5-мавзу: Радиоактивлик. Радиоактивлик ходисасини моҳияти. Радиоактив емирилишнинг асосий қонунлари. Кетма-кет парчаланиш. Альфа емирилиш. Бета емирилиш. Радиоактив қатори ва трансуран элементлар. Ядроларнинг гамма нурланиши

Бета-спектр ва нейтрино (қўлланма)
Бета-емирилишда алфа-емирилишдаги каби бета-зарралар спектри дискрет ва моноенергетик бўлиши керак еди. Лекин бета – радиоактив емирилишларда ҳосил бўlgан бета-зарралар спектри узлуксиз эканини кўрсатди (5.2-расм). Бета-зарраларнинг максимал кинетик энергияси (Т_е)_мах бета-емирилишэнергиясига яқин бўлади

(Т_е)_мах  Е_β
Н_β

(Т_е)_мах Е_β

5.2-расм

Бета-емирилишда чиқувчи β-зарралар энергияси узлуксиз бўлиб, энергияси нолдан Е_мах гачадир. Дастлабки ва маҳсул ядроларнинг энергия ҳолатлари дискрет бўлиб, бу ҳолатлар орасида вужудга келувчи β-зарралар энергиялари узлуксиз бўлишлиги бу жараёнда энергия сақланмаслигини кўрсатади. β -емирилишда спектрнинг узлуксизлигини тушунтиришучун турлича тахминлар қилинди.

Масалан: 1) β-емирилишда ядронинг уйғонган ҳолатларига емирилади, уйғонган ҳолатдан гамма-квантлар чиқаришбилан асосий ҳолатга ўтадилар деб қарашади. Бу тўғри емас, кўпгина ядролардан гамма-квантлар умуман нурланмайди.
2) Иккинчиси β-емирилишда вужудга кеlgан зарралар энергиясининг бир қисми атомда ютилади деб қаралади. Бу тахминни аниқ километрик ўлчашлар тасдиқламайди, спинини ҳам тушунтириб бўлмайди
н → п + β^-; р → н + β⁺; е + п  н
1 1 1 1 1 1 1 1 1
 →    →    +  → 
2 2 2 2 2 2 2 2 2

Бета-емирилишда спектрнинг узлуксизлиги 1931 йили Швецариялик В.Паули β-емирилишда β-заррадан ташқари яна бир зарра чиқишлиги ва емирилишэнергияси бу икки зарра ўртасида тақсимланишини башорат қилди. β -емирилишда чиқувчи иккинчи зарра зарядсиз З=0 бўлиши, тинч ҳолатдаги массаси нол бўлиши, чунки β^- спектр максимум энергияси β-емирилишэнергиясига айнан тэнг, спини 1/2 ёки 3/2, магнит моменти ҳам нол ёки ноlgа яқин, таъсирлашув кесими σ=10^-44 см² бўлиши лозим. Бу заррага нейтрино деб ном берилди.

Нейтрино зарядсиз, массасиз зарра бўlgани учун бу заррани қайд қилиб, тутиб бўлмайди.
Нейтрино учун муҳитда еркин чопишмасофаси

Ядро суюқлигида

Нейтринонинг тинч ҳолат массаси қиймати β-спектрга кўра аниқланади. Нейтрино массаси ва β-спектр максимум энергиялари фарқига тэнг. Тажриба натижалари нейтрино массасининг юқори чэгараси м_В<35 еВ бўлиб, електрон массасидан 15 000 маротабалар кичик эканлигини кўрсатади.
Кўпгина лабораториялардаги кейинги ўлчашлар нейтрино массаси 14<м_В<46 еВ чэгарада эканлигини кўрсатади.
Бета-емирилишда нейтрино борлигини тасдиқловчи тажрибаларни ўтказишни А.И.Алиханов (1904-1970), А.И.Алиханянлар (1908-1978) ⁷Ве нинг е_қ-қамрашжараёнида нейтринонинг Ли ядросига берган тепкисини ўлчашни тавсия етди. Бу емирилишда емирилишэнергияси

Емирилишэнергияси Е_β=0,864 МеВ, демак, β⁺-емирилишенергетик жиҳатдан мумкин емас, фақат електрон қамрашбўлиши мумкин. Нейтрино массаси β-спектрга кўра аниқланса, бор йўқлиги импулсга кўра аниқланади.
Демак, ⁷Ве –електрон қамрашжараёнида нейтрино чиқади ва ҳосила ядро ⁷Ли га тепки беради.
Импулс сақланишқонунига кўра

