Уровни энергии возбужденного ядра и их характеристики.

Возбуждение ядра – сообщение ядру дополнительной энергии, в результате чего увеличивается его внутренняя энергия, и ядро переходит из основного состояния в возбужденное. Ядро является квантовой системой взаимодействующих нуклонов и имеет строго определенный и дискретный набор разрешенных энергетических состояний. Наименьшее количество энергии, которое может поглотить ядро, соответствует его первому возбужденному уровню. Уровни возбуждения бывают одночастичными и коллективными. Возбуждение легких ядер на нижние энергетические уровни обусловлены переходом одного из нуклона в ближайшее незанятое состояние с большей энергией. Такие уровни называются одночастичными. Для тяжелых ядер переход на нижние уровни возбуждения обусловлен обычно вращением ядра (несферические ядра могут вращаться), а на более высокие уровни связан с возбуждением периодических колебаний плотности ядра (без изменения формы) или же с колебанием формы ядра. Уровни подобного свойства называются коллективными, так как вызваны коллективным взаимодействием нуклонов в ядре. Многие из уровней имеют сложную смешанную природу.

На рис.1.7.1 изображены типичные схемы возбужденных уровней легкого и тяжелого ядер. Система энергетических уровней ядра называется энергетическим спектром ядра. Энергия каждого уровня обозначается слева, а спин и четность (см. §1.8) данного состояния справа. Совокупность значений этих величин называется характеристикой уровня. Первый возбужденный уровень E ₁ легких ядер (А < 50) расположен при энергии ~ 1 МэВ, у тяжелых (А > 200) ~ 0,1 МэВ. Спины ядер в возбужденных состояниях могут отличаться от спинов в основном состоянии, поскольку спин ядра зависит не только от спина нуклонов но и от их внутреннего движения (орбитальных моментов).

Взаимодействие гамма-излучения с веществом.

При радиоактивном распаде, ядра испускают гамма – кванты с энергией в пределах от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Гамма – кванты при прохождении через вещество теряют энергию практически за счет трёх эффектов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеивания (комптон- эффект), образования электронно-позитронных пар (образование пар). Величина каждого эффекта зависит от атомного номера поглощающего материала и энергии фотона.

Эффект Мессбауэра.

Эффект Мёссбауэра или ядерный гамма-резонанс, состоит в резонансном испускании или поглощении гамма-фотонов без изменения фононного спектра излучателя или поглотителя излучения соответственно. Иными словами, эффект Мёссбауэра — это резонансное испускание и поглощение гамма-лучей без отдачи. Имеет существенно квантовую природу и наблюдается при изучении кристаллических, аморфных и порошковых образцов, содержащих один из 87 изотопов 46 элементов.

Природа эффекта

При испускании или поглощении гамма-кванта, согласно закону сохранения импульса, свободное ядро массы M получает импульс отдачи p = E ₀/ c и соответствующую этому импульсу энергию отдачи R = p ²/(2 M). На эту же величину оказывается меньше по сравнению с разностью энергий между ядерными уровнями E ₀ энергия испущенного гамма-кванта, а резонансное поглощение наблюдается для фотонов с энергией, равной E ₀ + R. В итоге, для одинаковых ядер линии испускания и поглощения разнесены на величину 2 R и условие резонанса может быть выполнено только в случае совмещения этих линий, либо их частичного перекрытия. В газахэнергию отдачи получает одно излучающее ядро массы M, тогда как в твёрдых телах помимо процессов, когда за счёт энергии отдачи возбуждаются фононы, при определённых условиях смещение только одного атома или небольшой группы атомов становится невозможным, и отдачу может испытать лишь весь кристалл целиком. Масса кристалла на много порядков больше массы ядра, а значит и величина R становится пренебрежимо малой. В процессах испускания и поглощения гамма-квантов без отдачи энергии фотонов равны с точностью до естественной ширины спектральной линии.

Выделение и поглощение энергии в ядерных взаимодействиях. Примеры.

Ядер­ны­ми ре­ак­ци­я­ми на­зы­ва­ют пре­вра­ще­ние одних ядер в дру­гие при вза­и­мо­дей­ствии с ка­ки­ми-то ча­сти­ца­ми.

В на­ча­ле раз­ви­тия ядер­ной фи­зи­ки учё­ные рас­по­ла­га­ли лишь одним «ору­ди­ем» для «раз­би­тия» ядра – это аль­фа-ча­сти­цы, ко­то­рые при ра­дио­ак­тив­ном рас­па­де из­лу­ча­ли ра­дио­ак­тив­ные пре­па­ра­ты.

Пер­вая ядер­ная ре­ак­ция была осу­ществ­ле­на Ре­зер­фор­дом. Он бом­бар­ди­ро­вал атомы азота α-ча­сти­ца­ми, в ре­зуль­та­те по­лу­чал­ся кис­ло­род и вы­ле­тал про­тон.

Джеймс Че­двик при бом­бар­ди­ров­ке α-ча­сти­ца­ми бе­рил­лия об­на­ру­жил, что из ядра бе­рил­лия вы­ле­та­ет ней­трон и по­лу­ча­ет­ся ядро уг­ле­ро­да.

Од­на­ко α-ча­сти­цы не все­гда спо­соб­ны раз­бить ядро, так как они также об­ла­да­ют по­ло­жи­тель­ным за­ря­дом и, при опре­де­лён­ных усло­ви­ях, элек­три­че­ское от­тал­ки­ва­ние со сто­ро­ны ядра на­столь­ко боль­шое, что α-ча­сти­ца не смо­жет с ним столк­нуть­ся.

Впер­вые уско­рен­ный про­тон ис­поль­зо­ва­ли для вза­и­мо­дей­ствия с ядром лития , при этом ядро раз­би­ва­лось на две α-ча­сти­цы (два ядра гелия).

Дан­ная ре­ак­ция имела боль­шой энер­ге­ти­че­ский выход, около . Ещё боль­ше энер­гии вы­де­ли­лось при ре­ак­ции, в ко­то­рой разо­гнан­ный уско­ри­те­лем дей­трон попал в ядро лития и также раз­бил его на два ядра гелия.

Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью ядер­ных ре­ак­ций яв­ля­ет­ся вы­пол­не­ние за­ко­нов со­хра­не­ния. То есть сумма за­ря­до­вых чисел до ре­ак­ции долж­на быть равна сумме за­ря­до­вых чисел после ре­ак­ции. Также вы­пол­ня­ет­ся закон со­хра­не­ния мас­со­во­го числа. Од­на­ко масса ядер, ко­то­рые вошли в ре­ак­цию, не равны массе ядер, ко­то­рые вышли из ре­ак­ции.