Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

с к о р о с т и ч а с т и ц ы, так как с увеличением скорости частицы увеличивается и радиус круговой траектории частицы. Действительно, согласно (198.1) радиус окружности, описываемой частицей в поле B, r = mv/qB.

Рис. 391. Общий вид циклотрона, ускоряющего протоны до энергии 25 МэВ; 1 — вакуумная камера, 2 — ярмо электромагнита, 3 — полюсы электромагнита с надетыми на них намагничивающими обмотками

Отсюда время одного оборота равно

т.е. при постоянных m, q и B время τ не зависит от v, а значит,

иот энергии частицы.

Пусть период переменной разности потенциалов, приложенной к дуантам, в т о ч н о с т и р а в е н в р е м е н и о б р а щ е- н и я τ . В этом случае, когда ион, описав полуоборот в дуанте 2 (рис. 392), подойдет во второй раз к зазору между дуантами, электрическое поле в зазоре будет направлено уже от 2 к 1, т. е. по направлению движения иона. Следовательно, пройдя зазор, ион удвоит свою энергию. Описав теперь полуоборот в дуанте 1, ион встретит в зазоре поле, направленное снова от 1 к 2, и еще увеличит свою энергию и т. д.

По мере увеличения скорости иона радиус его траектории возрастает согласно (198.1). Траектория иона в циклотроне напоминает поэтому раскручивающуюся спираль. Нетрудно, используя (198.1), рассчитать энергию ионов, оказавшихся в результате

542 Гл. XXIII. Радиоактивность

ускорения на расстоянии R от источника:

W = mv2 = q2B2R2 .

2 2m

Из-за явления магнитного насыщения железа (см. том II, § 150) магнитная индукция поля в циклотроне не может превысить 1,5 Тл. Поэтому для увеличения энергии частиц приходится

Рис. 392. Схема камеры циклотрона: 1, 2 — дуанты. Дуанты представляют собой нечто вроде половинок очень плоской консервной банки, разрезанной по диаметру; 3 — источник ионов, 4 — вводы переменного напряжения на дуанты, 5 — пластина, заряженная отрицательно и служащая для отклонения ускоренных ионов в окно 6, через которое ускоренный пучок выводится наружу. Штриховая спираль — траекто-

рия иона

увеличивать радиус полюсов магнита. Так, в циклотроне, дающем пучок протонов с энергией около 400 МэВ, диаметр полюсов магнита равен 4,5 м.

Когда кинетическая энергия ускоряемой частицы становится не малой по сравнению с энергией покоя частицы m0c2, начинает сказываться зависимость массы частицы от ее энергии. По мере ускорения масса частицы растет, а с ней растет период обращения τ . Период обращения становится больше периода ускоряющего переменного напряжения, в результате чего частица выпадает из такта и перестает ускоряться. Некоторое время считалось, что рост массы со скоростью ограничивает предельную энергию частиц, ускоряемых в циклотроне, величиной 100 МэВ. Советский физик Владимир Иосифович Векслер (1907–1966) открыл в 1944 г. важное усовершенствование принципа действия

циклотрона, позволившее обойти трудность с непостоянством массы частицы. Это открытие сделало возможным получение частиц, ускоренных до энергий в миллиарды электронвольт. На рис. 393 приведена фотография участка кольцевого зала

Рис. 393. Вид участка кольцевого зала серпуховского ускорителя на 76 ГэВ: диаметр орбиты 472 м, масса железа в магните 20 000 т

ускорителя, ускоряющего протоны до энергии 76 миллиардов электронвольт.

?22. Емкость нити счетчика и присоединенных к ней тел равна 10 пФ (1 пФ = 10−12 Ф). Сколько пар ионов образуется при разряде в счетчике, если электрометр (рис. 383) показывает 10 В? (Утечкой заряда через большое сопротивление R за время разряда и отброса

электрометра можно пренебречь.)

23. Скорость α-частицы в среднем в 15 раз меньше скорости β-час- тицы. Объясните, почему α-частицы слабее отклоняются магнитным полем. (Сравните радиусы траекторий α- и β-частицы в одном

и том же магнитном поле.)

24. α-частица с энергией 5 МэВ создает в воздухе около 150 000 пар ионов. Найдите ионизационный ток, создаваемый препаратом, испускающим 100 α-частиц в 1 с. (Все ионы собираются на электроды.)

546 Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

ных следа, из которых длинный (p) т о н ь ш е, а короткий (O) ж и р н е е следа α-частицы. Образование такой «вилки» нельзя объяснить иначе, как результатом соударения α-частицы с ядром атома азота.

