1. β-излучение радиоактивных веществ и методы определения максимальной энергии

β-распадом является процесс самопроизвольного (спонтанного) превращения ядра в ядро- изобар, т. е. ядро с тем же атомным весом, но зарядом, отличным на 'Z = ±1 за счет испускания электрона (позитрона). β-распад является проявлением фундаментального слабого взаимодействия элементарных частиц. Согласно современным представлениям β-распад обусловлен превращениями кварков друг в друга. При β-распаде с испусканием электрона один из d-кварков нуклона превращается в u-кварк, при этом нейтрон в составе ядра превращается в протон. При испускании позитрона происходит обратное превращение. В случае, когда для соседних изобар масса исходного ядра M (A, Z) больше массы M (A, Z ± 1) конечного ядра, так что М (A, Z) > М (A, Z ± 1) + me + mn , (me – масса электрона (позитрона), mn – масса антинейтрино (нейтрино)), ядро ZXA неустойчиво по отношению к β-распаду.

Всегда, когда энергетически выгоден β-распад с испусканием позитрона, возможен так называемый захват электрона с К-оболочки атома или К-захват.

Простейший пример электронного β-распада – распад свободного нейтрона с периодом полураспада 613.9 ± 0.6 (сек): n → р + е + ve на р – протон, е – электрон и ve – антинейтрино.

Характерной особенностью β-распада является то, что электроны и позитроны, испускаемые атомными ядрами радиоактивного вещества, имеют всевозможные значения кинетической энергии от 0 до некоторой, вполне определенной максимальной энергии Еmax, (граничной энергии β-спектра). Значения Еmax для β-частиц различных радиоактивных веществ сильно отличаются (см. табл. 1). Энергетический спектр электронов β-распада нейтрона показан на рис. 1. Импульсные диаграммы распадов, соответствующие разным участкам энергетического спектра электронов, приведены под рисунком.

Рис. 1 Энергетический спектр электронов, образующихся при β-распаде свободного нейтрона, полученный в работе Кристенсена и др. Pe,v,я - импульсы электрона, антинейтрино и ядра соответственно. Кривая соответствует теоретическому спектру, исправленному с учетом энергетического разрешения спектрометра. Еβ - кинетическая энергия электронов в единицах его энергии покоя mec2 = 511 кэВ.

Поскольку электронный (позитронный) β-распад – процесс трехчастный то, согласно закону сохранения импульса:

→Pe+→Pv+→Pя = 0

Энергетический баланс β-распада может быть записан в виде:

ΔEβ=[M(A,Z)-M(A,Z+1)]c2=Ee+Ev+Eя+mec2+mvc2

где Ее, Еv и Ея – кинетические энергии электрона, антинейтрино и ядра отдачи. Если пренебречь малой величиной Ея, то справедливо приближенное равенство:

ΔEβ=Emax+mec2+mvc2

Это соотношение может быть использовано для оценки массы нейтрино. Был проведен ряд экспериментов по измерению массы нейтрино прямыми методами (см. Приложение). В экспериментах по измерению спектра электронов от распада трития получены ограничения на массу электронного нейтрино. По данным на 2001 г. на массу нейтрино установлен предел mve < 2.2 эВ/с2.

Таким образом, чтобы определить энергию β-распада необходимо измерить максимальную энергию Еmax. Наиболее точно энергию β-частиц можно определить с помощью магнитного или полупроводникового спектрометра. Наиболее простым методом определения максимальной энергии является метод поглощения.

Далее
  • Полное содержание
  • Краткая теория
  • Выполнение работы
  • Контрольные вопросы
  • Библиографический список
  • Приложение