Beta-Zerfall. Beta-Zerfallsprozesse sind seit langem bekannt... - petrovvf

Beta-Zerfall

β-Zerfall, radioaktiver Zerfall eines Atomkerns, begleitet von der Emission eines Elektrons oder Positrons aus dem Kern. Dieser Prozess wird durch die spontane Umwandlung eines der Nukleonen des Kerns in ein Nukleon einer anderen Art verursacht, nämlich: die Umwandlung entweder eines Neutrons (n) in ein Proton (p) oder eines Protons in ein Neutron. Im ersten Fall fliegt ein Elektron (e-) aus dem Kern – es kommt zum sogenannten β-Zerfall. Im zweiten Fall fliegt ein Positron (e+) aus dem Kern – es kommt zum β+-Zerfall. Abgang unter B.-r. Elektronen und Positronen werden zusammenfassend als Betateilchen bezeichnet. Die gegenseitigen Transformationen von Nukleonen gehen mit dem Erscheinen eines anderen Teilchens einher – des Neutrinos ( ν ) im Fall von β+-Zerfall oder Antineutrino A, gleich der Gesamtzahl der Nukleonen im Kern, ändert sich nicht, und das Kernprodukt ist eine Isobare des ursprünglichen Kerns, die im Periodensystem rechts daneben steht von Elementen. Im Gegensatz dazu nimmt beim β + -Zerfall die Zahl der Protonen um eins ab und die Zahl der Neutronen um eins zu, und es entsteht eine Isobare, die links neben dem ursprünglichen Kern liegt. Symbolisch sind beide Prozesse von B.-r. werden in folgender Form geschrieben:

wo -Z Neutronen.

Das einfachste Beispiel für den β-Zerfall ist die Umwandlung eines freien Neutrons in ein Proton unter Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos (Neutronenhalbwertszeit ≈ 13). Mindest):

Ein komplexeres Beispiel (β – Zerfall – der Zerfall eines schweren Wasserstoffisotops – Tritium, bestehend aus zwei Neutronen (n) und einem Proton (p):

Offensichtlich beruht dieser Prozess auf dem β-Zerfall eines gebundenen (Kern-)Neutrons. In diesem Fall verwandelt sich der β-radioaktive Tritiumkern in den Kern des nächsten Elements im Periodensystem – den Kern des leichten Heliumisotops 3 2 He.

Ein Beispiel für den β+-Zerfall ist der Zerfall des Kohlenstoffisotops 11 C nach folgendem Schema:

Die Umwandlung eines Protons in ein Neutron innerhalb eines Atomkerns kann auch dadurch erfolgen, dass das Proton eines der Elektronen aus der Elektronenhülle des Atoms einfängt. Am häufigsten kommt es zum Elektroneneinfang

B.-r. sowohl bei natürlich radioaktiven als auch bei künstlich radioaktiven Isotopen beobachtet. Damit ein Kern in Bezug auf eine der Arten der β-Transformation instabil ist (d. h. er könnte eine Transformation erfahren), muss die Summe der Massen der Teilchen auf der linken Seite der Reaktionsgleichung größer sein als die Summe der Massen der Transformationsprodukte. Daher mit B.-r. Energie wird freigesetzt. Energie B.-r. E Aus dieser Massendifferenz lässt sich β über die Beziehung berechnen E = mc2, Wo Mit - Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Im Fall des β-Zerfalls

Wo M - Massen neutraler Atome. Beim β+-Zerfall verliert ein neutrales Atom eines der Elektronen in seiner Hülle, die Energie des b.-r. ist gleich:

Wo Mich - Elektronenmasse.

Energie B.-r. verteilt auf drei Teilchen: Elektron (oder Positron), Antineutrino (oder Neutrino) und Kern; Jedes der Lichtteilchen kann nahezu jede Energie von 0 bis E β transportieren, d. h. ihre Energiespektren sind kontinuierlich. Nur beim K-Einfang trägt ein Neutrino immer die gleiche Energie mit sich.

Beim β-Zerfall übersteigt also die Masse des ursprünglichen Atoms die Masse des endgültigen Atoms, und beim β+-Zerfall beträgt dieser Überschuss mindestens zwei Elektronenmassen.

Studium von B.-r. Kerne haben Wissenschaftler immer wieder vor unerwartete Rätsel gestellt. Nach der Entdeckung der Radioaktivität wurde das Phänomen B.-r. gilt seit langem als Argument für die Anwesenheit von Elektronen in Atomkernen; Es stellte sich heraus, dass diese Annahme im offensichtlichen Widerspruch zur Quantenmechanik stand (siehe Atomkern). Dann führte die Unbeständigkeit der Energie der während B.-R. emittierten Elektronen sogar dazu, dass einige Physiker an das Energieerhaltungsgesetz glaubten Es war bekannt, dass an dieser Umwandlung Kerne beteiligt sind, die sich in Zuständen mit einer ganz bestimmten Energie befinden. Die maximale Energie der aus dem Kern austretenden Elektronen entspricht genau der Differenz zwischen den Energien des Anfangs- und Endkerns. Allerdings war in diesem Fall nicht klar, wo die Energie verschwindet, wenn die emittierten Elektronen weniger Energie tragen. Die Annahme des deutschen Wissenschaftlers W. Pauli über die Existenz eines neuen Teilchens – des Neutrinos – rettete nicht nur den Energieerhaltungssatz, sondern auch ein weiteres wichtiges Gesetz der Physik – den Drehimpulserhaltungssatz. Da die Spins (d. h. die Eigenmomente) des Neutrons und des Protons gleich 1/2 sind, muss der Spin auf der rechten Seite der B.-r.-Gleichungen erhalten bleiben. Es kann nur eine ungerade Anzahl von Teilchen mit Spin 1/2 geben. Insbesondere beim β - Zerfall eines freien Neutrons n → p + e - + ν beseitigt erst das Auftreten eines Antineutrinos die Verletzung des Drehimpulserhaltungssatzes.

