Курс физики для вузов - часть 122

энергии носит

 характер

и выполняется лишь в среднем
большого числа элементарных процес-
сов. Отсюда видно, насколько принци-
пиально важно было разрешить это зат-
руднение.

В-третьих, необходимо было разоб-

раться с несохранением спина в
паде. При (3"-распаде число нуклонов в

ядре не изменяется (так как сохраняет-

ся массовое число А), поэтому не дол-
жен изменяться и спин ядра, который
равен целому числу  при четном А и
полуцелому

 при нечетном А. Однако

выброс электрона, имеющего спин
должен изменить спин ядра на

 2

Последние два затруднения приве-

ли В. Паули к гипотезе (1931) о том, что
при

 вместе с электроном ис-

пускается еще одна нейтральная части-
ца — нейтрино. Нейтрино имеет нуле-
вой заряд, спин

 (в единицах

 ну-

левую (а скорее

 массу: обозна-

чается

 Впоследствии оказалось,

что при

 испускается не ней-

трино, а антинейтрино (античастица
по отношению к нейтрино; обознача-

ется

Гипотеза о существовании нейтри-

но позволила Э. Ферми создать теорию

 (1934), которая в основном

сохранила свое значение и в настоящее
время, хотя экспериментально суще-
ствование нейтрино было доказано бо-
лее чем через 20 лет (1956). Столь дли-
тельные «поиски» нейтрино сопряже-

ны с большими трудностями, обуслов-
ленными отсутствием у нейтрино элек-
трического заряда и массы.

Нейтрино — единственная частица,

не участвующая ни в сильных, ни в
электромагнитных взаимодействиях;
единственный вид взаимодействий, в
котором может принимать участие ней-

трино, — слабое взаимодействие. Поэто-

му прямое наблюдение нейтрино весь-
ма затруднительно. Ионизирующая спо-
собность нейтрино столь мала, что один
акт ионизации в воздухе приходится на
500 км пути. Проникающая же способ-
ность нейтрино столь огромна (пробег
нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце со-
ставляет примерно 10

18

 м!), что за-

трудняет удержание этих частиц в при-
борах.

Для экспериментального выявления

нейтрино (антинейтрино) применялся
поэтому косвенный метод, основанный
на том, что в реакциях (в том числе с
участием нейтрино) выполняется закон
сохранения импульса. Таким образом,
нейтрино было обнаружено при изуче-
нии отдачи атомных ядер при
де. Если при

 ядра вместе с

электроном выбрасывается и антиней-
трино, то векторная сумма трех импуль-
сов — ядра отдачи, электрона и антиней-
трино — должна быть равна нулю. Это
действительно подтвердилось на опы-
те. Непосредственное обнаружение
нейтрино стало возможным лишь зна-
чительно позднее, после появления
мощных реакторов, позволяющих по-
лучать интенсивные потоки нейтрино.

Введение нейтрино (антинейтрино)

позволило не только объяснить кажу-
щееся несохранение спина, но и разоб-

раться с вопросом непрерывности энер-
гетического спектра выбрасываемых
электронов. Сплошной спектр

тиц обусловлен распределением энер-

гии между электронами и антинейтри-
но, причем сумма энергий обеих частиц
равна

 В одних актах распада боль-

шую энергию получает антинейтрино,
в других — электрон; в граничной точ-
ке кривой на рис. 346, где энергия элек-

трона равна

 вся энергия распада

уносится электроном, а энергия анти-

нейтрино равна нулю.

487

Наконец, рассмотрим вопрос о про-

исхождении электронов при

 -распа-

де. Поскольку электрон не вылетает из
ядра и не вырывается из оболочки ато-

ма, было сделано предположение, что

 рождается в результате

процессов, происходящих внутри ядра.
Так как при

 число нуклонов

в ядре не изменяется, a Z увеличивает-
ся на единицу [см. (256.5)], то един-
ственной возможностью одновремен-
ного осуществления этих условий яв-
ляется превращение одного из нейтро-

нов

 ядра в протон с одно-

временным образованием электрона и
вылетом антинейтрино:

(258.1)

В этом процессе выполняются зако-

ны сохранения зарядовых чисел, им-
пульса и массовых чисел. Кроме того,
данное превращение энергетически

возможно, так как масса нейтрона пре-
вышает массу атома водорода, т. е. про-
тона и электрона вместе взятых. Дан-
ной разности в массах соответствует
энергия, равная 0,782 МэВ. За счет этой
энергии может происходить самопроиз-
вольное превращение нейтрона в про-
тон; энергия распределяется между
электроном и антинейтрино.

