частицей и ядром.
Остальные варианты лишены логики и поэтому как реально возможные даже не анализировались, поскольку в совокупности практически невозможно:
- достоверно объяснить механизм образования частиц;
- достоверно объяснить процесс их «доставки» (перемещения) к ядру кварка,
- составить материальный баланс процесса.
3.3.2. Таким образом, в данной работе принимается, что на образование вспомогательной электрон-позитронной пары используется только материя глюона-1, а образование вспомогательной электрон-позитронной пары может происходить только на границе кварка или внутри кварка, где кулоновское поле частицы-ядра достигает максимальных величин. Вариант-2 (на границе) выглядит наиболее предпочтительным, однако поскольку определение точного места образования пар не представляется возможным, то для обоих этих вариантов используется термин - «внутри кварка»,(и приводится в схемах).

3.4. Основные принципы появления возбужденного состояния нейтрона.
3.4.1. Все «стабильные» нейтроны образовались в недрах звезд в результате принудительного «ввода» (вбивания, заталкивания и пр.) энергии в протон (бета-плюс-распад и электронный захват). Из этого следует, что «стабильный» нейтрон (а также и одиночный) изначально является энергоизбыточной частицей (системой). Эта энергоизбыточность вынуждает (обязывает) систему сбросить излишки энергии и снова вернуться в устойчивое состояние - протон. Сброс излишков энергии происходит в течение 886сек в результате процесса самопроизвольного распада, однако причиной его «самопроизвольности» является переход нейтрона в возбужденное состояние, см. рис.24.

Рис. 24. Возбужденное состояние нейтрона.
3.4.2. Возбужденное состояние нейтрона появляется из-за дисбаланса масс в подвижной комбинации udd , которая содержит два массивных кварка d и возникает в результате смещения одного кварка d из центральной части нейтрона к периферии.
а) нейтрон в «обычном» состоянии. В «обычном» состоянии комбинация udd располагается в центральной части нейтрона, в которой кварки хаотично перемещаются в центральной части нейтрона вокруг условного «центра тяжести» (хаотично - система из трех тел не считается).(11)
б) нейтрон в возбужденном состоянии. Во время одного из таких перемещений, один из кварков (например, d-2 ) смещается (отбрасывается) из центральной зоны к периферии (в меньше а). Сила притяжения (к кварку u ), которая удерживала кварк d «внутри» комбинации udd , ослабевает
(г больше б) и энергоизбыточная (и, следовательно, неустойчивая) комбинация udd получает возможность сбросить излишек энергии. Сброс излишков энергии происходит за счет материи (глюона-1) кварка d-2 и сопровождается его перестройкой в кварк u .

Накопители тяжелых ионов открывают принципиально новые возможности в исследовании свойств экзотических ядер. В частности, они позволяют накапливать и в течение длительного времени использовать полностью ионизованные атомы – «голые» ядра. В результате становится возможным исследовать свойства атомных ядер, у которых нет электронного окружения и в которых отсутствует кулоновское воздействие внешней электронной оболочкис атомным ядром.

Рис. 3.2 Схема e-захвата в изотопе (слева) и полностью ионизованных атомах и (справа)

Распад на связанное состояние атома был впервые обнаружен в 1992 г. Наблюдался β - -распад полностью ионизованного атома на связанные атомные состояния . Ядро 163 Dy на N-Z диаграмме атомных ядер помечено черным цветом. Это означает, что оно является стабильным ядром. Действительно, входя в состав нейтрального атома, ядро 163 Dy стабильно. Его основное состояние (5/2 +) может заселятся в результате e-захвата из основного состояния (7/2 +) ядра 163 Ho. Ядро 163 Ho, окруженное электронной оболочкой,β - -радиоактивно и его период полураспада составляет ~10 4 лет. Однако это справедливо только если рассматривать ядро в окружении электронной оболочки. Для полностью ионизированных атомов картина принципиально другая. Теперь основное состояние ядра 163 Dy оказывается по энергии выше основного состояния ядра 163 Ho и открывается возможность для распада 163 Dy (рис. 3.2)

→ + e - + e .