B.-r. kommt in Elementen aller Teile des Periodensystems vor. Die Tendenz zur β-Umwandlung entsteht durch das Vorhandensein eines Überschusses an Neutronen oder Protonen in einer Reihe von Isotopen im Vergleich zu der Menge, die der maximalen Stabilität entspricht. Somit ist die Tendenz zum β + -Zerfall oder K-Einfang charakteristisch für neutronenarme Isotope und die Tendenz zum β - -Zerfall ist charakteristisch für neutronenreiche Isotope. Es sind etwa 1500 β-radioaktive Isotope aller Elemente des Periodensystems bekannt, mit Ausnahme der schwersten (Z ≥ 102).

Energie B.-r. Derzeit bekannte Isotope reichen von

Die Halbwertszeiten liegen in einem weiten Bereich von 1,3 · 10 -2 Sek(12 N) bis zum Beta-Zerfall 2 · 10 · 13 Jahre (natürliches radioaktives Isotop 180 W).

Nachfolgende Studie von B.-r. hat Physiker immer wieder zum Zusammenbruch alter Ideen geführt. Es wurde festgestellt, dass B.-r. von Kräften völlig neuer Natur beherrscht. Trotz der langen Zeit, die seit der Entdeckung von B.-r. vergangen ist, wurde die Art der Wechselwirkung, die B.-r. bestimmt, noch nicht vollständig untersucht. Diese Interaktion wurde als „schwach“ bezeichnet, weil sie ist 10 12-mal schwächer als die nukleare Wechselwirkung und 10 9-mal schwächer als die elektromagnetische Wechselwirkung (sie übertrifft nur die Gravitationswechselwirkung; siehe Schwache Wechselwirkungen). Die schwache Wechselwirkung ist allen Elementarteilchen inhärent (siehe Elementarteilchen) (außer dem Photon). Es verging fast ein halbes Jahrhundert, bis Physiker entdeckten, dass in B.-r. Die Symmetrie zwischen „rechts“ und „links“ kann gebrochen sein. Diese Nichterhaltung der räumlichen Parität wurde den Eigenschaften schwacher Wechselwirkungen zugeschrieben.

Studium von B.-r. hatte noch eine andere wichtige Seite. Die Lebensdauer des Kerns relativ zum B.-r. und die Form des Spektrums von β-Teilchen hängen von den Zuständen ab, in denen sich das ursprüngliche Nukleon und das Produktnukleon im Kern befinden. Daher hat die Untersuchung der Magnetresonanz neben Informationen über die Natur und Eigenschaften schwacher Wechselwirkungen das Verständnis der Struktur von Atomkernen erheblich erweitert.

Wahrscheinlichkeit von B.-r. hängt wesentlich davon ab, wie nahe die Zustände der Nukleonen im Anfangs- und Endkern beieinander liegen. Ändert sich der Zustand des Nukleons nicht (das Nukleon scheint an der gleichen Stelle zu bleiben), dann ist die Wahrscheinlichkeit maximal und der entsprechende Übergang vom Anfangszustand in den Endzustand wird als erlaubt bezeichnet. Solche Übergänge sind charakteristisch für B.-r. leichte Kerne. Leichte Kerne enthalten nahezu gleich viele Neutronen und Protonen. Schwerere Kerne haben mehr Neutronen als Protonen. Die Zustände von Nukleonen unterschiedlicher Art unterscheiden sich deutlich voneinander. Das macht es für B.-r. schwierig; Übergänge treten auf, in denen B.-r. tritt mit geringer Wahrscheinlichkeit auf. Der Übergang wird auch durch die Notwendigkeit erschwert, den Spin des Kerns zu ändern. Solche Übergänge werden als verboten bezeichnet. Die Art des Übergangs beeinflusst auch die Form des Energiespektrums von β-Teilchen.

Eine experimentelle Untersuchung der Energieverteilung der von β-radioaktiven Kernen emittierten Elektronen (Beta-Spektrum) wird mit einem Beta-Spektrometer durchgeführt. Beispiele für β-Spektren sind in dargestellt Reis. 1 Und Reis. 2 .

Zündete.: Alpha-, Beta- und Gammaspektroskopie, hrsg. K. Siegbana, trans. aus dem Englischen, V. 4, M., 1969, Kap. 22-24; Experimentelle Kernphysik, hrsg. E. Segre, trans. aus dem Englischen, Bd. 3, M., 1961.

E. M. Leikin.

Neutronen-Beta-Spektrum. Die Abszissenachse zeigt die Kinetik. Elektronenenergie E in kev, auf der Ordinate - die Anzahl der Elektronen N (E) in relativen Einheiten (vertikale Balken geben die Grenzen der Messfehler für Elektronen mit einer bestimmten Energie an).

Große sowjetische Enzyklopädie. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. 1969-1978 .

