8. Начало ядерной спектроскопии

    α-,β-,γ- спектроскопии является классическим разделом ядерной физики. Начало ей положили новые разработанные приборы и методы регистрации ядерных частиц и первые данные об энергетических уровнях атомных ядер. Испускание атомным ядром α-, β- и γ-излучения было установлено Резерфордом и П. Вилардом. Однако первоначально регистрация этих частиц не использовалась для изучения структуры атомных ядер. Вскоре было обнаружено, что β-излучение ядер состоит из двух компонент.

• непрерывной компоненты

• отдельных дискретных линий

    Природа непрерывной компоненты β-излучения стала ясна после предположения В.Паули о существовании нейтрино. Первая приемлемая теория объясняющая природу непрерывного β-спектра основанная на нейтринной гипотезе была предложена В.Паули и Ферми в 1933–1934 г. На ее основе удалось объяснить соотношение между вероятностью β-распада и максимальной энергией β-частиц. Была рассчитана форма непрерывного β спектра. Дискретная компонента β-спектра сразу же была объяснена взаимодействием распадающегося ядра с электронной оболочкой атома. Наблюдаемые серии β-линий интерпретировались как фотоэлектроны, выби­вае­мые монохроматическими γ-квантами, испускаемыми ядром. В дальней­шем эта простая модель была уточнена. Атомное ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может снять это возбуждение как в результате испускания γ-квантов, так и в результате прямого взаимодействия с электронной оболочкой атома. При этом испускаются электроны внутренней конверсии с одной из атомных оболочек. Измерение коэффициентов внутренней конверсии позволяет получить информацию о спинах и четностях ядерных состояний.

    Информация о возбужденных состояниях атомных ядер получается также из анализа тонкой структуры α-спектров. В результате α-распада конечное ядро может оказаться не только в основном, но и в одном из возбужденных состояний. Распады на возбужденные уровни конечного ядра приводят к возникновению тонкой структуры α-спектра. Изучение тонкой структуры α-спектра дает возможность получить информацию о возбужден­ных состояниях ядер образующихся в результате α-распада. Наряду с тонкой структурой α-спектра, наблюдаются так называемые длиннопробежные α частицы. Появление α-частиц с энергией превышающей основную группу α проходов объясняется α-распадом из возбужденных состояний начального ядра. Вероятности α-распада сильно зависят не только от энергии α-частиц, но и от разности значений спинов состояний ядер между которыми происходит α-распад. Существенным фактором, влияющим на вероятности различных каналов α-распада, является перестройка ядра при α-распаде. Таким образом, изучение ядерной спектроскопии дало богатую информацию для разработки и проверки различных моделей атомного ядра. Исследования в области ядерной спектроскопии способствовали значительному прогрессу в методике ядерных исследований. Так сочетание магнитного спектрометра, сцинтилляционного метода регистрации частиц, исследование схем совпадений дало очень большой объем информации о свойствах атомных ядер, что способствовало успеху модели ядерных оболочек. Одновременно были показаны границы применимости простой модели оболочек. Возникло представление о коллективных движениях в атомных ядрах. Вместо статического ядерного поля возникло представление о динамическом ядерном поле, действующем на отдельную частицу.

    Э. Резерфорд, 1932 г.: «Происхождение γ-лучей. Давно было установлено, что γ-лучи возникают в ядре и представляют в некотором смысле характеристические собственные колебания ядерной структуры. Интерпретация сложных спектров γ-лучей, принадлежащих радиоактивным элементам, была, однако, затруднена нашим незнанием происхождения этой радиации – возникает ли она от составных частей ядра электрона, протона или α-частицы, или от ядра, действующего как единое целое. В течение немногих последних лет эта проблема подверглась энергичной атаке и теперь кажется ясным, что ядерные γ-лучи являются результатом перехода α-частицы между уровнями энергии в возбужденном ядре. Были разработаны две различных линии нападения, опирающиеся на:

1. Изучение длинно-пробежных α-частиц радия С и тория С.

2. Тонкую структур в эмиссии α-частиц из некоторых радиоактивных веществ.

