§ 25. ЯДЕРНЫЕ СПЕКТРЫ

Исследования атомных и молекулярных спектров доказывают квантовый характер внутриатомных и межатомных взаимодействий. Однако все рассмотренные до сих пор типы спектров относились только к электромагнитному взаимодействию частиц. Это — взаимодействие электронов в атомах с атомными ядрами между собой, а также взаимодействие между атомами в молекулах и кристаллах. Но действуют ли квантовые законы в системах, связанных силами не электромагнитной природы? На этот вопрос дает ответ физика атомного ядра и элементарных частиц.

Внутри атомных ядер наряду с электромагнитными силами действуют ядерные силы, называемые еще сильным взаимодействием. Сильное взаимодействие не зависит от того, обладают ли частицы электрическим зарядом. Это взаимодействие совершенно иной физической природы.

Исследования свойств атомных ядер обнаружили, что, подобно атомам, ядра обладают дискретными энергетическими спектрами. Ядро, переведенное из основного состояния в возбужденное,

Рис. 119

самопроизвольно возвращается в состояние с минимальной энергией (основное состояние) за время порядка с. Избыток энергии при этом переходе испускается в виде кванта электромагнитного излучения называемого гамма-квантом.

Гамма-фотоны отличаются от фотонов видимого света значительно большей энергией, а следовательно, и большей частотой. Это объясняется тем, что разность энергии между основным и первым возбужденным уровнями ядра выражается величиной порядка 1 МэВ, тогда как для внешней электронной оболочки атомов эта величина обычно не превышает 10 эВ. Малое время жизни возбужденных состояний ядер по сравнению со временем жизни возбужденных состояний атомов и большое значение энергии гамма-квантов объясняются тем, что ядерные силы значительно превосходят электромагнитные силы.

Для возбуждения атомных ядер и получения их спектров излучения можно использовать процессы неупругих столкновений быстрых заряженных частиц с атомными ядрами. Очевидно, что энергия частиц, которыми бомбардируется ядро, должна быть больше разности энергий между основным и возбужденными состояниями ядра. Так как эта энергия измеряется миллионами электрон-вольт, то частицы, используемые для бомбардировки атомных ядер с целью изучения их спектров, должны обладать энергиями в миллионы электрон-вольт. Для получения пучков частиц с такими энергиями используют ускорители заряженных частиц.

Например, можно направить моноэнергетический пучок протонов из ускорителя на тонкую мишень, содержащую вещество, спектр возбужденных состояний атомных ядер которого предстоит исследовать. Протоны, испытавшие рассеяние при неупругих столкновениях с атомными ядрами, попадают в магнитный спектрометр, разделяются в магнитном поле по импульсам и, следовательно, по энергиям (рис. 119). Измерив энергию протона после рассеяния на атомном ядре, можно определить изменение его энергии и тем самым определить энергию возбужденного состояния ядра.

Распределение по энергиям протонов, испытавших рассеяние на мишени, содержащей изотоп железа представлено на рисунке 120.

По этому спектру можно определить спектр энергетических уровней ядра изотопа железа (рис. 121).

Спектры большого числа атомных ядер удается исследовать

Рис. 120

более простым способом — путем изучения самопроизвольного распада ядер (радиоактивность).

Если ядро, возникающее в результате альфа-распада, имеет возбужденные уровни, лежащие ниже основного уровня исходного ядра, то возможен переход ядра путем альфа-распада на один из них. Возбужденное ядро, образовавшееся в результате альфа-распада, за время порядка с переходит в нормальное состояние с испусканием одного или нескольких гамма-квантов. Таким образом, альфа-распад часто сопровождается гамма-излучением. Гамма-кванты испускаются практически одновременно с испусканием альфа-частиц, но не исходным ядром, а ядром-продуктом. Изучение энергетического спектра альфа-частиц или гамма-квантов позволяет определить схему энергетических уровней ядра-продукта.

Возбужденные ядра возникают и при другом типе радиоактивного превращения атомных ядер — при бета-распаде.