ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 3, с. 484-489
ЯДРА
АТОМНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ БЕТА-РАСПАДЕ ТРИТИЯ И ИХ РОЛЬ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ вА/в¥ И ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ СВОБОДНОГО
НЕЙТРОНА
© 2004 г. Ю. А. Акулов*, Б. А. Мамырин
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 26.03.2003 г.
С использованием изотопно-гелиевого масс-спектрометрического метода измерения постоянной распада ядра трития при различном электронном окружении определен период полураспада без учета распада в связанные состояния в-электрона и вычислен приведенный период полураспада (/Т1/2)г — = 1129.6 ±3.0 с. Из соотношений, связывающих /Т^/2 и О а /ОV, получены значение (О а /ОV )г — = —1.2646 ± 0.0035, а также оценка времени жизни нейтрона тп — 890.3 ± 3.9(стат.) ± 1.4(сист.) с.
1. ВВЕДЕНИЕ
Сравнительная простота структуры ядра трития (тритона) делает его удобным объектом исследования при определении констант, характеризующих бета-процессы. Однако до последнего времени попытки анализа теоретических моделей и вычисления их параметров по данным о бета-распаде тритона не приводили к успеху, поскольку экспериментальные значения постоянной распада (Л) и граничной энергии бета-спектра содержали систематические погрешности, обусловленные взаимодействием ^-электрона в конечном состоянии. Согласно теории бета-распада Ферми вероятность испускания ядрами электронов и их спектр зависят от структуры доступного формирующемуся ^-электрону электронного фазового пространства в атомно-молекулярной системе, включающей бета-активное ядро. При этом определяемые в экспериментах значения постоянной распада и граничной энергии бета-спектра оказываются чувствительными к состоянию электронного окружения ядра. Развитие изотопных масс-спектрометрических методов измерения химических сдвигов постоянной распада тритона и проведение экспериментов по измерению разности периодов полураспада для атомарного и молекулярного трития позволили определить абсолютное значение периода полураспада (T/ = ln 2/Л) для атомарного трития. Наличие экспериментального значения периода полураспада для атомарного трития дало возможность использовать теоретические данные о химических сдвигах периода полураспада при переходе от атома к положительному
E-mail: akulov.mass@mail.ioffe.ru
иону 3Н+ — ядру трития — и таким путем определить абсолютное значение периода полураспада свободного тритона как для случая образования только электронов сплошного спектра, так и для случая, когда учитывается роль дополнительного канала реакции — распада в связанные состояния в ионе 3Не+. Определение значения периода полураспада тритона без учета распада в связанные состояния дало возможность при вычислении приведенного (сравнительного) периода полураспада использовать весьма точно определенное значение разности масс ядер трития и гелия-3. Это в свою очередь позволило вычислить приведенный период полураспада тритона с малой погрешностью и открыло возможность получения независимых оценок отношения аксиально-векторной и векторной констант слабого взаимодействия, а также времени жизни свободного нейтрона.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДА ПОЛУРАСПАДА ДЛЯ СВОБОДНОГО ТРИТОНА
При рассмотрении процесса формирования в-электрона в фазовом пространстветритийсодер-жащих атомно-молекулярных систем различают три канала реакции: прямое образование электрона сплошного спектра; образование электрона сплошного спектра за счет замещения орбитального электрона в-электроном; распад в связанные состояния, т.е. формирование в-электрона на одной из оболочек дочернего атома. Отношение вероятности распада в связанные состояния к вероятности распада в сплошной спектр для 3Н+, определенное путем усреднения результатов расчетов [1-3], составляет АХЫ/X — (1.07 ± 0.04)%.
Относительное увеличение скорости распада, обусловленное распадом в связанные состояния для атома 3Н, вычислялось в работах [1, 3—5] и составило АХЬа/X = (0.62 ± 0.07)%. Взаимодействие в конечном состоянии в-электрона с орбитальным электроном, приводящее к переводу орбитального электрона в состояния сплошного спектра, должно приводить к увеличению относительной скорости распада тритона в атоме 3Н на ДХсь/X & & 0.15% [3, 6]. Для тритийсодержащих систем, в которых доступный в-электрону фазовый объем вблизи тритона деформируется молекулярными орбиталями, результаты вычисления обменных поправок к вероятности бета-распада имеют лишь качественный характер.
При прямом образовании в результате бета-распада электрона сплошного спектра в кулонов-ском поле ядра влияние электронного окружения на величину фазово-пространственного множителя (/) описывается путем введения параметра экранировки заряда ядра орбитальными электронами и параметра изменения наблюдаемого значения граничной энергии, обусловленного образованием возбужденных состояний орбитальных электронов при увеличении заряда ядра на единицу [7]. В случае распада из основного состояния атома трития около 70% переходов осуществляются в 1в-состояние иона 3Не+, ^25% — в 2в-состояние, ~1.3% — в 3в-состояние и т.д. [6, 8]. Это приводит к увеличению скорости распада тритона в атоме на ДХех/Х & 0.50% [2, 3] по сравнению со скоростью распада свободного тритона. Детальное теоретическое рассмотрение эффекта экранировки проведено только для случаев распада тритона в атоме 3Н и ионе 3Н_ [3], где экранирующий потенциал формируется простыми электронными конфигурациями: ив1 — в ионе 3Не+ и 1в2, 2в2, пв1тв1 — в нейтральном атоме гелия. Для атома 3Н это приводит к уменьшению постоянной распада на ДХ3/Х & 0.41% по сравнению со значением X для свободного тритона.