(3.8)

Образующийся в результате распада электрон может быть захвачен на вакантную К или L-оболочку иона . В результате распад (3.8) имеет вид

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Энергии β-распадов на K и L-оболочки равны соответственно (50.3±1) кэВ и (1.7±1) кэВ. Для наблюдения распада на связанные состояния K- и L-оболочки в накопительном кольце ESR в GSI было накоплено 10 8 полностью ионизированных ядер . В течение времени накопления в результате β + -распада образовывались ядра (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Динамика накопления ионов: а - ток накопленных в накопительном кольце ESR ионов Dy 66+ во время разных стадий эксперимента, β- интенсивности ионов Dy 66+ и Ho 67+ , измеренные внешним и внутренним позиционно-чувствительными детекторами соответственно

Так как ионы Ho 66+ имеют практически то же отношение M/q, что и ионы первичного пучка Dy 66+ , они накапливаются на одной и той же орбите. Время накопления составляло ~ 30 мин. Для того, чтобы измерить период полураспада ядра Dy 66+ , накопленный на орбите пучок было необходимо очистить от примеси ионов Ho 66+ . Для очистки пучка от ионов в камеру инжектировалась аргоновая газовая струя плотностью 6·10 12 атом/см 2 , диаметром 3 мм, которая пересекала накопленный пучок ионов в вертикальном направлении. За счет того, что ионыHo 66+ захватывали электроны, они выбывали с равновесной орбиты. Очистка пучка проходила в течение приблизительно 500 с. После чего газовая струя перекрывалась и в кольце продолжали циркулировать ионы Dy 66+ и вновь образовавшиеся (после выключения газовой струи) в результате распада ионы Ho 66+ . Продолжительность этого этапа менялась от 10 до 85 мин. Детектирование и идентификация Ho 66+ базировались на том, что Ho 66+ можно еще сильнее ионизировать. Для этого на последнем этапе в накопительное кольцо снова инжектировалась газовая струя. Происходило обдирание последнего электрона с иона 163 Ho 66+ и в результате получался ион 163 Ho 67+ . Рядом с газовой струей располагался позиционно-чувствительный детектор, которым регистрировались выбывающие из пучка ионы 163 Ho 67+ . На рис. 3.4 показана зависимость числа образующихся в результате β-распада ядер 163 Ho от времени накопления. На вставке показано пространственное разрешение позиционно-чувствительного детектора.
Таким образом, накопление в пучке 163 Dy ядер 163 Ho явилось доказательством возможности распада

→ + e - + e (в связанном состоянии).

Рис. 3.4. Отношение дочерних ионов 163 Ho 66+ к первичным 163 Dy 66+ в зависимости от времени накопления. На врезке пик 163 Ho 67+ , зарегистрированный внутренним детектором

Варьируя интервал времени между очисткой пучка от примеси Ho 66+ и временем регистрации вновь образующихся в пучке примеси ионов Ho 66+ , можно измерить период полураспада полностью ионизированного изотопа Dy 66+ . Оно оказалось равным ~0.1 года.
Аналогичный распад был обнаружен и для 187 Re 75+ . Полученный результат крайне важен для астрофизики. Дело в том, что нейтральные атомы 187 Re имеют период полураспада 4·10 10 лет и используются как радиоактивные часы. Период полураспада 187 Re 75+ составляет всего 33±2 года. Поэтому в астрофизические измерения необходимо вносить соответствующие поправки, т.к. в звездах 187 Re чаще всего находится в ионизированном состоянии.
Изучение свойств полностью ионизованных атомов открывает новое направление исследований экзотических свойств ядер, лишенных кулоновского воздействия внешней электронной оболочки.

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.

Распад нейтрона

Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут вылететь из него отрицательно заряженные электроны в виде?-частиц. А что если электронов в ядре нет и они образуются в момент распада? Применим законы сохранения в поисках правильного решения.

Образование электрона означает возникновение отрицательного электрического заряда. Но по закону сохранения электрического заряда отрицательный заряд не может образоваться, пока одновременно не возникнет положительный. Однако ни одна положительно заряженная частица не вылетает из ядра вместе с?-частицей следовательно, такая частица должна остаться внутри ядра. Известно, что внутри ядра существует одна-единственная положительно заряженная частица - протон. Из всего сказанного следует, что, когда из ядра вылетает электрон, внутри ядра образуется протон. Перейдем к закону сохранения энергии. Протон обладает массой, и если он образуется, где-то в другом месте должна исчезнуть масса. Во всех ядрах, кроме водорода-1 присутствуют нейтроны. Будучи незаряженным, нейтрон появляется или исчезает, не нарушая закон сохранения электрического заряда. Следовательно, при излучении?-частицы внутри ядра исчезает нейтрон и одновременно возникает протон (рис. 4). Другими словами, нейтрон превращается в протон, испуская при этом электрон. Нарушение закона сохранения энергии не наблюдается, так как нейтрон чуть-чуть тяжелее протона. Протон и электрон вместе имеют массу 1,008374 по шкале атомных весов, а масса нейтрона равна 1,008665. При превращении нейтрона в электрон и протон масса 0,00029 «исчезает». В действительности она превращается в кинетическую энергию вылетающей?-частицы, равную примерно 320 кэв.