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Beta-Zerfall, radioaktive Umwandlungen von Atomkernen; dabei emittieren Kerne Elektronen und Antineutrinos (Beta-Zerfall) oder Positronen und Neutrinos (Beta+-Zerfall). Abreise während B. r. Elektronen und Positronen werden zusammenfassend genannt. Betateilchen. Bei… … Großes enzyklopädisches polytechnisches Wörterbuch

Moderne Enzyklopädie

Beta-Zerfall- (b-Zerfall), eine Art von Radioaktivität, bei der ein zerfallender Kern Elektronen oder Positronen emittiert. Beim Elektronen-Beta-Zerfall (b) verwandelt sich ein Neutron (intranuklear oder frei) unter Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos in ein Proton (siehe ... ... Illustriertes enzyklopädisches Wörterbuch

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- (b Zerfall). spontane (spontane) Umwandlungen eines Neutrons n in ein Proton p und eines Protons in ein Neutron innerhalb des at. Kerne (sowie die Umwandlung eines freien Neutrons in ein Proton), begleitet von der Emission von Elektron e oder Positron e+ und Elektron-Antineutrinos... ... Physische Enzyklopädie

Spontane Umwandlungen eines Neutrons in ein Proton und eines Protons in ein Neutron innerhalb eines Atomkerns sowie die Umwandlung eines freien Neutrons in ein Proton, begleitet von der Emission eines Elektrons oder Positrons und eines Neutrinos oder Antineutrinos. Doppelter Beta-Zerfall... ... Begriffe zur Kernenergie

- (siehe Beta) radioaktive Umwandlung eines Atomkerns, bei der ein Elektron und ein Antineutrino oder ein Positron und ein Neutrino emittiert werden; Beim Betazerfall ändert sich die elektrische Ladung des Atomkerns um eins, die Massenzahl ändert sich jedoch nicht. Neues Wörterbuch... ... Wörterbuch der Fremdwörter der russischen Sprache

Beta-Zerfall- Betastrahlen, Betazerfall, Betateilchen. Der erste Teil wird [beta] ausgesprochen... Wörterbuch der Aussprache- und Betonungsschwierigkeiten in der modernen russischen Sprache

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BETA-ZERFALL- (ß-Zerfall) radioaktive Umwandlung eines Atomkerns (schwache Wechselwirkung), bei der ein Elektron und ein Antineutrino oder ein Positron und ein Neutrino emittiert werden; mit B. r. die elektrische Ladung des Atomkerns ändert sich um eins, die Masse (siehe) ändert sich nicht... Große Polytechnische Enzyklopädie

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Die Atomkerne sind stabil, ändern aber ihren Zustand, wenn ein bestimmtes Verhältnis von Protonen und Neutronen verletzt wird. Leichte Kerne sollten ungefähr die gleiche Anzahl an Protonen und Neutronen haben. Befinden sich zu viele Protonen oder Neutronen im Kern, sind solche Kerne instabil und unterliegen spontanen radioaktiven Umwandlungen, wodurch sich die Zusammensetzung des Kerns ändert und sich folglich der Kern eines Atoms eines Elements in einen Kern verwandelt eines Atoms eines anderen Elements. Bei diesem Vorgang wird nukleare Strahlung emittiert.

Es gibt folgende Hauptarten von Kernumwandlungen bzw. Arten des radioaktiven Zerfalls: Alpha-Zerfall und Beta-Zerfall (Elektronen-, Positronen- und K-Einfang), interne Umwandlung.

Alpha-Zerfall – Dabei handelt es sich um die Emission von Alphateilchen durch einen Kern eines radioaktiven Isotops. Durch den Verlust von zwei Protonen und zwei Neutronen mit einem Alphateilchen verwandelt sich der zerfallende Kern in einen anderen Kern, in dem die Anzahl der Protonen (Kernladung) um 2 und die Anzahl der Teilchen (Massenzahl) um 4 abnimmt. Daher , für einen gegebenen radioaktiven Zerfall wird gemäß der von Fajans und Soddy (1913) formulierten Regel Verschiebung (Verschiebung) das resultierende (Tochter-)Element relativ zum Original (Mutter) um zwei Zellen nach links verschoben im Periodensystem von D. I. Mendeleev. Der Alpha-Zerfallsprozess wird im Allgemeinen wie folgt geschrieben:

wobei X das Symbol des ursprünglichen Kerns ist; Y das Symbol des Zerfallsproduktkerns; 4 2 He – Alphateilchen, Q – setzte überschüssige Energie frei.

Beispielsweise geht der Zerfall von Radium-226-Kernen mit der Emission von Alphateilchen einher, während sich Radium-226-Kerne in Radon-222-Kerne verwandeln:

Die beim Alpha-Zerfall freigesetzte Energie wird umgekehrt proportional zu deren Massen zwischen dem Alpha-Teilchen und dem Kern aufgeteilt. Die Energie von Alphateilchen hängt eng mit der Halbwertszeit eines bestimmten Radionuklids zusammen (Geiger-Nettol-Gesetz). . Dies legt nahe, dass es bei Kenntnis der Energie von Alphateilchen möglich ist, die Halbwertszeit zu bestimmen und anhand der Halbwertszeit das Radionuklid zu identifizieren. Beispielsweise ist der Polonium-214-Kern durch Alphateilchen-Energiewerte E = 7,687 MeV und T 1/2 = 4,510 -4 s gekennzeichnet, während für den Uran-238-Kern E = 4,196 MeV und T 1/2 beträgt = 4, 510 9 Jahre. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Alpha-Zerfall umso schneller abläuft, je höher die Energie ist.