Таким образом, полный комплект теоретических значений поправок к периоду полураспада, учитывающий четыре возможных атомных эффекта при бета-распаде — распад в связанные состояния, обменный эффект, экранировку заряда ядра орбитальными электронами и возбуждение орбитальных электронов, получен только для свободного тритона и для свободного атома трития. Это означает, что абсолютная величина периода полураспада для свободного тритона может быть вычислена только с использованием абсолютного значения периода полураспада для атома трития, которое должно быть определено экспериментально. В работе [9] предложен метод определения разности
постоянных распада трития путем сопоставления скоростей роста отношений содержания в образцах радиогенного гелия-3 и реперного гелия-4. Метод был использован для измерения разности постоянных бета-распада для атомарного и молекулярного трития. Схема эксперимента предусматривала создание двух идентичных образцов газовой смеси, содержащей гелий-4 и молекулярный тритий, и последующее воздействие на один из них с целью перевода трития в атомарное состояние. Для получения термализованных свободных атомов трития использовался механизм резонансной диссоциации, когда молекулы 3Н2 получают энергию, необходимую для разрыва межатомной связи, за счет удара второго рода при взаимодействии с атомами ртути, возбуждаемыми в ВЧ-разряде. По пяти сериям масс-спектрометрических измерений гелиевых изотопных отношений, в каждой из которых в камеру поочередно напускались пробы гелиевой смеси из молекулярного и атомарного образцов, было определено относительное изменение постоянной бета-распада для молекулярного и атомарного трития: (Ха-Хт)/Хт = 0.00257 ± 0.00045
[10]. Указанная погрешность соответствует одному стандартному отклонению и обусловлена главным образом межсерийной погрешностью измерения гелиевых изотопных отношений.
Полученный результат позволяет определить абсолютное значение периода полураспада для атомарного трития, поскольку период полураспада для молекулярного трития измерен в прямых экспериментах. Среднее взвешенное двух последних по времени опубликования и хорошо согласующихся между собой оценок периода полураспада для молекулярного трития, одна из которых получена изотопно-гелиевым методом
[11], другая — по кривой распада, снятой методом регистрации тормозного излучения в-электронов
[12] составляет ((Т1/2)т) = 12.296 ± 0.017 года. Учитывая, что ДТ1/2/Т1/2 = -ДХ/Х при ДХ/Х < < 1, находим: (ДТ/)та = (Т1/2)т - (Т1 /2)а = = 0.0316 ± 0.0055 года. Следовательно, абсолютное значение периода полураспада для атомарного трития составляет: (Т1/2)а = 12.264 ± 0.018 года, причем погрешность этого значения практически полностью обусловлена неопределенностью величины ((Т1/2)т). Поскольку для определения ((Т1/2)т) и (ДТ1/2)та использовались экспериментальные методики, позволяющие учесть все каналы реакции бета-распада, полученное значение (Т1/2)а соответствует полной вероятности распада для атомарного трития (т.е. учитывает как процессы, приводящие к образованию электронов сплошного спектра, так и распад в связанные состояния). В этом случае при переходе от (Т1/2)а к значению периода полураспада для тритона (Т1/2)4
необходимо учитывать все четыре поправки на атомные эффекты для свободного атома трития. С учетом того, что атомные поправки по величине ^1, значение (Т/можно определить из соотношения
(Т1/2 )а ( 1 +
АХЬа + ААсь + АЛех - АЛ, Л
(1)
= (Г1/2)4 (1 + .
где второе слагаемое в скобках правой части равенства обусловлено изменением значения (Т1/2)4 за счет распада в связанные состояния в ионе 3Не+. Воспользовавшись приведенными выше теоретическими значениями атомных поправок и экспериментальным значением (Т1/2)а, для периода полураспада тритона из указанного соотношения получаем: (Т1/2)г — 12.238 ± 0.020 года.
Тем случаям, когда учитывается влияние на бета-спектр только кулоновского поля ядра (т.е. при вычислении фазово-пространственного множителя используется стандартная функция Ферми и не учитывается распад в связанные состояния), будет соответствовать значение периода полураспада (Т1/2— 12.369 ± 0.020 года.
Величина (Т1/2должна также использоваться при вычислении приведенного периода полураспада тритона /Т1/2, если верхняя граница энергетического интервала интегрирования бета-спектра принимается равной ядерной разности масс трития и гелия-3, уменьшенной на величину энергии отдачи ядра гелия, т.е. не учитывается разность энергий связи орбитальных электроно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.