12.3. Радиоактивный распад

Ядерная реакция с образованием составного ядра может проходить две раздельные стадии следующим образом: а) налетающая частица поглощается ядром мишени с образованием составного ядра и б) составное ядро распадается с выбрасыванием частицы или испусканием -излучения. Обозначим составное ядро Х и предположим, что в результате ядерной реакции образуется составное ядро в возбужденном состоянии Е, показанном на левой части рис. 12.5.

Уровень Е может распадаться или с испусканием -излучения радиационного захвата» достигая основного состояния X, или (как в данном случае) с выбрасыванием протонов с тремя различными энергиями. Образование групп протонов подпитывает возбужденные состояния остаточного ядра , которые распадаются путем с переходом в основное состояние .

Рис. 12.5. Схема энергетических уровней составного ядра Х, которое находится первоначально в возбужденном состоянии Е и затем переходит в свое основное состояние путем мгновенного испускания или после испускания протонов переходит в состояния остаточного ядра . Ядро нестабильно и медленно распадается с испусканием -излучения, переходя в ядро .

Это ядро само нестабильно и распадается с испусканием -частицы, переходя в возбужденное или основное состояние ядра . Переходы и испускание протонов вероятнее всего происходят очень быстро после образования составного ядра, т. е. в пределах , но период -полураспада и, следовательно, испускания будет намного большим. Таким образом, можно разграничить два типа активационных методик: мгновенные методики, когда излучение из образца измеряется при продолжающемся облучении, и методы с временной задержкой, основанные на измерении распада радионуклида с периодом, который достаточно велик, чтобы образец мог быть удален из места облучения до измерения радиоактивности.

12.3.1. Бета-распад

По мере возрастания атомного номера возникает избыток нейтронов, необходимых для стабильности ядра, и нуклиды с отношениями чисел нейтронов и протонов , отклоняющимися от линии стабильности, подвержены радиоактивному распаду. Этот распад происходит с испусканием бета-частиц: электронов или позитронов Если отношение для радиоактивного ядра превышает соответствующее стабильному ядру с тем же массовым числом, то нейтрон конвертируется в протон с испусканием электрона и антинейтрино :

Если, однако, отношение слишком мало, ядро становится стабильным путем конверсии протонов в нейтроны внутри ядра с помощью испускания позитрона или захвата атомного орбитального электрона (электронный захват):

При -распаде энергия реакции делится между нейтрино и -частицей. Вследствие этого -частицы имеют непрерывный энергетический спектр со средней энергией около одной трети от максимальной энергии бета-распада. Энергетические спектры излучения от (время полураспада 12,9 ч) показаны на рис. 12.6.

Если распад ядра происходит путем электронного захвата, возникшая дырка в электронной орбитали (обычно в -оболочке) может быть заполнена электроном с внешней оболочки. Распад с электронным захватом связан, таким образом, с испусканием рентгеновского излучения, которое также может быть использовано в аналитических целях.

Кулоновская нестабильность ядра становится очень большой для тяжелых нуклидов. Так как ядро гелия очень стабильно, при Z > 83 имеет место а-распад. Для нуклидов, далеких от линии стабильности, происходит также замедленное испускание нейтронов и протонов. Однако. эти виды распада менее распространены и поэтому не очень важны для ядерного анализа.

Рис. 12.6. Энергетические спектры позитронов и электронов , испускаемых . Отчетливое различие между этими двумя формами спектра в значительной степени обусловлено кулоновским взаимодействием.

12.3.2. Гамма-распад

Образовавшееся в процессе -распада ядро может находиться в возбужденном состоянии. Снятие возбуждения обычно происходит путем испускания гамма-излучения. Схемы распада показаны на рис. 12.7. Поскольку снятие возбуждения путем испускания -излучения является намного более вероятным, чем -распад, то скорость -распада будет такой же, как и -распада, с которым он связан.

Из схемы распада видно, что распад происходит с испусканием как -частиц (19%), так и -частиц (39%), тогда как 42% распадов происходит с помощью электронного захвата, который приводит к рентгеновскому излучению .

Когда позитроны проходят через вещество, они могут аннигилировать с электронами (их античастицами). Если такой позитрон останавливается и затем аннигилирует со свободным электроном, сохранение импульса требует, чтобы испускались два гамма-кванта в противоположных направлениях (180°), причем каждый имеет энергию (0,51 МэВ). Позитронный распад происходит, таким образом, с испусканием аннигиляционного

Рис. 12.7. Прйнципиальиые схемы распада (время полураспада 9,5 мин) и (время полураспада 12,9 ч). При распаде происходит испускание гамма-излучения, связанное с -распадом, а при распаде — испускание и -частиц.

гамма-излучения с энергией 0,51 МэВ. Если электрон связан в атоме, то может происходить аннигиляция с испусканием одного фотона, так как атом забирает часть импульса. Однако вероятность такого процесса чрезвычайно мала.