Alpha-Zerfall ist eine ziemlich häufige Kernumwandlung schwerer Kerne (Uran, Thorium, Polonium, Plutonium usw. mit Z > 82); Derzeit sind mehr als 160 Alpha-emittierende Kerne bekannt.

Beta-Zerfall – spontane Umwandlungen eines Neutrons in ein Proton oder eines Protons in ein Neutron innerhalb eines Kerns, begleitet von der Emission von Elektronen, Positronen und Antineutrinos oder Neutrino e.

Bei einem Überschuss an Neutronen im Kern („Neutronenüberladung“ des Kerns) kommt es zum Elektronen-Beta-Zerfall, bei dem sich eines der Neutronen in ein Proton verwandelt und dabei ein Elektron und ein Antineutrino aussendet:

.

Bei diesem Zerfall erhöht sich die Ladung des Kerns und damit die Ordnungszahl des Tochterkerns um 1, die Massenzahl ändert sich jedoch nicht, d. h. das Tochterelement wird im Periodensystem von D. I. Mendelejew um eine Zelle verschoben rechts vom Original. Der Beta-Zerfallsprozess wird im Allgemeinen wie folgt geschrieben:

.

Auf diese Weise zerfallen Kerne mit einem Überschuss an Neutronen. Beispielsweise geht der Zerfall von Strontium-90-Kernen mit der Emission von Elektronen und deren Umwandlung in Yttrium-90 einher:

Oftmals verfügen die Kerne von Elementen, die durch Betazerfall entstehen, über überschüssige Energie, die durch die Emission einer oder mehrerer Gammastrahlen freigesetzt wird. Zum Beispiel:

Der elektronische Betazerfall ist charakteristisch für viele natürliche und künstlich hergestellte radioaktive Elemente.

Ist das ungünstige Verhältnis von Neutronen zu Protonen im Kern auf einen Protonenüberschuss zurückzuführen, kommt es zum Positronen-Beta-Zerfall, bei dem der Kern durch die Umwandlung eines Protons in ein Neutron im Kern ein Positron und ein Neutrino aussendet :

Die Ladung des Kerns und damit die Ordnungszahl des Tochterelements nimmt um 1 ab, die Massenzahl ändert sich nicht. Das Tochterelement wird im Periodensystem von D.I. Mendelejew eine Zelle links vom Elternelement einnehmen:

Bei einigen künstlich gewonnenen Isotopen wird Positronenzerfall beobachtet. Zum Beispiel der Zerfall des Isotops Phosphor-30 zu Silizium-30:

Ein Positron, das aus dem Kern entweicht, reißt ein „zusätzliches“ Elektron (schwach an den Kern gebunden) aus der Hülle des Atoms oder interagiert mit einem freien Elektron und bildet ein „Positron-Elektron“-Paar. Aufgrund der Tatsache, dass sich Teilchen und Antiteilchen unter Energiefreisetzung sofort gegenseitig vernichten, verwandelt sich das gebildete Paar in zwei Gammaquanten mit einer Energie, die der Masse der Teilchen entspricht (e + und e -). Der Prozess der Umwandlung eines Positron-Elektron-Paares in zwei Gammaquanten wird als Vernichtung (Zerstörung) bezeichnet, und die dabei entstehende elektromagnetische Strahlung wird als Vernichtung bezeichnet. Dabei kommt es zu einer Umwandlung einer Materieform (Materieteilchen) in eine andere (Strahlung). Dies wird durch die Existenz einer Rückreaktion bestätigt – einer Paarbildungsreaktion, bei der elektromagnetische Strahlung ausreichend hoher Energie, die unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes des Atoms in der Nähe des Kerns vorbeigeht, in ein Elektron-Positron-Paar umgewandelt wird.

Beim Positron-Beta-Zerfall entstehen also am Ende keine Teilchen, sondern zwei Gammastrahlen mit einer Energie von jeweils 0,511 MeV, was dem Energieäquivalent der restlichen Teilchenmasse entspricht – einem Positron und einem Elektron E = 2m e c 2 = 1,022 MeV.

Die Umwandlung eines Kerns kann durch Elektroneneinfang erfolgen, wenn eines der Protonen des Kerns spontan ein Elektron aus einer der inneren Schalen des Atoms (K, L usw.) einfängt, am häufigsten aus der K-Schale und verwandelt sich in ein Neutron. Dieser Vorgang wird auch K-Capture genannt. Ein Proton wird durch folgende Reaktion in ein Neutron umgewandelt:

In diesem Fall verringert sich die Kernladung um 1, die Massenzahl ändert sich jedoch nicht:

Zum Beispiel,

In diesem Fall wird der vom Elektron frei gewordene Raum durch ein Elektron aus den äußeren Hüllen des Atoms besetzt. Durch die Umstrukturierung der Elektronenhüllen wird ein Röntgenquant emittiert. Das Atom bleibt weiterhin elektrisch neutral, da die Anzahl der Protonen im Kern beim Elektroneneinfang um eins abnimmt. Somit führt diese Art des Zerfalls zu den gleichen Ergebnissen wie der Positronen-Beta-Zerfall. Dies ist in der Regel typisch für künstliche Radionuklide.