Если превращение нейтрона в про-

тон энергетически выгодно и вообще
возможно, то должен наблюдаться
диоактивный распад свободных нейтро-
нов (т.е. нейтронов вне ядра). Обнару-
жение этого явления было бы подтвер-
ждением изложенной теории
да. Действительно, в 1950 г. в потоках

нейтронов большой интенсивности,
возникающих в ядерных реакторах, был
обнаружен радиоактивный распад сво-
бодных нейтронов, происходящий по
схеме (258.1). Энергетический спектр
возникающих при этом электронов со-
ответствовал приведенному на рис. 346,

а верхняя граница энергии электронов

 оказалась

 рассчитанной

выше (0,782 МэВ).

§ 259. Гамма-излучение

и его свойства

Экспериментально установлено, что

 (см. § 255) не является са-

мостоятельным видом радиоактивнос-

ти, а только сопровождает а- и
ды и также возникает при ядерных ре-

акциях, при торможении заряженных
частиц, их распаде и т.д.

 яв-

ляется линейчатым.

 — это

распределение числа

 по энер-

гиям (такое же толкование
дано в § 258). Дискретность
имеет принципиальное значение, так
как является доказательством дискрет-
ности энергетических состояний атом-

ных ядер.

В настоящее время твердо установ-

лено, что

 испускается до-

черним (а не материнским) ядром. До-
чернее ядро в момент своего образова-
ния, оказываясь возбужденным, за вре-

мя примерно 10~

13

 с, значитель-

но меньшее времени жизни возбужден-
ного атома (примерно

 с), перехо-

дит в основное состояние с испускани-
ем

 Возвращаясь в основ-

ное состояние, возбужденное ядро мо-
жет пройти через ряд промежуточных
состояний, поэтому

 одно-

го и того же радиоактивного изотопа
может содержать несколько групп

 отличающихся одна от дру-

 своей энергией.

При

 А  Z ядра не из-

меняются, поэтому оно не описывает-

ся никакими правилами смещения.

 большинства ядер являет-

ся столь коротковолновым, что его вол-
новые свойства проявляются весьма

488

слабо. Здесь на первый план выступа-
ют корпускулярные свойства, поэтому

 рассматривают как поток

частиц —

 При радиоактив-

ных распадах различных ядер
ты имеют энергии от 10 кэВ до 5 МэВ.

Ядро, находящееся в возбужденном

состоянии, может перейти в основное
состояние не только при испускании

 но и при непосредственной

передаче энергии возбуждения (без
предварительного испускания
та) одному из электронов того же ато-
ма. При этом испускается так называе-

мый электрон конверсии. Само явле-
ние называется внутренней конверси-
ей. Внутренняя конверсия — процесс,
конкурирующий с

Электронам конверсии соответству-

ют дискретные значения энергии, зави-

сящей от работы выхода электрона из
оболочки, из которой электрон выры-

вается, и от энергии Е, отдаваемой яд-
ром при переходе из возбужденного со-
стояния в основное. Если вся энергия
Е выделяется в виде

 то часто-

та излучения v определяется

 извест-

ного соотношения Е = hv. Если же ис-
пускаются электроны внутренней кон-
версии, то их энергии равны Е —

 Е —

—

 где

 — работа выхода

электрона из К-, ...

Моноэнергетичность электронов

конверсии позволяет отличить их от

 спектр которых непреры-

вен (см. § 258). Возникшее в результа-
те вылета электрона вакантное место на
внутренней оболочке атома будет за-
полняться электронами с вышележа-
щих оболочек. Поэтому внутренняя
конверсия всегда сопровождается ха-
рактеристическим рентгеновским излу-

чением.

 обладая нулевой массой

покоя, не могут замедляться в среде,

поэтому при прохождении  -излучения

сквозь вещество они либо поглощают-
ся, либо рассеиваются им.