Ҳосила ядро ⁷Ли нинг оlgан кинетик энергияси

Агар таркиби ⁷Ли тепки энергияга эга бўлиб, тепки энергияси 57,3 еВ атрофида бўлса, β-емирилишда нейтрино борлиги тасдиқланади, акс ҳолда нейтрино гипотезаси нотўғри.
Бу тажрибани 1942 йили Америкалик олим Аллен ўтказди ва ⁷Ли нинг тепки энергияси Т(⁷Ли)_т = (56,6 1,0) еВ эканлигини аниқлади. Бу билан β-емирилишда β-заррадан ташқари нейтрино ҳам чиқишлигини тажрибада тасдиқлади.
Бевосита нейтринони қайд қилишлик катта қувватга эга бўlgан ядро реакторлари яратиlgандан кейин амаlgа оширилди. Оғир ядроларда нейтронлар нисбатан ортиқ бўлади, бу ядролар кетма-кет β-емирилиб турғун ҳолатга ўта бошлайди. Ҳар бир емирилишактида антинейтрино ҳам чиқади. Оғир ядролар ҳар бир бўлинишактига 5-6 антинейтрино тўғри келади.
АҚШлик Рейнис (1918), Коуен (1919) лар 1953-1954 йилларда антинейтринони бевосита қайд етишдилар. Улар бета-емирилишда нейтрино пайдо бўлса, тескари жараён ҳам бўлиши керак деб
(5.8)
реакциядан фойдаландилар. (5.8) реакция бўлишлиги учун антинейтрино энергияси 1,8 МеВ дан катта бўлиши керак, чунки н+е⁺ лар п-массасидан шунчага катта.
Қурилма Н₁ ва Н₂ бак нишонлар билан ажратиlgан учта Д₁, Д₂, Д₃ –бак детекторлардан тузиlgан.(5.3-расм) Н₁ ва Н₂ бак-нишон қалинлиги 7 см дан CдCл₂ тузи еритмаси билан аралаштириlgан сув, Д₁, Д₂, Д₃-детекторлар (1,9х1,3х0,6 м) суюқ сцинтилляторлардан иборат.
Сцинтилляцион суюқлик ҳажми 150 та фотоелектрон кўпайтиргич ёрдамида кузатилади. Қурилмани ташқи нейтрон ва гамма-фотонлардан сақлашучун система қўрғошинли парафин қутичага жойлаштириlgан ва пўлат қоплама билан беркитилиб, Ер остига чуқурликка тушириlgан.
ν_е

Д₁ γ_а е⁺ γ_Сд

Ҳ₁ е^- _П н
γ_а γ_Cд γ_Cд
Д₂
Ҳ₂
Д₃

5.3-расм

Тажриба қуйидагича ўтган. Антинейтрино манбаи сифатида секундига 10¹⁸-10¹⁹ та антинейтрино оқимини берадиган ядро реактори хизмат қиlgан. Бак-нишонга келиб тушган антинейтрино нишон протони билан реакция бўйича таъсирлашса, нейтрон ва позитрон ҳосил бўлади. Позитрон 1 см атрофидаги масофани 10^-9 с да ўтиб електрон билан аннигилляцияланади (е⁺ + е^- → γ + γ) ва иккита γ₂ гамма-фотон ҳосил қилади. Фотонлар мослама схемага уланган Д₁, Д₂, Д₃-детекторларда қайд қилинади.

Нейтрон эса сувда кетма-кет тўқнашишнатижасида ўз энергиясини камайтириб Cд ядросида ютилади. Кадмий ядроси уйғонган ҳолатдан умумий энергияси 10 МеВгача бўlgан бир неча γ_Cд гамма-фотонлар чиқариб асосий ҳолатга ўтади. γ_Cд –квантлар ҳам Д₁, Д₂, Д₃-детекторларда қайд қилинади. Қурилма антинейтринонинг протон билан ўзаро таъсирлашиши секинлатишоралиғи ва нейтронлар диффузияси вақти (1 дан 25 мкс гача) бўйича силжиган икки импулснинг ҳосил бўлишига мослашган мос тушишсхемаси асосида ишлайди.
Қурилма 1400 соат узлуксиз ишлаб бир соатда ўртача 2,880,22 импулсларни қайд қилди. Бу антинейтрино билан протоннинг ўзаро таъсир кесими σ_ν~10⁴³ см² га тэнг эканлигини кўрсатади.
Антинейтринонинг мавжудлиги бета-емирилишназариясини асослади. Яна шуни ҳам еслатиб ўтишкеракки, нейтроннинг схемаси бўйича емирилиши унинг учта заррадан (р, β, ν) ташкил топганини кўрсатмайди: р, β, ν лар емрилишвақтида вужудга келади. Бу атомнинг бир енергетик ҳолатдан бошқасига ўтганда фотон сочилишига ўхшайди. Атомда «тайёр» фотон бўлмаганидек, нейтрон ичида «тайёр» зарралар йўқ.
Нейтрино билан антинейтрино бир хил емаслигини 1956 йилда Р.Девис ўз тажрибаларида исботлади. Ҳақиқатдан, нейтрино билан антинейтрино бир хил бўлса, каби реакция ҳам кузатилар еди. Р.Девис катта ҳажмдаги тўрт хлорли углерод антинейтрино оқимида нурлантирилиб, узоқ кузатишлар давомида реакция натижасида биронта ҳам ³⁷Ар ҳосил бўлмаганини кўрсатди. Ҳозир нейтрино-антинейтрино жуфтининг бошқа хиллари ҳам бор. Юқорида биз кўрган електрон-нейтрино ва електрон-антинейтринолардан ташқари яна мюон-нейтрино ва мюон-антинейтринолар 1962 йилда топилди. Улар π⁺ ва π^- - мезонларнинг μ⁺ ва μ^- - мезонларга парчаланишида ҳосил бўлади.
π⁺→ μ⁺+ν_μ
π^-→ μ^-+
1975 йилда оғир τ-лептоннинг парчаланишида ҳосил бўладиган нейтрино ва антинейтрино учинчи хили кашф етилди


τ-лептоннинг массаси анча оғир (м_τc²=1,9 ГеВ) протон массасидан деярли икки марта катта, у емирилишда мюон ва адронлар (оғир зарралар) ҳам ҳосил бўлади.
τ⁺→ μ⁺ + ν_μ + τ⁺→ + адронлар
τ^-→ μ^- + +ν_τ τ^-→ ν_τ + адронлар