Die vom Kern beim Betazerfall eines bestimmten Radionuklids freigesetzte Energie ist immer konstant, aber aufgrund der Tatsache, dass bei dieser Art des Zerfalls nicht zwei, sondern drei Teilchen entstehen: ein Rückstoßkern (Tochter), ein Elektron (oder Positron) und Bei einem Neutrino variiert die Energie bei jedem Zerfall, sie wird zwischen dem Elektron (Positron) und dem Neutrino umverteilt, da der Tochterkern immer den gleichen Energieanteil mitnimmt. Je nach Ausdehnungswinkel kann ein Neutrino mehr oder weniger Energie abtransportieren, wodurch ein Elektron jede beliebige Energie von Null bis zu einem bestimmten Maximalwert aufnehmen kann. Somit, Beim Betazerfall haben Betateilchen desselben Radionuklids unterschiedliche Energien. von Null bis zu einem bestimmten Maximalwert, der für den Zerfall eines bestimmten Radionuklids charakteristisch ist. Es ist nahezu unmöglich, ein Radionuklid anhand der Betastrahlungsenergie zu identifizieren.

Einige Radionuklide können gleichzeitig auf zwei oder drei Arten zerfallen: durch Alpha- und Betazerfall und durch K-Einfang, eine Kombination der drei Zerfallsarten. Dabei werden Transformationen in einem streng definierten Verhältnis durchgeführt. Beispielsweise unterliegt das natürliche langlebige Radioisotop Kalium-40 (T 1/2 = 1,4910 9 Jahre), dessen Gehalt im natürlichen Kalium 0,0119 % beträgt, einem elektronischen Betazerfall und K-Einfang:

(88 % – elektronischer Zerfall),

(12 % – K-Grab).

Aus den oben beschriebenen Arten von Zerfällen können wir schließen, dass der Gammazerfall nicht in seiner „reinen Form“ existiert. Gammastrahlung kann nur verschiedene Arten von Zerfällen begleiten. Bei der Emission von Gammastrahlung im Kern ändert sich weder die Massenzahl noch die Ladung. Folglich ändert sich nicht die Natur des Radionuklids, sondern nur die im Kern enthaltene Energie. Gammastrahlung wird emittiert, wenn Kerne von angeregten Ebenen in niedrigere Ebenen, einschließlich der Bodenoberfläche, gelangen. Beispielsweise entsteht beim Zerfall von Cäsium-137 ein angeregter Kern von Barium-137. Der Übergang vom angeregten in den stabilen Zustand geht mit der Emission von Gammaquanten einher:

Da die Lebensdauer von Kernen in angeregten Zuständen sehr kurz ist (normalerweise t10 -19 s), wird bei Alpha- und Betazerfällen fast gleichzeitig mit dem geladenen Teilchen ein Gammaquant emittiert. Auf dieser Grundlage wird der Prozess der Gammastrahlung nicht als eigenständige Zerfallsart unterschieden. Anhand der Energie der Gammastrahlung sowie der Energie der Alphastrahlung ist es möglich, ein Radionuklid zu identifizieren.

Interne Konvertierung. Der angeregte Zustand (als Ergebnis der einen oder anderen Kernumwandlung) des Atomkerns weist auf das Vorhandensein überschüssiger Energie darin hin. Ein angeregter Kern kann nicht nur durch die Emission eines Gammaquants oder den Ausstoß eines Teilchens in einen Zustand mit niedrigerer Energie (Normalzustand) übergehen, sondern auch durch innere Umwandlung oder Umwandlung unter Bildung von Elektron-Positron-Paaren.

Das Phänomen der inneren Umwandlung besteht darin, dass der Kern Anregungsenergie auf eines der Elektronen der inneren Schichten (K-, L- oder M-Schicht) überträgt, die dadurch aus dem Atom entweichen. Solche Elektronen nennt man Konversionselektronen. Folglich ist die Emission von Konversionselektronen auf die direkte elektromagnetische Wechselwirkung des Kerns mit den Elektronen der Hülle zurückzuführen. Konversionselektronen haben ein Linienenergiespektrum, im Gegensatz zu Betazerfallselektronen, die ein kontinuierliches Spektrum ergeben.

Wenn die Anregungsenergie 1,022 MeV überschreitet, kann der Übergang des Kerns in den Normalzustand mit der Emission eines Elektron-Positron-Paares und dessen anschließender Vernichtung einhergehen. Nachdem die innere Umwandlung stattgefunden hat, entsteht in der Elektronenhülle des Atoms ein „freier“ Platz für das ausgestoßene Umwandlungselektron. Eines der Elektronen in weiter entfernten Schichten (von höheren Energieniveaus) führt einen Quantenübergang zu einer „freien“ Stelle unter Emission charakteristischer Röntgenstrahlung durch.

Schwerionenspeicher eröffnen grundlegend neue Möglichkeiten bei der Untersuchung der Eigenschaften exotischer Kerne. Sie ermöglichen insbesondere die Ansammlung und langfristige Nutzung vollständig ionisierter Atome – „nackter“ Kerne. Dadurch wird es möglich, die Eigenschaften von Atomkernen zu untersuchen, die keine elektronische Umgebung haben und bei denen kein Coulomb-Effekt der äußeren Elektronenhülle mit dem Atomkern besteht.