    Можно предположить, что испускание β-частицы в процессе превращения вызывает сильное возмущение в остающемся ядре, так что некоторые из составляющих ядро α-частиц поднимаются на более высокий уровень энергии, чем нормальный. Эти α-частицы неустойчивы и после очень короткого интервала времени падают назад на нормальный уровень, излучая излишек своей энергии в форме γ-лучей известной частоты, определяемой квантовыми условиями. В этот короткий интервал времени имеется небольшой шанс, что α-частицы в высоких уровнях могут протечь сквозь потенциальный барьер ядра. С этой точки зрения убегающие с различных уровней α-частицы и представляют наблюдаем е группы α-частиц с большим пробегом. Энергия убегающих α-частиц дает значение уровня энергии, занимаемого α-частицей в возбуждаемом ядре перед ее освобождением.
    Мне хотелось бы подчеркнуть замечательное различие в возмущении ядра при эмиссии α-частицы и β-частицы. Странно сказать, освобождение α-частицы либо не возбуждает ядра вовсе, или поднимает одну или более составляющих α-частиц на сравнительно низкий уровень энергии выше нормального. Однако, во многих случаях освобождение β-частицы создает сильное возбуждение остаточного ядра, в результате которого некоторые α-частицы поднимаются на очень высокий уровень энергии и вызываются γ лучей большой энергии. Это различие между действиями двух типов частиц очень поразительно и может быть интимно связано с процессами, которые вызывают эмиссия β-частицы из радиоактивности элемента.
    Всякий раз, когда мы имеем дело с поведением электрона в ядре, мы встречаем большие трудности в приложении наших теоретических идей. Наиболее поразительный пример может быть тот, что радиоактивные ядра типа β-лучей излучают электроны со сплошным спектром энергии, и что, кажется, здесь нет компенсирующих процессов, которые бы позволили установить определенный баланс энергии, ожидаемый по квантовой динамике. Без сомнения, это одна из наиболее фундаментальных проблем сегодняшнего дня, но, вероятно, мы не будем иметь достаточно времени, чтобы дискутировать ее во всей ее теоретической сложности».

    Э. Резерфорд, 1932 г.: «Поглощение этой радиации материей изучалось И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио, а также Вебстером. В текущем году И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио наблюдали ионизационным методом, что эта радиация вырывает протоны большой скорости из водородсодержащих веществ. Сперва предполагалось, что эти быстрые протоны могут быть результатом взаимодействия между квантом γ-лучей и протоном, но оказалось, что это требует очень высокой квантовой энергии излучения порядка 50 млн. вольт. Как результат дальнейших опытов электрическим методом, Чадвик нашел, что аналогичный эффект отдачи наблюдается для всех легких атомов и пришел к заключению, что эффект может быть объяснен при допущении, что из ядра бериллия освобождается поток быстрых нейтронов. Нелегко сделать выбор между этими двумя предположениями, но накопилось достаточно доказательств, что этот новый тип радиации обладает удивительными свойствами и способен производить разложение азота, вероятно, каким-то новым путем.
    Я старался в этом обзоре привлечь ваше внимание к тем линиям экспериментальной атаки проблемы структуры атомного ядра, которые мне кажутся наиболее важными. Я не входил в спекулятивные вопросы, подобные вопросу о возможности аннигиляции материи и ее превращения в излучение, не касался и догадок о численном соотношении между единицей заряда и постоянной Планка h или соотношения между массой протона и электрона; я не входил в трудные вопросы образования и превращений ядра под влиянием условии, существующих в горячих звездах, – вопросы, о которых много писалось».

    Рисунок демонстрирует сложные цепочки α-, β- и γ-переходов между ядрами-изобарами A = 212.

• α-распада изотопов ²¹⁶Rn, ²¹⁶At, ²¹⁶Po происходят, как правило, в основное состояние ядер-продуктов. Распады на возбуждённые состояния E^* > 0.2 МэВ составляют меньше 1%.
• β^--распады изотопа ²¹²Bi происходят на возбужденные состояния ²¹²Po вплоть до энергии E^* = 1.8 МэВ.
• Возбужденные состояния изотопа ²¹²Po распадаются как в результате γ-переходов так и в результате α-распада. Аналогичная ситуация имеет место и в изотопе ²¹²At.
• Вероятность α-распада основного состояния ²¹²At J^P = (1^-) близка к 100%. Вероятность е-захвата <0.03%, вероятность β^--распада 2·10^-6%. Энергии соответствующих распадов Q(α) = 7.8 МэВ,
  Q(е-захв) = 1.7 МэВ, Q(β^-) = 0.02 МэВ.

    Изомерное состояние E^* = 0.22 МэВ, J^P = 9^- с вероятностью >99% распадается с испусканием α-частиц. Вероятность изомерного перехода IT < 1%.

