§ 92. Индуцированная позитронная и электронная радиоактивность. Фоторасщепление ядер, K-захват

В начале 30-х годов (всего в течение 3 лет — в 1932-1934 гг.), кроме открытия нейтронов, позитронов и процессов взаимопревращения у-фотонов и электронно-позитронных пар, было сделано ещеодно важнейшее открытие. Именно в 1933-1934 гг. супруги Кюри-Жолио, а вслед за ними другие физики установили, что распад ядер происходит не только во время облучения элемента потоком -частиц, протонов, нейтронов или дейтонов, но и после облучения (когда облучение прекращено), в продолжение более или менее значительного промежутка времени — порядка минут, часов или даже дней. Кюри-Жолио, Ферми и другие ученые установили, что при облучении элементов или -лучами возникают новые радиоактивные изотопы, распадающиеся по тем же законам, что и естественные радиоактивные вещества и испускающие в процессе распада электроны или позитроны и у-фотоны. Это явление получило название индуцированной или искусственной радиоактивности.

Например, можно получить радиоактивный изотоп азота (радиоазот) Для этого нужно в течение некоторого времени подвергать бор бомбардировке -частицами или же бомбардировать углерод быстрыми протонами. В последнем случае происходит превращение:

а в первом ядро бора поглощает -частицу и испускает нейтрон:

Образующийся в этих реакциях радиоазот испускает быстрые позитроны -лучи) и превращается в устойчивый изотоп углерода:

Активность радиоазота, как и любого естественного радиоактивного вещества, уменьшается со временем по экспоненциальному закону (4), убывая наполовину за 10 минут.

Аналогично бомбардируя алюминий -частицами, выбивающими из ядер нейтроны, получают радиоактивный изотоп фосфора — радиофосфор Радиофосфор, испуская -лучи с периодом полураспада около мин., превращается в устойчивый изотоп кремния:

При бомбардировке натрия быстрыми дейтонами образуется после выброса из ядра протона радиоактивный изотоп натрия — радионатрий Радионатрий имеет период полураспада около и превращается, испуская лучи, в устойчивый изотоп магния

Тот же радиоактивный изотоп натрия получается при облучении натрия нейтронами. В этом случае, в отличие от приведенных примеров, проникновение бомбардирующей частицы в ядро не приводит к выбросу из него другой частицы и весь процесс превращения заключается в захвате нейтрона ядром образующееся возбужденное ядро отдает избыток энергии, испуская у-фотон; такие превращения называют радиационным захватом нейтрона.

За последние годы получено более 500 радиоактивных изотопов элементов. Большинство из них испускает -лучи, около 100 испускают -лучи; многие радиоактивные изотопы вслед за выбросом электрона или позитрона излучают уфотоны.

Некоторые радиоактивные изотопы были получены при облучении стабильных элементов не потоком частиц, а улучами. Превращение элементов в результате поглощения ядром уфотона большой энергии (фоторасщепление ядра, или ядерный фотоэффект) впервые обнаружил Чадвик в 1934 г. Облучая улучами тория тяжелый водород, Чадвик установил, что поглощение уфотона (с энергией около переводит ядро тяжелого водорода — дейтон — в возбужденное состояние, которое является неустойчивым и завершается распадом на протон и нейтрон.

Поглощение у-фотона ядром бериллия вызывает выброс из ядра протона, вследствие чего образуется радиоактивный изотоп лития

Для фоторасщепления более тяжелых ядер требуются у-фотоны, имеющие энергию порядка и более. При облучении различных элементов такими фотонами происходит выброс из ядер нейтронов или протонов и образуется радиоактивный изотоп. Поглощение у-фотонов с энергией порядка приводит к освобождению из ядер нескольких частиц.

Следует отметить, что, в отличие от обычных для естественных радиоактивных веществ превращений одного из ядерных нейтронов в протон (т. е. -превращений, которые всегда сопровождаются -излучением), часто наблюдаемое при индуцированной радиоактивности противоположное превращение одного из ядерных протонов в нейтрон далеко не всегда сопровождается -излучением. Когда один из внутриядерных нейтронов превращается в протон, то при этом непременно возникает (согласно закону сохранения алгебраической суммы зарядов) электрон. Что же касается противоположного превращения одного из внутриядерных протонов в нейтрон, то этот процесс может происходить двояко: 1) с возникновением позитрона (тогда наблюдается -излучение) и 2) без возникновения позитрона с захватом ядром одного из ближайших к нему атомных электронов (тогда, понятно, нет -излучения). Так как ближайшими к ядру электронами являются электроны -слоя (§ 60), то указанный вид радиоактивного превращения (протона в нейтрон) без -излучения называют -захватом.

Поскольку при -захвате освобождается место в -слое, то в энергетическом отношении после -захвата электронная оболочка атома оказывается в возбужденном состоянии. Возврат в нормальное состояние осуществляется в результате перехода одного из электронов внешних слоев на освободившееся место в -слое, что, как известно, сопровождается возникновением характеристического рентгенова излучения -серии. Кроме того, избыточная энергия ядра, образовавшегося после захвата электрона, уносится жестким у-фотоном с энергией порядка

В некоторых случаях перестройка электронной оболочки с заполнением свободного места в -слое происходит и без рентгенова излучения, за счет автоионизации атома; в этом случае избыток энергии оболочки уносится одним из ее электронов, причем выбрасываемый электрон имеет большую скорость (эффект

Превращения внутриядерных протонов в нейтроны в результате -захвата (т. е. без излучения позитронов) наблюдаются у радиоактивных изотопов ванадия хрома марганца железа и др.

В приведенной ниже таблице даны сведения о наиболее часто применяемых радиоактивных изотопах.

(см. скан)