Reis. 3.2 Schema des E-Captures in einem Isotop (links) und vollständig ionisierten Atomen und (rechts)

Der Zerfall eines Atoms in einen gebundenen Zustand wurde erstmals 1992 entdeckt. Dabei wurde der β-Zerfall eines vollständig ionisierten Atoms in gebundene Atomzustände beobachtet. Der 163-Dy-Kern ist im N-Z-Diagramm der Atomkerne schwarz markiert. Dies bedeutet, dass es sich um einen stabilen Kern handelt. Tatsächlich ist der 163-Dy-Kern als Teil eines neutralen Atoms stabil. Sein Grundzustand (5/2 +) kann durch elektronisches Einfangen aus dem Grundzustand (7/2 +) des 163 Ho-Kerns besiedelt werden. Der 163 Ho-Kern, umgeben von einer Elektronenhülle, ist β-radioaktiv und seine Halbwertszeit beträgt etwa 10 4 Jahre. Dies gilt jedoch nur, wenn wir den Kern betrachten, der von einer Elektronenhülle umgeben ist. Bei vollständig ionisierten Atomen sieht das Bild grundlegend anders aus. Nun ist der Grundzustand des 163 Dy-Kerns energiereicher als der Grundzustand des 163 Ho-Kerns und es eröffnet sich die Möglichkeit für den Zerfall von 163 Dy (Abb. 3.2).

Das beim Zerfall entstehende Elektron kann in der freien K- oder L-Schale des Ions eingefangen werden. Infolgedessen hat der Zerfall (3.8) die Form

→ + e - + e (im gebundenen Zustand).

Die Energien des β-Zerfalls in die K- und L-Schalen betragen (50,3 ± 1) keV bzw. (1,7 ± 1) keV. Um den Zerfall in gebundene Zustände der K- und L-Schale zu beobachten, wurden am GSI 10 8 vollständig ionisierte Kerne im ESR-Speicherring akkumuliert. Während der Akkumulationszeit entstanden durch β+-Zerfall Kerne (Abb. 3.3).

Reis. 3.3. Dynamik der Ionenakkumulation: a – Strom von Dy 66+-Ionen, die während verschiedener Phasen des Experiments im ESR-Speicherring akkumuliert wurden, β- Intensitäten von Dy 66+- und Ho 67+-Ionen, gemessen durch externe bzw. interne positionsempfindliche Detektoren

Da die Ho 66+-Ionen praktisch das gleiche M/q-Verhältnis haben wie die Ionen des primären Dy 66+-Strahls, sammeln sie sich auf derselben Umlaufbahn. Die Akkumulationszeit betrug ca. 30 Minuten. Um die Halbwertszeit des Dy 66+-Kerns zu messen, musste der im Orbit angesammelte Strahl von der Beimischung von Ho 66+-Ionen gereinigt werden. Um den Strahl von Ionen zu reinigen, wurde ein Argongasstrahl mit einer Dichte von 6·10 12 Atomen/cm 2 und einem Durchmesser von 3 mm in die Kammer injiziert, der den angesammelten Ionenstrahl in vertikaler Richtung kreuzte. Aufgrund der Tatsache, dass Ho 66+-Ionen Elektronen einfingen, verließen sie die Gleichgewichtsbahn. Der Strahl wurde etwa 500 s lang gereinigt. Danach wurde der Gasstrom blockiert und Dy 66+-Ionen und Ho 66+-Ionen, die durch den Zerfall neu gebildet wurden (nach Abschalten des Gasstroms), zirkulierten weiter im Ring. Die Dauer dieser Etappe variierte zwischen 10 und 85 Minuten. Der Nachweis und die Identifizierung von Ho 66+ basierten auf der Tatsache, dass Ho 66+ weiter ionisiert werden kann. Dazu wurde im letzten Schritt noch einmal ein Gasstrahl in den Speicherring eingeblasen. Das letzte Elektron wurde dem 163 Ho 66+-Ion entzogen, wodurch das 163 Ho 67+-Ion entstand. Neben dem Gasstrahl befand sich ein ortsempfindlicher Detektor, der die aus dem Strahl austretenden 163 Ho 67+-Ionen aufzeichnete. In Abb. Abbildung 3.4 zeigt die Abhängigkeit der Anzahl der durch β-Zerfall gebildeten 163 Ho-Keime von der Akkumulierungszeit. Der Einschub zeigt die räumliche Auflösung des ortsempfindlichen Detektors.
Somit war die Ansammlung von 163 Ho-Kernen im 163 Dy-Strahl ein Beweis für die Möglichkeit eines Zerfalls

→ + e - + e (im gebundenen Zustand).

Reis. 3.4. Das Verhältnis der Tochterionen 163 Ho 66+ zu primären 163 Dy 66+ hängt von der Akkumulationszeit ab. Im Einschub Peak 163 Ho 67+, aufgezeichnet vom internen Detektor

Durch Variation des Zeitintervalls zwischen der Reinigung des Strahls von der Ho 66+-Verunreinigung und dem Zeitpunkt der Aufzeichnung der im Strahl neu gebildeten Ho 66+-Ionen ist es möglich, die Halbwertszeit des vollständig ionisierten Dy 66+-Isotops zu messen. Es stellte sich heraus, dass sie etwa 0,1 Jahr betrug.
Ein ähnlicher Zerfall wurde für 187 Re 75+ entdeckt. Das erzielte Ergebnis ist für die Astrophysik äußerst wichtig. Tatsache ist, dass neutrale 187 Re-Atome eine Halbwertszeit von 4·10 10 Jahren haben und als radioaktive Uhren verwendet werden. Die Halbwertszeit von 187 Re 75+ beträgt nur 33 ± 2 Jahre. Daher ist es notwendig, entsprechende Korrekturen an astrophysikalischen Messungen vorzunehmen, denn In Sternen liegt 187 Re am häufigsten in einem ionisierten Zustand vor.
Die Untersuchung der Eigenschaften vollständig ionisierter Atome eröffnet eine neue Richtung der Erforschung der exotischen Eigenschaften von Kernen, denen der Coulomb-Einfluss der äußeren Elektronenhülle entzogen ist.

