Элементы теории бета-распада

Основная идея теории Э.Ферми (1934 г.): электрон и антинейтрино, испускаемые в процессе распада нейтрона, не входят в состав нейтрона, а рождаются в результате слабого взаимодействия, переводящего нейтрон в протон. Учитывая короткодействующий характер слабого взаимодействия, Ферми предложил рассматривать взаимодействие этих четырех частиц (четырех фермионов) в одной точке с постоянной G_F. Тогда распад свободного нейтрона можно представить графически в виде феймановской диаграммы четырех линий пересекающихся в точке.

Четырехфермионное взаимодействие наводит на мысль, что слабое взаимодействие переносится промежуточной частицей со спином 1, подобно тому, как электромагнитное взаимодействие переносится векторной частицей фотоном см. рис.2.8. Однако частица –квант слабого взаимодействия должна обладать электрическим зарядом и иметь большую массу. Постоянная слабого взаимодействия G_F =10^{- 49} эрг см ³ связана с массой этого векторного бозона W соотношением

Если положить заряд векторного бозона g равным заряду электрона e^-, то масса векторного бозона Гэв. Этот квант слабого взаимодействия (их оказалось три) был обнаружен экспериментально в 1986 г.

Радиоактивные семейства(ряды)

Устойчивость ядер (в среднем) понижается с с возрастанием числа нуклонов А в ядре. Все тяжелые ядра с А > 209 нестабильны по отношению к альфа-распаду, т.к. кулоновская энергия отталкивания протонов в ядре становится больше ядерных сил притяжения нуклонов. при каждом α-распаде ядро теряет четыре нуклона, из них два протона. В результате доля нейтронов в ядре возрастает, а само ядро становится меньшего размера. Поэтому ядру становится энергетически выгоднее, избавится от избыточного нейтрона через процесс бета-распада. Чередуя процессы α-распада и β-распада ядро стремится приблизиться к «дороге β-стабильности», т.е. состоянию при котором число нейтронов приблизительно равно числу протонов.

Законы смещения ядер при α-распаде (А→А – 4; Z→Z - 2) при β-распаде (А→А; Z→Z +1).Поскольку массовое число А при α-распаде меняется на 4, а при β-распаде А не меняется, то члены различных радиоактивных семейств не «перепутываются» между собой. Они образуют отдельные радиоактивные ряды (цепочки ядер), которые кончаются своими стабильными изотопами.

Массовые числа членов каждого радиоактивного семейства характеризуются формулой

(1.45)

a =0 для семейства тория, a =1 для семества нептуния, a =2 для семейства урана, a =3 для семейства актиноурана. n - целое число. см.табл. 1.2

Табл.1.2

Семейство	Начальный изотоп	Конечный стабильный изотоп	Ряд	Период полураспада начального изотопа Т1/2
тория		свинец	4n+0	14 10 9 лет
урана		свинец	4n+2	4,5 10 9 лет
актиноурана		свинец	4n+3	0,7 10 9 лет
нептуния		висмут	4n+1	2,2 10 6 лет

Из сравнения периодов полураспада родоначальников семейств с геологическим временем жизни Земли(4,5 млрд. лет) видно, что в веществе Земли торий-232 сохранился почти весь, уран-238 распался примерно наполовину, уран-235 большей частью, нептуний-237 практически весь.

При наличии в веществе начального изотопа каждого семейства, в веществе присутствуют все члены данного радиоактивного семейства. Они находятся в состоянии равновесия, те. активности всех членов семейства равны друг другу. см рис.1.7.

Рис. 1.7. Радиоактивные семейства (ряды). Около стрелок указан тип распада или , ниже символа нуклида - период полураспада в секундах,минутах, днях, годах.