1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.5. γ-излучение ядер 1 1.5. Гамма-излучение возбужденных ядер и его характеристики. Эффект Мёссбауэра (ядерный гамма-резонанс). Ядерная изомерия. Внутренняя конверсия Гамма-излучение ядер – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны, меньшей размера атома и большей размера ядра: 5.10-14 м≤ λ ≤ 2 10-10 м. Гамма-излучение – это поток γ-квантов с энергией E , импульсом p =ћk и спином I=1. Энергия гамма-квантов лежит в интервале 10 кэВ ≤ E γ ≤20 МэB. Гамма-излучение ядер – это самопроизвольное испускание возбужденным ядром γ-квантов. Оно обусловлено взаимодействием отдельных нуклонов ядра с электромагнитным полем ядра. При этом ядро переходит с возбужденного энергетического уровня на основной уровень (одноквантовый переход). Этот радиационный переход может быть каскадным, когда снятие возбуждения происходит путем последовательного испускания кванта с промежуточных уровней энергии. Спектр γ-излучения представляют в виде распределения γ-квантов по энергиям . Энергетический спектр ядра содержит дискретную и непрерывную компоненты. Дискретная компонента включает основной уровень и ряд уровней возбужденного состояния ядра. Выше начинается область непрерывных энергетических состояний, когда энергии возбужденного ядра достаточно для испускания ядром нуклонов. В дискретной области спектра расстояние между уровнями ядра много больше энергетической ширины уровня Г. Ширина уровня энергии определяется временем жизни τ ядра в этом состоянии Г = ћτ. Время τ фиксирует скорость γ-распада возбужденного ядра: N t N 0 exp t / , где N 0 -начальное число возбужденных ядер. 130 ~ Схема β-распада ядра йода 130 53 I 54 Xe 1 e e и каскадные переходы возбужденного ядра ксенона в основное состояние с излучением γ-квантов показаны на рис. 1.8. 130 ~ Рис. 1.8. Схема -распада ядра йода 130 53 I 54 Xe 1 e e . Три каскадных перехода возбужденного ядра в основное состояние сопровождаются излучением трех гамма-квантов с энергиями E 0,7 МэВ, 0,66 МэВ, 0,54 МэВ соответственно 1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.5. γ-излучение ядер 2 Законы сохранения при гамма-излучении ядер При излучении γ-кванта возбужденное ядро испытывает отдачу. Из закона сохранения импульса импульс γ-кванта равен импульсу ядра: pγ = Pя. Согласно закону сохранения энергии: разность между двумя уровнями энергии E0 равна энергии гамма-кванта Eγ и кинетической энергии ядра Tя при отдаче: E0 =Eγ + Tя. 1.46) Кинетическая энергия ядра отдачи Тя = Ря2/2Мя = pγ2/2Мя = E02/2Мяс2≈ E γ 2/2Мяс2 (1.47) мала по сравнению с энергией гамма-кванта, который уносит почти всю энергию возбуждения ядра. Для изолированной системы (ядра) момент импульса сохраняется. При переходе из состояния с энергией Еn со спином In в состояние с энергией Еf со спином If γ-квант уносит угловой момент, равный векторной разности In – If = L. Модуль L ограничен неравенствами In I f L In I f (1.48) для фотона L – целое число. Значение L=0 строго запрещено из-за поперечности электромагнитных волн. Если L=1, то излучение называется дипольным, если L=2 – излучение квадрупольное. Если волновая функция L фотона имеет четность 1 , то излучение электрического типа. При четности 1 излучение магнитного типа. Е1 – γ-квант электрического дипольного излучения ядра. М1 – γ-квант магнитного дипольного излучения ядра. Е2 и М2 – квадруполи. Четность ядерной волновой функции при электромагнитном переходе с испусканием γ-кванта определяется законом сохранения четности (четность – мультипликативная функция): L 1 f n , (1.49) πf – четность конечного состояния, πn – четность начального состояния, πγ – четность γ-кванта. Состояние ядра принято обозначать символом I . 