Фізика напівпровідників (стр. 21 из 25)

. (7.20)

Індекси дочірнього ядра встановлюються на основі законів збереження зарядового і масового чисел: зарядове чи масове число до реакції рівне сумі відповідних чисел після реакції. Звідси випливають так звані правила зміщення; зокрема, при

-розпаді Z дочірнього ядра на 2, а А на 4 менше, ніж у материнського ядра, наприклад

.

Енергія реакції

-розпаду визначається на основі формули (7.7), де дефект маси реакції

. (7.21)

Ця енергія виділяється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції, яку можна розрахувати на основі законів збереження енергії та імпульсу.

У більшості випадків радіоактивний елемент випромінює

-частинки декількох чітко визначених груп. Це обумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати не тільки в основному стані 1, але і в збуджених станах 2,3,… (мал.7.3). За час існування збуджених станів с дочірнє ядро переходить в більш низький чи нормальний стан, випромінюючи -квант. Так виникають -промені, які, звичайно, супроводжують -розпад, хоча дочірнє ядро може звільнитись від надлишку енергії також іншими способами: випромінюючи яку-небудь частинку, або йонізуючи атом (процес внутрішньої конверсії).

Процес

-розпаду не можна пояснити на основі класичної механіки: з радіоактивних ядер випромінюються -частинки з енергією ~6МеВ, в той же час, при бомбардуванні ядер -частинками з енергією ~8МеВ такі -частинки не проникають в ядро. Ядро для -частинки є потенціальним бар’єром, висота якого U0 більша енергії -частинки Е (мал.7.4). Внутрішня сторона бар’єру обумовлена ядерними силами, зовнішня – силами кулонівського відштовхування. Явище стає зрозумілим на основі квантової механіки: -частинка виникає в момент радіоактивного розпаду ядра і долає бар’єр ядра на основі тунельного ефекту (для мікро- частинки існує відмінна від нуля ймовірність проникнути через бар’єр з енергією, меншою висоти бар’єру; Г. Гамов, 1929 р).

Маючи великий заряд і масу,

-частинки інтенсивно йонізу- ють молекули речовини, тому пробіг -частинок в речовині – незначний; вони, наприклад, повністю затримуються аркушем паперу. Проникна здатність - променів – значна: щоб зменшити їх інтенсивність вдвічі, потрібний шар свинцю товщиною~1см.

Існує три різновиди

-розпаду: -розпад (ядро випромінює електрон ), -розпад (ядро випромінює позитрон ) і так зване електронне захоплення (ядро поглинає один з електронів К–, рідше L–, чи М– шару свого атома).

-розпад відбувається за схемою

; (7.22)

звідси видно, що при

-розпаді масове число дочірнього ядра не змінюється, а зарядове число змінюється на одиницю, наприклад, . Пояснення -розпаду зустрілося з труднощами:

1. незрозумілим було походження електрона (електронів у ядрах немає);

2. незрозумілим був неперервний характер

-спектрів ядер (мал.7.5);

3. було незрозуміло, чому при

-розпаді не змінюється спін ядра?

Ці труднощі усунули В. Паулі та Е.Фермі (1932–1934 р.р.). Вони висунули гіпотезу, що електрон при

-розпаді виникає в ядрі разом з антинейтрино за рахунок процесу

. (7.23)

Антинейтрино не має маси спокою і електричного заряду, але має спін 1/2. Процес (7.23) – можливий енергетично, бо

він пояснює походження електрона при -розпаді, а також – незмінність масового числа і зростання зарядового числа дочірнього ядра на одиницю (протон залишається в ядрі). Виліт з ядра двох партнерів (електрона і антинейтрино), спіни яких компенсуються, усуває трудність зі спіном при -розпаді, а також пояснює неперервний характер -спектру, бо максимальна енергія -розпаду розподіляється між двома партнерами статистично. Походження -променів, що супроводжують -розпад – таке ж, як і при -розпаді: дочірнє ядро може виникати у збуджених станах, висвічуючи -кванти при переходах у більш низькі стани.

-розпад відбувається за схемою

, (7.24)

наприклад,

. Він супроводжується випромінюванням позитрона і нейтрино , які є античастинками, відповідно, для електрона і антинейтрино . Цей вид -розпаду має місце для штучнорадіоактивних ядер, які мають надлишок протонів над нейтронами. Його можна пояснити за рахунок процесу

. (7.25)

Для вільного протона цей процес – неможливий, бо

; в ядрі ж протон може запозичити потрібну енергію від інших нуклонів ядра.

Реакція електронного захоплення має вигляд

, (7.26)

що можна пояснити перетворенням протона в нейтрон

. (7.27)

Захоплення електрона ядром супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, яке обумовлене перебудовою електронної оболонки атома внаслідок виникнення електронної вакансії в ній. По цьому випромінюванню і було відкрите К-захоплення експериментально (Альварец, 1937 р.).

Суттєва для пояснення

-розпаду гіпотеза нейтрино Паулі-Фермі стала початком вивчення так званої слабкої взаємодії, відповідальної за ряд перетворень елементарних часток. Ця гіпотеза була підтверджена експериментально Рейнсом і Коуеном (1953–1956р.р.), яким при роботі на реакторі вдалось підтвердити реакцію