Излучение

γ -излучение представляет собой процесс самопроизвольного испускания γ -квантов ядром при переходе из возбужденного состояния на уровень с меньшей энергией.

В частности, образующееся при α - или β -распаде дочернее ядро может находиться либо в основном, либо в возбужденном состоянии. В последнем случае ядро может изменять свое возбужденное состояние по одному из двух механизмов: испусканием γ -квантов или путем внутренней конверсии электронов. Спектр γ -излучения дискретный, так как дискретны энергетические уровни ядер.

Энергия γ -кванта (Е _γ ) определяется разностью энергетических уровней ядер, между которыми осуществляется переход. При этом энергия перехода складывается из энергии γ -кванта и энергии отдачи ядра, испустившего γ -квант:

, (3.17)

где Е _н и Е _к – энергии ядер до и после перехода; T _яо – кинетическая энергия (энергия отдачи) конечного ядра.

Кинетическая энергия ядра отдачи определяется уравнением:

,

где М – масса ядра отдачи; v – его скорость.

Далее, получим

, v (лат)

где Р – импульс ядра отдачи.

В силу закона сохранения импульсов

,

где Р _γ и Е _γ – импульс и энергия γ -кванта соответственно.

Тогда энергия отдачи будет определяться уравнением

. (3.18)

Выразив в уравнении (3.18) Е _γ в МэВ, а массу ядра отдачи (М) – в а.е.м, учитывая, что 1 а.е.м. эквивалентна энергии 931, 5 МэВ, и, наконец, подставив численное значение скорости света, получим

. (3.19)

Нетрудно показать, что γ -квант уносит подавляющую часть энергии возбуждения ядра, т.е. Е _γ = Е _н – Е _к – T _яо ≈ Е _н – Е _к. Так, если Е _γ = 1 МэВ, М ≈ 100, то T _яо≈ 5, 4∙ 10^–6 МэВ. Уравнение, аналогичное (3.19), получается при расчете энергии ядра отдачи при электронном захвате, если принять массу покоя нейтрино равной нулю.

Рис. 3.11. Схема распада 60Co

Переход ядра из возбужденного состояния в основное путем испускания γ -квантов может осуществляться как в одну (см. рис. 3.6), так и в несколько стадий (см. рис. 3.2; 3.5). На рис. 3.11 приведена схема β -распада ⁶⁰Co. В результате распада образуется ядро ^60*Ni (звездочка означает, что изотоп никеля возникает в возбужденном состоянии), которое на 2, 505 МэВ выше основного состояния ядра. Из этого состояния происходят два последовательных перехода: в другое возбужденное состояние, отстоящее на 1, 332 МэВ от основного состояния, и из последнего в основное состояние с испусканием γ -кванта с энергией 1, 173 МэВ.

При внимательном рассмотрении схем α - и β -распада (см., например, рис. 3.2; 3.5; 3.11) нетрудно заметить, что энергии γ -квантов, испускаемых ядрами, образующимися после β -распада, могут достигать значительно больших значений, чем если γ -излучению предшествует α -распад.

Следует иметь в виду, что γ -излучение является не единственным результатом перехода возбужденного ядра в основное состояние. Энергия возбуждения ядра может передаваться одному из орбитальных электронов, который покидает атом. Испускаемые в таких случаях электроны называются электронами внутренней конверсии. Энергия электрона внутренней конверсии Е _кэх определяется уравнением

, (3.20)

где ∆ Е –энергия перехода; Е_х – энергия связи электрона в Х ‑ оболочке (Х = K, L, М,...).

С наибольшей вероятностью процесс внутренней конверсии идет на K -электронах. Внутренняя конверсия увеличивается с увеличением атомного номера и уменьшается с увеличением энергии, становясь пренебрежимо малой при высоких энергиях.

Электроны внутренней конверсии моноэнергетичны. Внутренняя конверсия сопровождается рентгеновским излучением, вызванным переходом орбитальных электронов с внешних оболочек на место электрона конверсии. Если энергия возбуждения ядра превышает 1, 02 МэВ, то, кроме испускания γ -квантов или конверсионных электронов, переход ядра из возбужденного состояния в низшее может сопровождаться испусканием электрон-позитронной пары. Однако вероятность этого так называемого процесса парной конверсии невелика.

Следует иметь в виду, что средние времена жизни возбужденных уровней составляют от 10^–14 с до нескольких тысяч лет. Если возбужденные ядра имеют среднее время жизни до нескольких минут и более, то такие состояния ядра называются метастабильными. А переход ядра из метастабильного состояния в основное называется изомерным переходом. Ядра, отличающиеся только уровнем энергии, называются изомерами. Изомер, находящийся на более высоком уровне, принято обозначать буквой «m» (например, ^137mВа, ^80mBr). Ядерные изомеры могут быть оба радиоактивными. Так, при β ^–-распаде ²³⁴Th получаются два изомера: ^234mPa (UX₂) и ²³⁴Pa (UZ), которые с различными периодами полураспада (1, 22 мин и 6, 7 ч соответственно) испытывают β ^–-распад с образованием ²³⁴U (см. в Приложении схему радиоактивного семейства урана–радия).

Известны случаи, когда ядра имеют не одно, а два метастабильных состояния.

3.3.2. Место γ -излучения в электромагнитном спектре

Электромагнитное излучение охватывает такие различные явления, как радиоволны, телевидение, микроволны, инфракрасное излучение, свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и γ -излучение. Эти излучения распространяются в вакууме со скоростью света. Они могут быть описаны как волновые процессы в виде колебаний электрического и магнитных полей, а также в виде движения потока материальных частиц, которые могут создавать давление. В этом и проявляется дуализм (двойственность природы) электромагнитного излучения.

Несмотря на различные названия, электромагнитное излучение образуют непрерывный спектр, простирающийся от низкочастотных радиоволн с частотой колебания несколько герц до γ -излучения с частотой 10¹⁸ Гц и более (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Спектр электромагнитного излучения

Для описания электромагнитных колебаний используются такие параметры, как частота колебаний, длина волны и энергия. Эти параметры связанны между собой и взаимозаменяемы. На практике для описания рентгеновского и γ -излучения используют энергию, выраженную в эВ.

Видимый свет испускается при изменении химического состояния элемента или соединений. Такие изменения происходят с внешними и наименее связанными с ядром электронами атома. Испускаемый свет является характеристикой излучающих элементов и соединений и имеет энергию около 1 эВ. Для описания атомных и молекулярных процессов используются кратные электрон-вольт единицы – кэВ (10³ эВ) и МэВ (10⁶ эВ).