Радиационное излучение и его проявление в Сверловской области и городе Екатеринбурге
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?е и постоянной радиоактивного распада ?:
ln ? =A+В ln R?, (1.1)
где А и В эмпирические константы, ? = ln 2/T . Согласно (1.1), чем меньше период полураспада радиоактивного элемента, тем больше пpo6eг, а следовательно, и энергия испускаемых им ?-частиц. Пробег ?-частиц в воздухе (при нормальных условиях) составляет несколько сантиметров, в более плотных средах он гораздо меньше, составляя сотые доли миллиметра (?-частицы можно задержать обычным листом бумаги).
Опыты Резерфорда по рассеянию ?-частиц на ядрах урана показали, что ?-частицы вплоть до энергии 8,8 МэВ испытывают на ядрах резерфордовское рассеяние, т. е. силы, действующие на ?-частицы со стороны ядер, описываются законом Кулона. Подобный характер рассеяния ?-частиц указывает на то, что они еще не вступают в область действия ядерных сил, т, е. можно сделать вывод, что ядро окружено потенциальным барьером, высота которого не меньше 8,8 МэВ. С другой стороны, ?-частицы, испускаемые ураном, имеют энергию 4,2 МэВ. Следовательно, ?-частицы вылетают из а-радиоактивного ядра с энергией, заметно меньшей высоты потенциальною барьера. Классическая механика этот результат объяснить не могла.
Объяснение ?-распада дано квантовой механикой, согласно которой вылет ?-частицы из ядра возможен благодаря туннельному эффекту проникновению ?-частицы сквозь потенциальный барьер. Всегда имеется отличная от нуля вероятность того, что частица с энергией, меньшей высоты потенциального барьера, пройдет сквозь него, т. е. действительно, из ?-радиоактивного ядра ?-частицы могут вылетать с энергией, меньшей высоты потенциального барьера- Этот эффект целиком обусловлен волновой природой ?-частиц.
Вероятность прохождения ?-частицы сквозь потенциальный барьер определяется его формой и вычисляется на основе уравнения Шредингера. В простейшем случае потенциального барьера с прямоугольными вертикальными стенками коэффициент прозрачности, определяющий вероятность прохождения сквозь него, определяется рассмотренной ранее. Анализируя это выражение, видим, что коэффициент прозрачности D тем больше (следовательно, тем меньше период полураспада), чем меньший по высоте {V) и ширине (0 барьер находится на пути ?-частицы. Кроме того, при одной и той же потенциальной кривой барьер на пути частицы тем меньше, чем больше ее энергия Е. Таким образом качественно подтверждается закон Гейгера Нэттола .
I.3.2. ?-Распад. Нейтрино
Явление ?-распада подчиняется правилу смещения
и связано с выбросом электрона. Пришлось преодолеть целый ряд трудностей, связанных с трактовкой ? -распада.
Во-первых, необходимо было обосновать происхождение электронов, выбрасываемых в процессе ? -распада. Протонно-нейтронное строение ядра исключает возможность вылета электрона из ядра, поскольку в ядре электронов нет. Предположение же, что электроны вылетают не из ядра, а из электронной оболочки, несостоятельно, поскольку тогда должно было бы наблюдаться оптическое или рентгеновское излучение, что не подтверждают эксперименты.
Во-вторых, необходимо было объяснить непрерывность энергетического спектра испускаемых электронов (типичная для всех изотопов кривая распределения ? -частиц по энергиям приведена на рис. 1). Каким же образом ?-активные ядра, обладающие до и после распада вполне определенными энергиями, могут выбрасывать электроны со значениями энергии от нуля до некоторого максимального Emax т.е. энергетический спектр испускаемых электронов является непрерывным? Гипотеза о том, что при ?-распаде электроны покидают ядро со строго определенными энергиями, но в результате каких-то вторичных взаи-
Рис.1
модействий теряют ту или иную долю своей энергии, так что их первоначальный дискретный спектр превращается в непрерывный, была опровергнута прямыми калориметрическими опытами. Так как максимальная 'энергия Emax определяется разностью масс материнского и дочернего ядер, то распады, при которых энергия электрона Е < Emax, как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположение, что чакон сохранения энергии носи! статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить это затруднение.
В-третьих, необходимо было разобраться с не сохранением спина при ?-распаде. При ? -распаде число нуклонов в ядре не изменяется (так как не изменяется массовое число А), поэтому не должен изменяться и спин ядра, который равен целому числу h при четном А и полуцелому h при нечетном А. Однако выброс электрона, имеющего спин h/2, должен изменить спин ядра на величину h /2.
Последние два затруднения привели В. Паули к гипотезе (1931) о том, что при ?-распаде вместе с электроном испускается еще одна нейтральная частица нейтрино. Нейтрино имеет нулевой заряд, спин h /2и весьма малую (вероятно нулевую) массу покоя; обозначается 0/0 ? е. Впоследствии оказалось, что при ?-распаде испускается не нейтрино, а антинейтрино (античастица по отношению к нейтрино; обозначается 0/0 ? е).
Гипотеза о существовании нейтрино позволила Э. Ферми создать теорию ?-распада (1934), которая в основном сохранила свое значение и в настоящее время, хотя экспериментально существование нейтрино было доказано более чем через 20 лет (1956). Столь длительные поиски нейтрино сопряжены с большими трудностями, обусловленными отсутствием у н