Строймех
Сопромат
Математика

Театр

Карта

Ядерная физика начало

Электрический момент ядра

Электрический заряд ядра Z не дает представления о распределении протонов в ядре. Некоторые представления о распределении электрического заряда в ядре и его структуре можно получить с помощью дипольного и квадрупольного  моментов ядра.

Диполем называется система из двух равных по величине зарядов q разного знака, жестко закрепленных на расстоянии d. Такая система, имея равный нулю электрический заряд, обладает свойством ориентироваться по направлению электрического поля. Так как отрицательных зарядов в ядре нет, то смещение положительного заряда (протонов) относительно нулевого (нейтронов) вызывает появление дипольного момента и ядро поворачивается в электрическом поле относительно центра инерции. Обычно рассматривают проекцию дипольного момента ядра на ось Z, совпадающую с направлением внешнего электрического поля. По определению

(1.6.28)

где  - распределение электрического заряда относительно центра инерции ядра (см. рис.1.6.4), ‑ бесконечно малый заряд в точке , z – проекция радиус-вектора выбранного объема на ось Z, а интегрирование ведется по всему объему ядра. Экспериментальные измерения показывают, что ядра в основном состоянии имеют всегда равный нулю электрический дипольный момент, так как нет никаких причин, которые могли бы вызывать в ядре смещение центра масс протонов относительно центра масс нейтронов. Сильное электрическое поле может вызывать поляризацию протонов в ядре и возникновение дипольного момента. Например, электромагнитное поле γ-кванта может вызывать периодическое смещение протонов относительно нейтронов и возникновение дипольных колебаний протонов в ядре.

Другой характеристикой распределения электрического заряда в ядре является квадрупольный электрический момент Q, который не равен нулю для многих ядер, находящихся даже в стационарных состояниях. Квадрупольный момент определяет степень взаимодействие ядра с неоднородным электрическим полем. Электрическим квадрупольным моментом Q ядра называется величина, определяемая соотношением

е

(1.6.29)

где использованы те же обозначения, как и в (1.6.28), а ось Zсовпадает с направлением градиента внешнего электрического поля; . Для сферически симметричного распределения электрического заряда x2 = y2 = z2 и подынтегральная функция в (1.6.29) обращается в нуль и Q = 0. Таким образом, квадрупольный момент является мерой отклонения распределения электрического заряда от сферически симметричного. Величина Qположительна для вытянутых ядер и отрицательна для сплюснутых. Квадрупольные момент имеет размерность площади и часто измеряется в единицах барн, 1 барн = 10‑24см2. В таблице 1.6.2 приведены величины Q для нескольких ядер. Существуют ядра как вытянутые, так и сплюснутые. Если предположить, что вытянутые ядра являются эллипсоидами вращения, то их степень вытянутости можно характеризовать величиной , где а – размер ядра вдоль оси Z, а b – максимальный размер перпендикулярно оси Z. Обычно величина δ ≈ 1,02 ÷ 1,04, однако у ряда тяжелых ядер она достигает 1,2 ÷ 1,5. Поэтому с хорошей точностью можно оценивать радиус ядра с помощью формулы (1.5.2), подразумевая при этом средний радиус . Все магические ядра имеют сферическую форму (Q = 0), которая, таким образом, соответствует наиболее устойчивым ядрам.

Подпись: Таблица 1.6.2
Ядро	I	Q (барн)	Ядро	I	Q (барн)
2H	1	0,0028	137Cs	7/2	0,045
4He	0	0	235U	7/2	4,1
63Cu	3/2	-0,18	241Pu	5/2	5,6

Для экспериментального определения квадрупольных моментов используются те же методы, что и для измерения магнитных моментов - изучение сверхтонкой структуры оптических линий в спектрах и радиочастотные методы. Взаимодействие квадрупольного момента с градиентом внутриатомного электрического поля, позволяет выяснить нарушение правила интервалов (1.6.24) и отделить расщепление спектральных линий, связанное с наличием квадрупольного электрического момента у ядра, с расщеплением, вызванным магнитным моментом ядра, и определить квадрупольный момент ядра.

 

К-захват, в котором ядро захватывает один из электронов электронной оболочки атома (обычно из К-оболочки) и его зарядовое число Z становится равным Z - 1. На освободившееся место в К-оболочке переходит электрон с другой оболочки, и поэтому К-захват всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Первый вид распада (β--распад) протекает по схеме

(16.23)

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе β--распада, здесь приписано β-электрону зарядовое число Z = -1 и массовое число А = 0.

Из схемы (16.23) видно, что дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино . Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон.

Бета-распад может сопровождаться испусканием γ-лучей. Механизм их возникновения тот же, что и в случае α-распада, — дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает γ-фотон. β-электроны

Рис. 16.5.

обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до Емакс На рис. 16.5 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β-распаде. Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени, dN — число электронов, энергия которых заключена в интервале dE. Энергия Емакс соответствует разности между массой материнского ядра и массами электрона и дочернего ядра. Следовательно, распады, при которых энергия электрона Е меньше Емакс протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Чтобы объяснить исчезновение энергии Емакс - Е, В. Паули высказал в 1932 г. предположение, что при β-распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая уносит с собой энергию Емакс - Е. Так как эта частица никак себя не обнаруживает,

следовало признать, что она нейтральна, неуловимая вследствие очень большой проникающей способности и обладает весьма малой массой (в настоящее время установлено, что масса этой частицы близка к нулю, но не нуль). Эту гипотетическую частицу назвали нейтрино (что означает «маленький нейтрон»). Установлено, что спин нейтрино (и антинейтрино) равен 1/2.

Итак, энергия, выделяющаяся при β-распаде, распределяется между электроном и антинейтрино (либо между позитроном и нейтрино, см. ниже) в самых разнообразных пропорциях.

Второй вид распада (β+-распад) протекает по схеме

(16.24)

Процесс сопровождается испусканием позитрона е+ (он обозначен символом ) и нейтрино ν, возможно также возникновение γ-лучей. Позитрон является античастицей для электрона.

Процесс β+-распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

(16.25)

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов, входящих в состав ядра.

Третий вид β-распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов (реже — один из L- или М-электронов) своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает γ-фотоны. Схема процесса:

(16.26)

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи.

 

Электрический момент ядра