    Ч. Д. Эллис, 1932 г.: «Уже много лет было известно, что γ-лучи образуют характеристический спектр радиоактивного ядра, но только совсем недавно получены факты, дающие указания на способ их возникновения. Сперва источником γ-лучей считали ядерные электроны, но эта точка зрения, столь естественная из нашего опыта о внеядерной структуре, начала подвергаться подозрениям по мере накопления сведений о том, что поведение ядерных электронов сильно отличается от поведения электронов вне ядра. Быстрый прогресс – как экспериментальный, так и теоретический – в нашем знании α-частиц дал возможность удовлетворительным образом избежать этой трудности, и теперь вообще полагают, что γ-лучи связаны с переходами между стационарными состояниями α-частиц внутри ядра. Это заключение имеет важное значение в том отношении, что стимулирует и дает руководящую точку зрения для дальнейшего исследования γ-лучей и указывает возможности получения подробных и точных сведений об α-частицах.
    Лорд Рёзерфорд уже отметил, что работа последнего времени выявила сложность в эмиссии α-лучей, сложность не замеченную в более ранних экспериментах. Во-первых, было обнаружено явление α-частиц с длинным пробегом, наиболее типичный пример которого дает радий С. При разложении этого тела из миллиона атомов около 99 978 испускают α-частицы, энергия которых есть 7,8-10⁶ V, в то время как остающиеся 22 испускают частицы с большей энергией, распределенной по крайней мере по девяти группам. Быстрейшая из этих групп имеет излишек 3 000 000 V покрывая как раз интервал известных γ-лучей. Более близкое изучение показывает, что разница энергии между быстрыми группами и главной (7,8∙10⁶ V) группой согласуется с hν для γ-лучей. Далее, в то время как число частиц этих групп крайне мало, совокупное число квантов лучей достигает одного кванта на атом. Как приблизительное согласие частот с энергиями, так и согласие относительных интенсивностей α-частиц с большим пробегом и числа квантов, совместимы с тем взглядом, что ядро радия C образуется первоначально в возбужденном состоянии. Тогда для ядра открыты две возможности, которыми оно может освобождать свою энергию. Первая и наименее вероятная есть разложение сразу, в этом случае α-частица уносит всю энергию возбуждений; такие α-частицы образуют одну из групп высокой энергии. Другая возможность заключается в том, что ядро будет сперва испускать часть своей энергии возбуждения в форме γ-лучей, и затем останется с энергией как раз достаточной, чтобы испускать нормальные α частицы с энергией 7,8∙10⁶ V. Это объяснение было рассмотрено детально лордом Рёзерфордом и автором и также впоследствии Гамовым и Дельбрюком и, хотя имеющиеся данные еще недостаточны, чтобы испытать этот взгляд во всех деталях, можно все же, по крайней мере, сказать, что отношения в энергии и интенсивностях с ним совместимы.
    Торий С также обнаруживает серию групп α-лучей, которые распределены по другой схеме. Они обычно относятся к тонкой структуре групп α-частиц, главным образом потому, что разности энергий в этом случае составляют только около 300 000 V. Имеется и другое отличие: в этом случае наименее интенсивные группы являются и группами с наименьшей энергией. Сразу ясно, что объяснение для радия C не может быть здесь приложено, но Гамовым была указана простая точка зрения, которая, кажется, пригодна в этом случае. Его взгляд заключается в том, что ядра тория C первоначально все находятся в одном и том же состоянии. Каждое ядро имеет некоторое, способное освободиться, количество энергии. Ядро может освободить эту энергию или испуская α-частицу с этой полной энергией или оно может испустить α-частицу в одной из серии групп более низкой энергии, а остальная энергия сохранится в ядре как энергия возбуждения. Существенное различие этого взгляда о связи α-частиц и γ лучей в сравнении с первой схемой заключается в том, что эмиссия γ-лучей есть процесс, следующий за эмиссией α-частицы. Этот отличный взгляд недвусмысленно подсказывается в этом случае относительными интенсивностями γ-лучей и α-частиц в группах. Следует заметить, что принимается, что эмиссия γ-лучей происходит после разложения, в то время как с точки зрения энергетических отношений, было бы также легко принять что α-частица в нормальном состоянии сперва совершает переход в состояние меньшей энергии с испусканием γ-лучей и тогда выбрасывается из ядра с этого уровня.
