Гамма-излучени ядер (ГИ); спектр

Первоначально термином ГИ обозначалась та компонента излучения радиоактивных ядер, которая не отклонялась при прохождение через магнитное поле, в отличие от α- и β-излучений. После установления электромагнитной природы ГИ этот термин стал употребляться вообще для обозначения жёсткого электромагнитного излучения с энергией квантов ħω≥10 кэВ, возникающего в различных процессах, например при аннигиляции частицы и античастицы, в ядерных реакциях, при торможении быстрых заряженных частиц в среде, при распадах мезонов, в космическом излучении и др. Однако существует тенденция к использованию специальных терминов, фиксирующих именно характер источника ГИ: аннигиляционное излучение, мезорентгеновское, тормозное излучение, космическое ГИ, синхротронное излучение и т.п. Мы рассмотрим ГИ возбуждённых атомных ядер.

g‑излучение – испускание кванта электромагнитного излучения при спонтанном переходе ядра с более высокого энергетического уровня на любой нижележащий.

Очевидно, что в этом случае А и Z ядра не изменяются. В отличие от рентгеновских и квантов видимого света, испускаемых при переходах атомных электронов, фотоны, испускаемые ядрами, называются g-квантами, хотя для обозначения квантов любого происхождения сохраняется обобщающее название фотон. Излучение g-кванта является основным процессом освобождения ядра от избыточной энергии, при условии, что эта энергия не превосходит энергию связи нуклона в ядре.

Таким образом, по своей физической природе g-квант – это порция энергии E_g = электромагнитного поля. Переходы, при которых испускаются g-кванты, называются радиационными. Радиационный переход может быть однократным, когда ядро сразу переходит в основное энергетическое состояние, или каскадным, когда происходит испускание нескольких g-квантов в результате ряда последовательных радиационных переходов (переходы γ₁ и γ₂ на рисунке 1).

Рисунок 1. Каскадные радиационные переходы g-квантов

Энергия g-кванта определяется разностью энергий уровней, между которыми происходит переход (энергия γ-перехода):

(16.1)

В соответствии с законами сохранения энергии и импульса:

или с учетом (16.1)

(16.2)

где Т_яд и Р_яд – кинетическая энергия и импульс ядра отдачи соответственно, Р_γ – импульс γ-кванта. Из уравнений (16.2) получаем

(16.3)

Таким образом, Т_яд = (10^-6 ÷ 10^-5)Е, т.е. γ-квант уносит подавляющую часть энергии возбуждения ядра. Из проведенного рассуждения очевидно также, что энергетический спектр γ-квантов дискретен, так как ядро обладает дискретным набором энергетических состояний. В действительности энергетический спектр ядра делится на дискретную и непрерывную области. В области дискретного спектра расстояния между уровнями ядра существенно больше энергетической ширины Г уровня, определяемой временем жизни ядра в этом состоянии: Г~ ; фиксирует скорость γ-распада возбуждённого ядра: N(t)=N exp(-t/ ). Эта область γ-переходов простирается от основного уровня до энергии возбуждения, при которой становится энергетически возможным испускание ядром нуклонов или α-частицы (либо другие ядерные процессы распада, например деление ядер). Выше этого порога начинается область непрерывного энергетического спектра ядерных состояний. Величина порога варьируется от ядра к ядру (например, энергия отрыва нейтрона для Ве =1,665 МэВ, для С =18,721 МэВ), но она <20 МэВ даже в случае лёгких ядер. В результате конкуренции ядерных процессов распада, например, испускания нуклонов, α-частиц, спектр ГИ ядер ограничен областью ħω≥20 МэВ.

g-квант – это не только частица, но и волна. Приведенная длина волны( =λ/2π)g-кванта связана с его энергией соотношением

или

(16.4)

то есть при E_g = 1 МэВ, » 10^-10см. Поэтому волновые свойства такого g-излучения при взаимодействии с атомами, а тем более с макроскопическими телами, проявляются слабо. На первый план выдвигаются корпускулярные свойства. Однако при взаимодействии с ядрами, наоборот, проявляется в основном волновая природа излучения. Таким образом, E_g = 10 кэВ до 20 МэВ, » 2·10^-8 до 5·10^-12см.

Ядро может оказаться в возбужденном состоянии по разным причинам, например в результате предшествующего α- или β-распада. После α-распада обычно испускаются γ-кванты невысокой энергии (E_g < 0,5 МэВ), так как α-распад, сопровождающийся образованием дочернего ядра в сильновозбужденном состоянии, затруднен из-за малой прозрачности барьера для α-частиц с пониженной энергией. Энергия γ-квантов, испускаемых дочерним ядром после β-распада, может быть больше (E_g =2-2,5 МэВ).