Nun sind wir endlich bei der Antwort auf die Frage nach dem Ursprung der mysteriösen Betateilchen angekommen. Die Quelle ihres Auftretens ist der umgekehrte Vorgang zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron, nämlich: die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Aus logischen Überlegungen ist ein solcher Vorgang analog mit der Emission eines Elektrons (des gleichen Betateilchens) verbunden. Denn der Verlust einer negativen Ladung ist gleichbedeutend mit dem Erwerb einer positiven Ladung. Aber wo kann man in einem völlig ungeladenen Neutron eine negative Ladung finden und freisetzen?
Wenn alles nur auf die Emission eines negativ geladenen Teilchens beschränkt wäre, wäre dies tatsächlich unmöglich. Jahrhundertelange Erfahrung hat die Physiker an die Vorstellung gewöhnt, dass weder negative noch positive Ladung aus dem Nichts entstehen kann. So wie keine dieser Anklagen spurlos verschwinden kann. Dies ist das Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung.
In Wirklichkeit setzt das Neutron nicht einfach ein Betateilchen frei; Gleichzeitig bildet es auch ein Proton, das dessen negative Ladung vollständig ausgleicht und die Gesamtneutralität aufrechterhält. Somit wird insgesamt keine zusätzliche Gebühr gebildet. Wenn ein Elektron auf ein Positron trifft und vernichtet, ist die Nettoladungsänderung ebenfalls Null.
Wenn ein Proton ein Positron aussendet, um ein Neutron zu werden, hat das ursprüngliche Teilchen (Proton) eine positive Einheitsladung und die beiden resultierenden Teilchen (Neutron und Positron) haben ebenfalls eine Gesamtladung von +1.
Der Kern ist auch in der Lage, ein Elektron aufzunehmen, dann verwandelt sich das Proton im Kern in ein Neutron. Ein Elektron und ein Proton (ihre Gesamtladung ist Null) bilden ein ladungsloses Neutron. Typischerweise fängt der Kern ein Elektron aus der K-Schale ein, die ihm am nächsten liegt, weshalb dieser Vorgang als K-Einfang bezeichnet wird. Sofort wird der freie Platz von einem Elektron aus einer weiter entfernten L-Schale besetzt, was mit der Freisetzung von Energie in Form von Röntgenstrahlung einhergeht. Dieser Effekt wurde erstmals 1938 vom amerikanischen Physiker L. Alvarez beschrieben. Chemische Umwandlungen, bei denen Elektronen bewegt werden, haben in der Regel keinen Einfluss auf Kernreaktionen. Da beim K-Einfang aber nicht nur Kerne, sondern auch Elektronen beteiligt sind, ist dieser Prozess in gewissem Maße mit chemischen Veränderungen verbunden.

Neutronenzerfall

Das Proton-Neutron-Modell des Kerns stellt die Physiker voll und ganz zufrieden und gilt bis heute als das beste. Auf den ersten Blick lässt es jedoch einige Zweifel aufkommen. Besteht der Atomkern nur aus Protonen und Neutronen, stellt sich wiederum die Frage, wie negativ geladene Elektronen in Form von ?-Teilchen aus ihm entweichen können. Was ist, wenn im Kern keine Elektronen vorhanden sind und diese im Moment des Zerfalls gebildet werden? Wenden wir Naturschutzgesetze an, um die richtige Lösung zu finden.

Die Bildung eines Elektrons bedeutet die Entstehung einer negativen elektrischen Ladung. Doch nach dem Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung kann eine negative Ladung erst entstehen, wenn gleichzeitig eine positive Ladung entsteht. Da jedoch kein einziges positiv geladenes Teilchen zusammen mit dem ?-Teilchen aus dem Kern fliegt, muss ein solches Teilchen im Kern verbleiben. Es ist bekannt, dass sich im Kern nur ein positiv geladenes Teilchen befindet – das Proton. Aus allem Gesagten folgt, dass bei der Emission eines Elektrons aus einem Kern ein Proton im Kern entsteht. Kommen wir zum Energieerhaltungssatz. Ein Proton hat Masse, und wenn es entsteht, muss die Masse woanders verschwinden. Alle Kerne außer Wasserstoff-1 enthalten Neutronen. Im ungeladenen Zustand erscheint oder verschwindet ein Neutron, ohne das Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung zu verletzen. Wenn also ein α-Teilchen in den Kern emittiert wird, verschwindet ein Neutron und gleichzeitig erscheint ein Proton (Abb. 4). Mit anderen Worten: Ein Neutron verwandelt sich in ein Proton und gibt dabei ein Elektron ab. Es liegt keine Verletzung des Energieerhaltungssatzes vor, da das Neutron etwas schwerer als das Proton ist. Ein Proton und ein Elektron haben zusammen auf atomarer Skala eine Masse von 1,008374, während ein Neutron eine Masse von 1,008665 hat. Wenn sich ein Neutron in ein Elektron und ein Proton umwandelt, „verschwindet“ die Masse von 0,00029. In Wirklichkeit wird daraus die kinetische Energie des emittierten?-Teilchens, die etwa 320 keV entspricht.