Рис. 4. Излучение?-частицы.

Такое объяснение кажется удовлетворительным, поэтому подведем итог, используя по возможности простую систему символов. Обозначим нейтрон n, протон p + , электрон е - и запишем уравнение излучения?-частицы:

n ? р + + е - .

Наши рассуждения только косвенно отражают то, что происходит внутри ядра. В действительности нельзя заглянуть внутрь ядра и увидеть, как протон превращается в нейтрон, когда вылетает заряженный электрон. По крайней мере, до сих пор нельзя. А можно ли наблюдать отдельные нейтроны в свободном состоянии? Будут ли они, так сказать, на наших глазах превращаться в протоны и испускать быстрые электроны?

В 1950 году физикам удалось, наконец, получить ответ. Свободные нейтроны время от времени распадаются и превращаются в протоны, причем происходит это не часто. Каждый раз, когда нейтрон претерпевает такое изменение, излучается электрон.

Нейтроны существуют в свободном состоянии до тех пор, пока не произойдет распад, и вопрос о том, как долго длится этот период, очень важен. Когда конкретно нейтрон претерпит радиоактивный распад, - сказать невозможно. Процесс этот носит случайный характер. Один нейтрон существует, не распадаясь, одну миллионную долю секунды, другой - пять недель, третий - двадцать семь миллиардов лет. Тем не менее, для большого количества частиц одного типа с достаточной степенью точности можно предсказать, когда распадется определенный процент их. (Аналогичным образом страховой статистик не может предсказать, как долго будет жить отдельный человек, но для большой группы людей определенного возраста, профессии, места жительства т. д. со значительной точностью он может предсказать, через сколько времени половина из них умрет.)

Время, в течение которого распадается половина частиц данного типа, называют обычно периодом полураспада частицы. Этот термин был введен Резерфордом в 1904 году. Каждый вид частиц имеет свой собственный характерный период полураспада. Например, период полураспада урана-238 4,5·10 9 лет, тория-232 гораздо больше - 1,4·10 10 лет. Поэтому уран и торий до сих пор встречаются в значительных количествах в земной коре, несмотря на то что в каждый момент некоторые из их атомов распадаются. В течение всей пятимиллиардной истории Земли распалась только половина запасов урана-238 и гораздо меньше половины запасов тория-232.

Некоторые радиоактивные ядра гораздо менее стабильны. Например, когда уран-238 излучает?-частицу, он превращается в торий-234. Период полураспада тория-234 только 24 дня, поэтому в земной коре имеются лишь следы этого элемента. Он очень медленно образуется из урана-238 и, образовавшись, очень быстро распадается.

Распадаясь, торий-234 излучает?-частицу. Внутри ядра тория нейтрон превращается в протон. Это превращение тория-234 происходит с такой скоростью, что период полураспада равен двадцати четырем дням, В других радиоактивных изотопах нейтроны гораздо медленнее превращаются в протоны. Например, калий-40 излучает?-частицы с периодом полураспада 1,3·10 9 лет. Некоторые изотопы вовсе не подвержены радиоактивному распаду. Так, в ядрах атомов кислорода-16, насколько известно, ни один нейтрон сам по себе не превращается в протон, т. е. период полураспада бесконечен. Однако нас больше всего интересует период полураспада свободного нейтрона. Свободный нейтрон не окружен другими частицами, которые делали бы его более или менее стабильным, удлиняя или укорачивая его период полураспада, т. е. в случае свободного нейтрона мы имеем, так сказать, неискаженный период полураспада. Оказывается, он равен примерно двенадцати минутам, следовательно, половина из триллиона нейтронов превращается в протоны и электроны в конце каждой двенадцатой минуты.

Из книги Физики продолжают шутить автора Конобеев Юрий

Послеобеденные замечания о природе нейтрона Ж. Вервье Речь при закрытии Антверпенской конференции 1965 г. В ходе настоящей конференции мы слышали много интересных суждений об объекте, называемом «Нейтрон», от различных ученых из самых разных стран. Мы должны, однако,

Из книги Курс истории физики автора Степанович Кудрявцев Павел

Из книги автора

История открытия нейтрона История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чедвика обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой гипотезы Резерфор-да). Резерфорд, как мы знаем, осуществил первую искусственную ядерную