1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.5. γ-излучение ядер 3 Эффект Мёссбауэра (ядерный гамма-резонанс) Ядерный γ-резонанс – испускание или поглощение γ-квантов атомными ядрами в твердом теле, без изменения колебательной энергии тела (Р. Мёссбауэр, 1958). Мёссбауэровские переходы наблюдаются у 73 изотопов 41 элемента. При испускании или поглощении γ-кванта свободное неподвижное ядро приобретает импульс Р = Еγ/с, где Еγ – энергия γ-кванта. Энергия поступательного движения свободного ядра Тя = Р2/2Мя = E02/2Мяс2. Линии испускания и поглощения γ-квантов атомными ядрами в газах отличаются на величину 2Т и становятся широкими за счет теплового движения и эффекта Доплера. Если поместить резонансное γ-активное ядро в кристаллическую решетку и понизить температуру, тогда энергия отдачи закрепленного в решетке ядра передастся колебаниями соседних атомов по решетке. Энергия отдачи закрепленного ядра Тя E02 2 M я N c2 уменьшается практически до нуля. Число соседних атомов N~108. Доплеровская ширина γлиний Δ = 2(ТяkBT)1/2 при понижении температуры до Т=77 К, также уменьшается. Остается естественная ширина линии Г= ћ/τ. Спектрометр для наблюдения эффекта Мёссбауэра состоял из источника γ-квантов, резонансного поглотителя и детектора γ-квантов. Источнику γ191 ~) квантов – изотопу иридия в возбужденном состоянии ( 191 76 Os 77 Ir 1 e e сообщается скорость v относительно поглотителя. Энергия γ-квантов (Еγ = 129 кэВ) за счет эффекта Доплера меняется на величину ΔЕγ= E0v/c. Скорости в интервале 0,1÷10 см приводят к смещению линии на величину Г. Поглотитель (Иридий) содержит те же ядра, что и источник, но в основном состоянии. Детектор γ-квантов расположен за поглотителем и считает число γ-квантов в единицу времени в зависимости от скорости источника. Если скорость источника велика, линия испускания находится далеко от линии поглощения, и число регистрируемых γ-квантов постоянно. При малых скоростях источника линия испускания проходит через линию поглощения, число регистрируемых γ-квантов падает, наблюдается резонансное поглощение. Таким образом, плавно меняя скорость источника γ-квантов, определяют местоположение и форму мёссбауэровской линии (см. рис.1.9). 1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.5. γ-излучение ядер 4 Рис. 1.9. а) линия излучения и линия поглощения гамма-квантов свободным ядром не совпадают; б) схема опыта Мэссбауэра для резонансного поглощения гаммаквантов в кристаллическом веществе. И-источник γ-квантов на краю вращающегося диска, П-поглотитель, Д-детектор (счетчик γ-квантов). К1 и К2 – криостаты; в) экспериментальный график зависимости относительной разности интенсивности γ-квантов, проходящих через иридиевый поглотитель и калибровочный платиновый поглотитель, что необходимо для оценки фона. Резонансная кривая исчезает при скорости источника 2 см/сек, за счет доплеровского смещения. Это означает, что наблюдается узкая линия поглощения с шириной порядка 10-5 эВ Ядерная изомерия Ядерная изомерия – существование у некоторых γ-активных ядер метастабильных (долгоживущих) возбужденных состояний вместе с основным состоянием. Явление открыто Ганном в 1921 г. Ядерная изомерия проявляется в том, что у одного радиоактивного изотопа наблюдаются два или более периода полураспада. Распад нуклида ZA X из основного состояния происходит с одним периодом, а распад того же нуклида из изомерного состояния, которое обозначают индексом m, AmZ X c другим периодом полураспада. Известно около 100 ядерных изомеров, например, изомер изотопа индия 11549m In имеет среднее время жизни 14,4 ч, изотоп висмута в изомерном состоянии 21083m Bi имеет период полураспада 106 лет. Причиной существования изомерии ядер является уменьшение вероятности испускания γ-квантов из возбужденного состояния. Чем выше мультипольность и чем меньше энергия перехода, тем меньше вероятность γперехода. Внутренняя конверсия Внутренняя конверсия (изменение) – явление, при котором энергия, высвобождаемая при электромагнитном переходе возбужденного атомного 1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.5. γ-излучение ядер 5 ядра с энергией Еn в состояние с меньшей энергией Еk передается в результате электромагнитного взаимодействия одному из электронов, который покидает атом. Явление внутренней конверсии соперничает с γизлучением. Кинетическая энергия конверсионного электрона Te Ee , где E n E k – энергия ядерного перехода, Ее – энергия связи электрона в атоме. Электроны могут быть выбиты с различных (K, L, M) оболочек атома (см. рис. 1.10). Коэффициент конверсии k – это отношение вероятности внутренней конверсии we к вероятности wγ перехода с испусканием γ-кванта (10-3 < k <<1). Рис. 1.10. Типичный -спектр радиоактивного ядра с острыми пиками конверсионных электронов, испускаемых с (K, L, M) оболочек атома. Показана зависимость относительного числа электронов Ne от их энергии Te