Гамма-излучение ядер и внутренняя конверсия электронов

Гамма-излучением называется электромагнитное излучение, возникающее при переходе атомных ядер из возбужденных в более низкие энергетические состояния. В таких процессах числа протонов и нейтронов в ядре не изменяются, но испускаются g-кванты. Спектр g-излучения всегда дискретный, так как дискретны энергетические уровни самого ядра. Обычно энергия g-квантов, испускаемых атомными ядрами, лежит в пределах примерно от 10 кэВ до 5 МэВ

Переход ядра из возбужденного состояния в нормальное при g-излучении может быть однократным, когда ядро после испус­кания одного кванта сразу переходит в нормальное состояние

(рис. 136а). Но снятие возбуждения может быть и каскадным, когда переход осуществляется в результате последовательного испускания нескольких у-квантов (рис. 136б).

Изолированный свободный нуклон испускать g-квант не мо­жет, так как в противном случае было бы нарушено одновремен­ное выполнение законов сохранения энергии и импульса. Однако этот процесс может происходить и действительно происходит внутри ядра, поскольку испущенный (или поглощен­ный) g-квант может обмениваться импульсом не только с рас­сматриваемым нуклоном, но и с остальными нуклонами ядра. Таким образом, в противоположность b-распаду, испускание g-лучей есть внутриядерный, а не внутринуклонный процесс.

Возбужденные ядра образуются при b-распаде в тех случаях, когда распад материнского ядра в основное состояние до­чернего ядра оказывается запрещенным.

 

Возбужденные ядра, способные к g-излучению, могут возникать также в результате предшествующего a-распада. Однако g-кванты, испускаемые таким путем, обычно обладают невысо­кими энергиями (E < 0,5 МэВ). Это связано с тем, что для ис­пускания g-квантов высоких энергий материнские ядра должны испускать a-частицы также очень высоких энергий. Энергия a-частицы должна быть достаточной не только для преодоления потенциального барьера, но и для сильного возбуждения возни­кающего дочернего ядра. Обычно a-частицы, испускаемые атом­ными ядрами, этому условию не удовлетворяют.

Возбужденные ядра, способные к испусканию g-квантов, могут также возникать в результате захвата нейтронов, в результате кулоновского возбуждения ядер при столкновениях с заряжен­ными частицами в различных ядерных реакциях.

 

Возбужденное ядро может перейти в основное состояние не только путем испускания g-кванта, но и путем непосредственной передачи энергии возбуждения одному из электронов атомных оболочек (К-, L-, M-электрону и т. д.). Этот процесс, конкури­рующий с g-излучением, называется внутренней конверсией электронов, а сами электроны — электронами внутренней конвер­сии.

Энергия электрона внутренней конверсии E_e определяется вы­ражением

где E — энергия, освобождаемая при ядерном переходе, а e — энергия связи электрона в электронной оболочке атома. Очевид­но, что электроны внутренней конверсии моноэнергетичны. Это и позволяет отличить их от электронов, испускаемых при b-распаде ядер, спектр которых непрерывен.

Если энергия возбужде­ния ядра Е меньше энергии связи электрона e_к в К-слое, то, очевидно, внутренняя конверсия на электронах К-слоя энергети­чески невозможна. Такой случай может иметь место для тяже­лых ядер. Однако в этом случае может происходить внутренняя конверсия на электронах других слоев.

Внутренняя конверсия сопровождается рентгеновским излу­чением, которое возникает в результате переходов электрона с вышележащих электронных слоев и оболочек на место, освобож­денное электроном внутренней конверсии.

Если энергия Е возбуждения ядра превышает удвоенную соб­ственную энергию электрона, т. е.

то может происходить процесс парной конверсии, при котором ядро теряет энергию возбуждения путем одновременного испускания электрона и позитрона. Электронная оболочка атома на такой процесс не оказывает никакого влияния, а потому он мо­жет происходить на ядре, лишенном атомных электронов. Однако вероятность парной конверсии не превышает примерно тысячной доли вероятности испускания g-кванта.

 

Дальше – по желанию ядра-изомеры

Среднее время жизни g-активных ядер обычно невелико (порядка 10^-7—10^-8 с). Однако при сочетании высокой степени запрета с малыми расстояниями между энергетическими уровня­ми могут возникать долгоживущие или метастабилъные g-активные ядра с временами жизни макроскопического масштаба (до нескольких часов и даже больше). Такие возбужденные метастабильные ядра называются изомерами. Явление изомерии было открыто в 1921 г. Отто Ганом (1879—1968). Он обнаружил, что при b-превращениях

получаются два радиоактивных вещества, которые состоят из одинаковых ядер Ра-234,- но имеют раз­личные периоды полураспада (6,7 ч и 1,22 мин соответственно). В 1935 г. аналогичное явление было открыто И. В. Курчатовым с сотрудниками на искусственных радиоактивных ядрах Br-80 и Вг-82, получаемых путем облучения нейтронами естественной смеси изотопов брома Вг-79 и Br-81. Объяснение природы изо­мерии существованием у ядер метастабильных состояний было дано в 1936 г. Вейцзеккером.

Обычно изомерные состояния наблюдаются у ядер, у которых значения Z и N, лежат непосредственно перед магическими числами 50, 82 и 126 со стороны меньших Z и N. Как правило, изомерные состояния совпадают с первым возбужденным уровнем ядра. Та­кие закономерности следует ожидать и с точки зрения оболочечной модели ядра. Но существуют и изомеры, не подчиняющиеся этим правилам (таков, например, изомер кюрия Сm-244 с энер­гией возбуждения 1,04 МэВ).

В некоторых случаях ядра могут иметь по два метастабиль­ных уровня и, следовательно, обнаруживать три периода полу­распада. Примером может служить ядро Sb-124, испускающее электроны с периодами полураспада 60 дней, 21 и 1,3 мин.

Известно около сотни достаточно долгоживущих ядер изомеров. Наибольшее число изомерных состояний встре­чается у ядер с нечетным массовым числом А. Изомеры доста­точно часто встречаются у нечетно-нечетных ядер и очень редко

у четно-четных. Время жизни возбужденного ядра изменяется в широких пределах (от очень малых долей секунды до многих тысяч лет). Так, изомер Np-236 имеет период полураспада 5000 лет, а изомер ¹³⁵Cs — 2,8 • 10^-10 с. Можно ожидать, что с развитием методики эксперимента будут обнаружены изомеры с еще более длинными и короткими периодами полураспада.

Изомерия может также проявляться в форме существования у ядра нескольких периодов полураспада относительно спонтанного деления.