 не

несут электрического заряда и тем са-
мым не испытывают влияния кулонов-
ских сил. При прохождении пучка

 сквозь вещество их энергия

не меняется, но в результате столкно-
вений ослабляется интенсивность, из-
менение которой описывается экспо-
ненциальным законом

 /—

интенсивности

 на входе и

выходе слоя поглощающего вещества
толщиной

 — коэффициент погло-

щения). Так как

 — самое

проникающее излучение, то  для мно-
гих веществ — очень малая величина;

 зависит от свойств вещества и энер-

гии

 проходя сквозь вещество,

могут взаимодействовать

 с элект-

ронной оболочкой атомов вещества, так
и с их ядрами. В

 электроди-

намике доказывается, что основными
процессами, сопровождающими про-

хождение

 сквозь вещество,

являются фотоэффект,
фект

 рассеяние) и об-

разование электронно

пар.

Фотоэффект, или фотоэлектри-

ческое поглощение

 — это

процесс, при котором атом поглощает

 и испускает электрон. Так как

электрон выбивается из одной из внут-
ренних оболочек атома, то освободив-
шееся место заполняется электронами
из вышележащих оболочек, и фотоэф-
фект сопровождается характеристиче-
ским рентгеновским излучением.

Фотоэффект является преобладаю-

щим механизмом поглощения в области
малых энергий

 100 кэВ).

Фотоэффект может идти только на свя-

занных электронах, так как свободный
электрон не может поглотить
при этом одновременно не удовлетво-

489

ряются законы сохранения энергии и
импульса.

По мере увеличения энергии

тов

 0,5

 вероятность фото-

эффекта очень мала и основным меха-
низмом взаимодействия

 с ве-

ществом является комптоновское

рассеяние (см. § 206).

При

 >1,02 МэВ =

масса электрона) становится возмож-
ным процесс образования электронно-
позитронных пар в электрических по-
лях ядер. Вероятность этого процесса

пропорциональна Z

2

 и увеличивается с

ростом

 Поэтому при

 10 МэВ

основным процессом взаимодействия

 в любом веществе являет-

ся образование

 пар.

Если энергия

 превышает

энергию связи нуклонов в ядре (7 —

8 МэВ), то в результате поглощения

 может наблюдаться ядерный

фотоэффект — выброс из ядра одно-
го из нуклонов, чаще всего нейтрона.

Большая проникающая способность

 используется в гамма-де-

фектоскопии — методе дефектоскопии,
основанном на различном поглощении

 распространении его на

одинаковое расстояние в разных средах.
Местоположение и размеры дефектов
(раковины,

 т. д.) определяют-

ся по различию в интенсивности излу-
чения, прошедшего через разные участ-
ки просвечиваемого изделия.

Воздействие

 (а также

других видов ионизирующего излуче-
ния) на вещество характеризуют дозой
ионизирующего излучения. Различают
поглощенную, экспозиционную и био-
логическую дозы излучения.

Поглощенная доза излучения —

физическая

 равная отноше-

нию энергии излучения к массе облу-
чаемого вещества.

Единица поглощенной дозы излуче-

ния — грей

 Гр = 1 Дж/кг — доза

излучения, при которой облученному
веществу массой 1 кг передается энер-
гия любого ионизирующего излучения

Экспозиционная доза излучения —

физическая величина, равная отноше-
нию суммарного заряда всех ионов од-
ного знака, созданных в воздухе, при
полном торможении вторичных элект-
ронов, образующихся в элементарном
объеме, к массе воздуха в этом объеме.

Единица экспозиционной дозы излуче-

ния — кулон на килограмм (Кл/кг);
внесистемной единицей

 рен-

тген (Р): 1 Р  2,58 •

 Кл/кг.

Биологическая доза — величина,

определяющая воздействие излучения
на организм.

Единица биологической дозы — био-

логический эквивалент рентгена

(бэр): 1 бэр — доза любого вида иони-

зирующего излучения, производящая
такое же биологическое действие, как
и доза рентгеновского или

Мощность дозы излучения — вели-

чина, равная отношению дозы излуче-
ния ко времени облучения. Различают:

1) мощность поглощенной дозы [еди-

ница — грей на секунду (Гр/с)]; 2) мощ-
ность экспозиционной дозы [едини-
ца — ампер на килограмм (А/кг)].

§ 260. Резонансное поглощение

 (эффект Мёссбауэра

2

)

Как уже указывалось, дискретный

спектр

 обусловлен диск-

ретностью энергетических уровней ядер
атомов. Однако как следует из соотноше-

 С. Грей

 — английский физик.

 Р. Мёссбауэр (р. 1929) — немецкий физик.