Ядерная изомерия

Данный вопрос рассмотрен кратко и требует самостоятельного изучения!!!

В 1921 г. Ган обнаружил радиоактивное вещество , явля­ющееся как изобаром, так и изотопом , но отличающееся от последнего своими радиоактивными свойствами. Оба вещества получаются в результате b-распада одного и того же элемента : и состоят из одинаковых ядер , но имеют различные пе­риоды полураспада (6,7 ч и 1,22 мин соответственно).

Разобраться в природе этого явления помогли опыты совет­ских физиков И. В. Курчатова, Б. В. Курчатова, Л. В. Мысовского и Л. И. Русинова, открывших в 1935 г. существование ана­логичного явления у искусственных радиоактивных ядер.

В этих опытах облучали нейтронами бром, состоящий из есте­ственной смеси изотопов и . Были получены два радиоактивных изотопа и .

Удивительным результатом опытов оказалось существованиеу и не двух, а трех различных периодов полураспада для испускаемых ими b-частиц.

Таким образом, одному из двух радиоактивных изотопов брома следует приписать два периода полураспада. Чтобы уста­новить, к какому именно изотопу и какие периоды относятся. были поставлены опыты по облучению брома g-квантами.

Соответствующие реакции протекают с образованием радиоак­тивных изотопов брома и и сопровождаются вылетом нейтронов:

Оба образующихся изотопа брома b-радиоактивны, причем и в этом случае наблюдаются не два, а три различных периода полураспада.

Сопоставление опытов показывает, что в обоих случаях встре­чаются одинаковые периоды (18 мин и 4,4 ч) и один и тот же изотоп брома ( ), которому, следовательно, и надо их приписать.

Существование у одного ядра двух периодов полураспада можно понять, если предположить, что ядро возникает в двух различных изомерных состояниях — основном и возбуж­денном долгоживущем (метастабильном).

Изобразим процессы, происходящие с ядром с момента его образования до момента испускания электрона. Ядро , образующееся из ядра в результате захвата нейтрона, в первый момент своего существования находится в сильновозбужденном состоянии (на рисунке отмечено вездочкой).

Снятие возбуждения происходит в результате по­следовательных переходов ядра во все более низкие энергетиче­ские состояния с одновременным испусканием g-квантов или (и) электронов внутренней конверсии, уносящих избыток энергии.

Объяснение природы изомерии существованием у ядер метастабильных. состояний было дано в 1936 г. Вейцзеккером.

В настоящее время явление ядерной изомерии хорошо изу­чено. Условием ее возникновения является существование вбли­зи основного состояния ядра энергетического уровня, сильно от­личающегося от основного по величине момента количества дви­жения ( ). Выше было замечено, что g-переходы между такими уровнями должны быть очень затруднены, так что соот­ветствующие времена жизни могут достигать нескольких часов, дней или даже лет. Эти уровни и играют роль метастабильных состояний ядер-изомеров.

6.6 Эффект Мёссбауэра

Данный вопрос рассмотрен кратко и требует самостоятельного изучения!!!

Два опыта Мёссбауэра

В 1958 г. немецкий физик Р. Мёссбауэр, проводя опыты по изучению резонансного поглощения в условиях частичного пере­крытия линий в результате их доплеровского уширения, решил уменьшить величину D при помощи охлаждения источника и по­глотителя. При этом естественно было ожидать уменьшения доли поглощенных квантов (из-за сокращения области пере­крытия линий). Вместо этого в опыте было обнаружено увели­чение эффекта, которое свидетельствовало о возрастании обла­сти перекрытия.

Для объяснения этого странного результата Мёссбауэр пред­положил, что при определенных условиях (достаточно малая энергия перехода и низкая температура по сравнению с дебаевской температурой кристалла) импульс и энергия отдачи, воз­никающие при испускании (поглощении) g-кванта, не идут ни на выбивание атома из узла решетки, ни на изменение энерге­тического состояния кристалла, а передаются упругим образом всему кристаллу в целом (точнее, очень большой группе ато­мов— N»10⁸, охватываемой бегущей звуковой волной за время испускания). В этом случае из-за большой массы кристалла энергия отдачи R практически равна нулю, т. е. сдвиг между линией испускания и линией поглощения ис­чезнет:

Одновременно для этих актов испускания и поглощения должно исчезнуть и доплеровское уширение D, которое теперь будет меньше естественной ширины линии. Другими словами, при перечисленных выше условиях должен наблюдаться острый резонанс без отдачи с шириной, равной естественной ширине линии. Это объяснение Мёссбауэр блестя­ще доказал в своем знаменитом втором опыте.

Схема опыта Мёссбауэра изображена на рис 118,6. Здесь И — источник g-излучения с энергией 129 кэв, П — иридие­вый поглотитель, Д— детектор. Источник и поглотитель были помещены в криостаты и , в которых поддерживалась температура Т=88°К- Криостат с источником мог вращаться. При вращении его в одну сторону источник приближался к по­глотителю с некоторой скоростью v, а при вращении в другую сторону удалялся от него с той же скоростью.В опыте измерялось поглощение g-квантов при различных скоростях источника. Результаты опыта приведены на рис. 118,8. Здесь по оси абсцисс отложена относительная скорость источника и поглотителя и соответствующее ей изменение энер­гии испускаемых g-квантов (из-за эффекта Доплера). По оси ординат отложена относительная разность интенсивности g-излучения, проходящего через иридиевый и платиновый (для оценки фона) поглотители одинаковой толщины. Из рисунка видно, что резонанс нарушается уже при скоростях в несколько сантиметров в секунду, которые соответствуют доплеровскому изменению энергии g-квантов на величину, меньшую . Отсюда сле­дует, что в опыте действительно наблюдалась линия без отдачи с естественной шириной g-перехода, равной .

Эффект Мёссбауэра наблюдался для многих веществ, при­чем для некоторых из них были зарегистрированы еще более узкие линии. Величина эффекта обычно бывает порядка 1%, а иногда и еще меньше, рабочие температуры колеблются для разных веществ от комнатной до гелиевой (~4°К). С ростом температуры эффект постепенно ослабевает и пропадает.

За открытие излучения, рассеяния и поглощения без отдачи Р. Мёссбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике за 1961 г.

Дата добавления: 2015-07-07