    Такой взгляд приводил бы, однако, к чрезвычайной трудности: в то время как мы имеем убедительное объяснение для большого промежутка времени, в течение которого может существовать радиоактивный атом, обладая все же потенциальной возможностью разложения, все другие доказательства показывают, что какая-нибудь система, обладающая возможностью испускания радиации, не может существовать как таковая более, чем маленькую долю секунды. Период тория С для α-разложения равен приблизительно 3 час, и какой-нибудь взгляд, отличный от взгляда Гамова, должен был бы исходить из возможности излучения с полупериодом в 3 час, что явно невозможно. Я исследовал приложимость гамовской теории к случаю тория С. Подробности тонкой структуры α-частиц были найдены Розенблюмом из его опытов с парижским электромагнитом, и первый шаг состоял в том, чтобы показать, что торий С фактически испускает γ-лучи. Этого никогда не думали до тех пор, пока это не было предсказано Гамовым. Действительно, γ-лучи были исследованы посредством спектра β-лучей, и я измерил спектры β-лучей как соединенной эмиссии тория C + C", так и одного тория C". Опыты описаны детально в статье, находящейся в печати; результаты таковы, что некоторые группы, найденные в соединенном спектре, определенно не встречаются в спектре одного тория C". Следующим пунктом аргументации было бы доказательство того, что частоты γ-лучей приблизительно отвечают разностям энергий α-частиц групп, найденных Розенблюмом. Это кажется и оправдывается на самом деле в пределах, правда, довольно больших погрешностей данных. И наконец, последним пунктом аргументации является рассмотрение относительных интенсивностей с целью показать, что относительное число α-частиц в различных подгруппах отвечает относительному числу квантов, выведенному из спектра γ-лучей. Невозможно дать определенный ответ на этот вопрос. Все, что можно сказать, сводится к тому, что относительные интенсивности совместимы с этим взглядом. С тех пор как писалась статья, на которую я ссылался, я сделал некоторые дальнейшие опыты. Хотя я и не получил каких-нибудь сильных доказательств, я все же подтвердил ранее сделанные заключения, пользуясь другой аппаратурой. Этот вопрос заслуживает дальнейших исследований, – в частности, в направлении исследования совпадения hν для γ лучей с разницей энергий различных групп α-частиц, но это требует большей точности в обоих рядах измерений. В настоящее время можно, однако, без опасений сказать, что имеются сильные доказательства в пользу общей связи α-частиц и γ-лучей, и это кажется разумной гипотезой, которой нужно следовать.
    Уместно рассмотреть точное значение этой гипотезы и привести ее к простейшей формулировке. В этом смысле она прежде всего означает приложимость закона сохранения энергии к ядру или лучше к той части ядра, которая связана с эмиссией α-частиц и γ-лучей. Следует заметить, что в обоих этих случаях была установлена эквивалентность полного количества энергии, когда эта энергия может разделяться двумя путями. Или α-частица уносит всю имеющуюся энергию, или, если она берет только часть, то остальная испускается в форме γ-лучей. Ядро представляет целую систему и содержит большое число частиц, и поэтому сомнительна правомерность говорить об одной из них в отдельности. Поэтому еще неизвестно имеет ли смысл утверждать, что γ-лучи испускаются α частицами. Едва ли бы это имело смысл, если бы закон сохранения энергии был приложим к ядру в целом, но в действительности, как мы знаем из явления непрерывного спектра β-лучей, это не имеет места. Мы видели, что имеющиеся доказательства показывают, что закон сохранения энергии приложим как к эмиссии α-частиц, так и к эмиссии γ-лучей, в то время как он, по-видимому, определенно неприложим к эмиссии β-частиц. В таком случае представляется правомерным сделать различие между α-частицами в ядре и электронами и с тою степенью определенности, с какою существует это отличие, мы можем сказать, что γ-лучи связаны с долей α-частиц ядра. Следует не забывать, что в ядре имеются другие частицы наравне с α частицами и электронами. Фаулер указал, что за некоторые особенности спектра, может быть ответственно присутствие протонов и недавние работы показывают, что мы, по-видимому, должны также считаться с нейтронами одного или многих сортов. Изучение детальной связи γ-лучей с α частицами и протонами и, возможно, другими телами является задачей будущего, но в настоящее время, как чисто рабочую гипотезу, удобно принять тот узкий взгляд, согласно которому γ-лучи также связаны с состояниями α-частиц в ядре, как рентгеновы лучи и оптические спектры связаны с электронной структурой. Исследование этих состояний α-частиц радиоактивного ядра требует совместной разработки, – по крайней мере, двух линий исследования: с одной стороны, прямого исследования энергий и интенсивности различных групп α-частиц, с другой стороны – измерений спектра γ-лучей. Нет необходимости говорить о первой линии исследования, но оценка важности последней естественно ведет к тому пункту, который я хочу специально подчеркнуть. Это – настоятельная нужда в увеличении точности в области нашего знания спектра γ-лучей».

Распад ядер-изобар А = 242

Изотоп ²⁴²Am имеет два изомерных состояния.

1. E^* = 0.48 МэВ, J^P = 5^-, T_1/2 = 152 года,
2. E^* = 2.2 МэВ, J^P = (2⁺, 3^-), T_1/2 = 14 мс.

    Распад изомерного состояния E^* = 2.2 МэВ, J^P = (2⁺, 3^-) с вероятностью 100% происходит в результате спонтанного деления.