Эффект Мёссбауэра.

Эффектом Мёссбауэра называется явление упругого испускания или поглощения -квантов атомными ядрами, связанными в твердом теле, не сопровождающееся изменением внутренней энергиитела (т.е. происходящее без возбуждения квантов колебаний кристаллической решетки - фононов).

При излучении или поглощении -кванта ядром свободного атома, вследствие закона сохранения импульса ядро атома приобретает импульс, равный импульсу излученного или поглощенного фотона, а значит и кинетическую энергию - кинетическую энергию отдачи ядра ( ).

Следствием этого является то, что:

- при переходе ядра из возбужденного состояния с энергией Е в основное, излучаемый -квант имеет энергию несколько меньшую, чем Е, из-за отдачи ядра в процессе излучения: ;

- при возбуждении ядра и переходе его из основного состояния в возбужденное с энергией Е -квант должен иметь энергию несколько большую, чем Е : .

Таким образом, максимумы линий излучения и поглощения должны быть сдвинуты друг относительно друга на величину 2 (см. рисунок), что делает невозможным резонансное поглощение -квантов для свободных ядер.

Резонансное поглощение -излучения может быть получено только при компенсации потери энергии на отдачу ядра.

Такая ситуация реализуется в твердом теле, когда атомы жестко связаны между собой и энергия и импульс отдачи передается не одному атому, а всему кристаллу в целом. В этом случае потери энергии на отдачу становятся исчезающе малыми, поскольку масса кристалла гораздо больше массы одного атома и кинетическая энергия, которую приобретает весь кристалл, ничтожна.

При достаточно низких температурах, когда вероятность возбуждения фононов вследствие отдачи атомов снижается, процессы излучения и поглощения -излучения происходят практически без потерь энергии (идеально упруго) без изменения внутренней энергии тела.

15. Приборы для регистрации радиоактивных излучений и частиц.

Наблюдение и регистрация радиоактивных излучений ( ) и частиц основаны на их способности производить ионизацию или возбуждение атомов среды.

Сцинтилляционный счетчик - детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются сцинтиллятор (кристаллофосфор, излучающий вспышки света при попадании в него частиц) и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), позволяющий преобразовать слабые световые вспышки в электрические импульсы, которые регистрируются электронной аппаратурой.

Ионизационные счетчики - заполненные газом электрические конденсаторы - детекторы частиц, основанные на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа, с последующим разделением продуктов ионизации в электрическом поле. Если счетчик регистрирует только ионы, образовавшиеся непосредственно под действием частиц, то такой счетчик называются импульсной ионизационной камерой. Счетчики, в которых основную роль играет вторичная ионизация обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа, в результате чего возникает разряд в газе, называются газоразрядными счетчиками. Пример газоразрядного счетчика - счетчик Гейгера-Мюллера.

Полупроводниковые счетчики - полупроводниковые диоды, прохожде­ние через которые регистрируемых частиц, приводит к появлению электричес­кого тока через диод.

Камера Вильсона - цилиндр с плотно прилегающим поршнем, заполнен­ный нейтральным газом. При резком (адиабатическом) расширении газ становится пересыщенным и на траекториях частиц, пролетевших через камеру, образуются треки из тумана, которые фотографируются.

Пузырьковая камера - конструктивно похожая на камеру Вильсона и заполненная прозрачной перегретой жидкостью. Пролетающая через камеру заряженная частица вызывает резкое вскипание жидкости, и траектория частицы оказывается обозначенной цепочкой пузырьков газа - образуя трек, который как и в камере Вильсона, фотографируется. Эффективный объем пузырьковой камере на 2-3 порядка больше, чем у камеры Вильсона, так как жидкости гораздо плотнее газов.

Ядерные фотоэмульсии - толстослойные фотографические эмульсии, прохождение заряженных частиц через которые вызывает ионизацию, приводящую к образованию скрытого изображения в эмульсии. После проявления следы заряженных частиц обнаруживаются в виде цепочки зерен металлического серебра. Для исследований высокоэнергетичных частиц используются стопы пластинок - большое число маркированных фотоэмульсионных пластинок, помещаемых на пути частиц и после проявления промеряемых под микроскопом.

16. Ядерные реакции и их основные типы.

Ядерные реакции - это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с -квантами) или друг с другом.

Символически реакции записываются в виде:

, или X(a,b)Y,

где X и Y – исходное и конечное ядра, а и b - бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (и массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

Ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии) так и эндотермическими (с поглощением энергии).

Ядерные реакции протекают в несколько этапов. На первом этапе налетающая частица застревает в ядре-мишени, образуя составное ядро или компаунд-ядро, и ее энергия передается не какому-либо нуклону, а равномерно распределяется между всеми частицами составного ядра, так что ни одна из них не получает энергии, достаточной для вылета из ядра. Составное ядро рассматривается как возбужденная статистическая система частиц, совершающая неупорядоченные движения, подобные движению частиц в капле жидкости. В результате случайных отклонений от равномерного распределения энергии возбуждения между частицами составного ядра на какой-либо одной из них концентрируется энергия, достаточная для вылета этой частицы из ядра. Этот второй этап ядерной реакции происходит по

истечении времени ( ) после первого этапа, где -характер­ное ядерное время (~ с).

Схема ядерной реакции с образованием компаунд-ядра:

где - исходное ядро-мишень, а - налетающая частица, - составное ядро, - ядро - продукт ядерной реакции, b - частица, вылетевшая из ядра в результате реакции.

Если a b, то происходит рассеяние частицы ядром: упругое - при , неупругое – при . Если же испущенная частица не тождественна с захваченной (b a), то идет ядерная реакция в прямом смысле слова.

Ядерные реакции классифицируются:

1) по роду участвующих в них частиц - реакции под действием нейтронов; заряженных частиц; -квантов;

2)по энергии вызывающих их частиц - реакции при малых, средних и высоких энергиях;

3)по роду участвующих в них ядер - реакции на легких (А < 50); средних (50 < < 100) и тяжелых (А >100) ядрах;

4)по характеру происходящих ядерных превращений - реакции с испусканием нейтронов, заряженных частиц; реакции захвата (в случае этих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько -квантов).

Первая в истории ядерная реакция была осуществлена Резерфордом при бомбардировке ядра азота а -частицами:

17. Ядерные реакции под действием нейтронов.

В зависимости от скорости (энергии) нейтроны делят на медленные и быстрые.