Reis. 4. Strahlung?-Teilchen.

Diese Erklärung scheint zufriedenstellend zu sein, also lassen Sie uns zusammenfassen, indem wir ein möglichst einfaches Symbolsystem verwenden. Bezeichnen wir das Neutron mit n, das Proton mit p +, das Elektron mit e - und schreiben wir die Gleichung für die Strahlung des?-Teilchens:

N? p + + e - .

Unsere Überlegungen spiegeln nur indirekt wider, was im Kern passiert. In Wirklichkeit kann man nicht in einen Kern blicken und sehen, wie sich ein Proton in ein Neutron verwandelt, wenn ein geladenes Elektron freigesetzt wird. Zumindest jetzt noch nicht. Ist es möglich, einzelne Neutronen im freien Zustand zu beobachten? Werden sie sich vor unseren Augen sozusagen in Protonen verwandeln und schnelle Elektronen aussenden?

Im Jahr 1950 gelang es den Physikern endlich, die Antwort zu finden. Freie Neutronen zerfallen von Zeit zu Zeit und verwandeln sich in Protonen, was nicht oft vorkommt. Jedes Mal, wenn ein Neutron diese Veränderung durchläuft, wird ein Elektron emittiert.

Neutronen existieren in einem freien Zustand, bis der Zerfall eintritt, und die Frage, wie lange dieser Zeitraum dauert, ist sehr wichtig. Wann genau ein Neutron radioaktiv zerfällt, lässt sich nicht sagen. Dieser Vorgang ist zufällig. Ein Neutron existiert ohne Zerfall eine Millionstelsekunde, ein anderes fünf Wochen und ein drittes siebenundzwanzig Milliarden Jahre. Für eine große Anzahl gleichartiger Teilchen lässt sich jedoch mit hinreichender Genauigkeit vorhersagen, wann ein bestimmter Prozentsatz zerfallen wird. (Ebenso kann ein Versicherungsstatistiker nicht vorhersagen, wie lange eine einzelne Person leben wird, aber für eine große Gruppe von Menschen eines bestimmten Alters, Berufes, Wohnortes usw. kann er mit ziemlicher Genauigkeit vorhersagen, wie lange die Hälfte davon leben wird von ihnen sterben.)

Die Zeit, in der die Hälfte der Teilchen einer bestimmten Art zerfällt, wird üblicherweise als Halbwertszeit des Teilchens bezeichnet. Der Begriff wurde 1904 von Rutherford geprägt. Jede Partikelart hat ihre eigene charakteristische Halbwertszeit. Beispielsweise beträgt die Halbwertszeit von Uran-238 4,5·10 9 Jahre und die von Thorium-232 ist viel länger – 1,4·10 10 Jahre. Daher kommen Uran und Thorium immer noch in erheblichen Mengen in der Erdkruste vor, obwohl zu jedem Zeitpunkt einige ihrer Atome zerfallen. Im Laufe der gesamten fünf Milliarden Jahre alten Erdgeschichte ist nur die Hälfte der Uran-238-Reserven und deutlich weniger als die Hälfte der Thorium-232-Reserven zerfallen.

Einige radioaktive Kerne sind viel weniger stabil. Wenn beispielsweise Uran-238 ein Teilchen emittiert, verwandelt es sich in Thorium-234. Die Halbwertszeit von Thorium-234 beträgt nur 24 Tage, daher gibt es in der Erdkruste nur Spuren dieses Elements. Es entsteht sehr langsam aus Uran-238 und zerfällt nach seiner Bildung sehr schnell.

Beim Zerfall von Thorium-234 emittiert es ein Teilchen. Im Thoriumkern wandelt sich ein Neutron in ein Proton um. Diese Umwandlung von Thorium-234 erfolgt mit einer solchen Geschwindigkeit, dass die Halbwertszeit 24 Tage beträgt. Bei anderen radioaktiven Isotopen verwandeln sich Neutronen viel langsamer in Protonen. Beispielsweise emittiert Kalium-40 β-Partikel mit einer Halbwertszeit von 1,3·10 9 Jahren. Einige Isotope unterliegen überhaupt keinem radioaktiven Zerfall. So wandelt sich in den Kernen von Sauerstoff-16-Atomen, soweit bekannt, kein einziges Neutron von selbst in ein Proton um, d. h. die Halbwertszeit ist unendlich. Am meisten interessiert uns jedoch die Halbwertszeit eines freien Neutrons. Ein freies Neutron ist nicht von anderen Teilchen umgeben, die es mehr oder weniger stabil machen und seine Halbwertszeit verlängern oder verkürzen würden, d. h. im Fall eines freien Neutrons haben wir sozusagen eine unverzerrte Halbwertszeit. Es stellt sich heraus, dass sie etwa zwölf Minuten entspricht, was bedeutet, dass am Ende jeder zwölften Minute die Hälfte der Billionen Neutronen in Protonen und Elektronen umgewandelt wird.

Nachmittagsbemerkungen zur Natur des Neutrons von J. Vervier Ansprache zum Abschluss der Antwerpener Konferenz 1965 Im Verlauf dieser Konferenz haben wir von verschiedenen Wissenschaftlern aus vielen verschiedenen Ländern viele interessante Aussagen über das Objekt namens „Neutron“ gehört. Wir müssen jedoch