4.3 Фотонное излучение

Фотонное излучение, испускаемое при ядерных превращениях, принято разделять на две группы – это рентгеновское и гамма-излучение. Рентгеновское излучение имеет место при изменениях в состоянии внутренних и наиболее связанных электронов атома. А гамма-излучение наблюдается при изменении состояния ядра атома.

4.3.1 Гамма-излучение

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

В частности, образующееся при альфа- или бета-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 гамма-квантов или путем внутренней конверсии электронов. Спектр гамма-излучения дискретный, так как дискретны энергетические уровни ядер.

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

, (4.17)

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;

υ – его скорость.

Далее, получим:

,

где Р – импульс ядра отдачи.

В силу закона сохранения импульсов:

,

где Р_γ и Е_γ – импульс и энергия гамма-кванта соответственно.

Тогда энергия отдачи будет определяться уравнением:

. (4.18)

Выразив в уравнении (4.18) 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:

. (4.19)

Нетрудно показать, что гамма-квант уносит подавляющую часть энергии возбуждения ядра, т.е. Е_γ = Е_н – Е_к – T_я.о ≈ Е_н – Е_к. Так, например, если Е_γ = 1 МэВ, М ≈ 100, то T_яо ≈ 5,4∙10^–6 МэВ. Уравнение, аналогичное (4.19), получается при расчете энергии ядра отдачи при электронном захвате, если принять массу покоя нейтрино равной нулю.

Переход ядра из возбужденного состояния в основное путем испускания гамма-квантов может осуществляться как в одну (см. рис. 4.6), так и в несколько стадий (см. рис. 4.2; 4.5 и 4.11). На рисунке 4.11 приведена схема бета-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 происходит два последовательных перехода – в другое возбужденное состояние, отстоящее на 1,332 МэВ от основного состояния, и из последнего в основное состояние с испусканием гамма-кванта с энергией 1,173 МэВ.

При внимательном рассмотрении схем альфа- и бета-распада (см., например, рис. 4.2; 4.5; 4.11) нетрудно заметить, что энергии гамма-квантов, испускаемых ядрами, образующимися после бета-распада, могут достигать значительно больших значений, чем если гамма-излучению предшествует альфа-распад.

Следует иметь в виду, что гамма-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:

, (4.20)

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

Рис. 4.11. Схема распада ⁶⁰Co.

С наибольшей вероятностью процесс внутренней конверсии идет на К-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 гамма-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, например, при β^–-распаде ²³⁴Th получаются 2 изомера: ^234mPa (UX₂) и ²³⁴Pa (UZ), которые с различными периодами полураспада (1,22 мин. и 6,7 час. соответственно) испытывают β^–-распад с образованием ²³⁴U (см. схему радиоактивного семейства урана-радия – 4n+2).

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