Рис. 394. Расщепление ядра азота α-частицей в камере Вильсона: а) фотография следов в камере; б) схема следов «вилки»; α — след α-частицы, столкнувшейся в точке A с ядром азота, p и O — следы продуктов расщепления — протона и ядра кислорода

Опираясь на наблюдения Резерфорда, мы должны приписать один из следов «вилки» протону. Ввиду меньшего заряда протон действует на атомные электроны с меньшей силой, чем α-части- ца. Поэтому протон производит меньшую ионизацию на единице пути и образует в камере Вильсона более тонкий след. Более жирный след принадлежит частице, ионизующей сильнее α-час- тицы и обладающей, следовательно, б´ольшим зарядом.

548 Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

электронов, ускоренных до энергий 10 МэВ и выше), также вызывают ядерные реакции. Однако по эффективности, с которой они производят расщепления, фотоны, а в особенности электроны, уступают тяжелым частицам (протонам, дейтронам и другим ускоренным ядрам).

В настоящее время известно множество различных ядерных реакций; с некоторыми из них мы познакомимся в дальнейшем.

Особенно существенным было обнаружение среди продуктов ядерных реакций н е з а р я ж е н н ы х (нейтральных) ч а с т и ц с м а с с о й , р а в н о й м а с с е п р о т о н а (т. е. приблизительно 1 а. е. м.). На свойствах этих частиц, названных нейтронами, мы остановимся подробнее в следующем параграфе.

Открытие ядерных реакций имело п р и н ц и п и а л ь н о е значение: впервые была доказана возможность и с к у с с т в е н- н о г о п р е в р а щ е н и я э л е м е н т о в. Правда, на первых порах удавалось превратить лишь ничтожное количество вещества. Это происходит потому, что число быстрых частиц, даваемых ускорителями или радиоактивными препаратами, сравнительно мало (см. упражнение 38 в конце главы), и, кроме того, только малая доля этих частиц производит ядерные реакции. Например, одно ядерное превращение приходится на сто тысяч–миллион бомбардирующих α-частиц.

Причину такого малого числа ядерных реакций нетрудно понять. Чтобы проникнуть внутрь атомного ядра, налетающая заряженная частица должна преодолеть огромные силы электростатического отталкивания, ибо и частица, и бомбардируемое ядро обладают положительным зарядом. Поэтому ядерные превращения могут производить только достаточно быстрые частицы, способные преодолеть электростатическое отталкивание. Но, двигаясь в веществе, быстрые частицы расходуют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов. Очень скоро они полностью затормаживаются, захватывают электроны и превращаются в нейтральные атомы. Ввиду малых размеров ядер (см. § 203) лишь немногие частицы сталкиваются с ядром до того, как они растратят свою энергию. Только такие р е д к и е случаи и приводят к ядерным расщеплениям.

Мы увидим в § 226, что в условиях, существующих на звездах, ядерные реакции, раз начавшись, продолжаются сами собой подобно тому, как огонь, охватывая новые и новые порции топлива, горит до тех пор, пока последнее не исчерпается. Подобные самоподдерживающиеся, или, как говорят, незатухающие, цепные реакции удается осуществить и в земных условиях (см. § 227).

В цепных ядерных реакциях превращение атомов осуществляется уже в больших масштабах, не уступающих зачастую масштабам, в которых происходит превращение молекул в химических реакциях.

§ 220. Свойства нейтронов. Испускание нейтронов было обнаружено впервые (в 1932 г.) при облучении бериллия α-части- цами. Происходящая при этом ядерная реакция состоит в захвате α-частицы ядром бериллия, в результате чего образуется ядро углерода и испускается нейтрон. Уравнение реакции записывается так:

Здесь символ n означает нейтрон. В дальнейшем было открыто много других ядерных реакций, в которых также выделяются нейтроны. Однако реакция α-частиц с бериллием по-прежнему применяется для получения нейтронов. До сего времени в качестве компактных и с т о ч н и- к о в н е й т р о н о в пользуются ампулами, заполненными смесью α-радиоактивного вещества

с порошком бериллия. Поместим такой источник

нейтронов возле работающей камеры Вильсона, внутри которой укреплена пленка вещества, содержащего водород (например,

парафина С22Н46). На фотографии в камере мы увидим сле-

ды, исходящие из пленки и представляющие собой следы протонов, как об этом можно судить по характеру ионизации (см. схематический рис. 394).

Все следы идут от пленки вперед, если смотреть из источника. Эти следы созданы протонами, в ы б и т ы м и из пленки в результате ударов быстрых нейтронов, летящих из источни-

ка. Следов самих нейтронов, пересекших камеру, на снимках нет. Н е й т р о н ы, следовательно, н е п р о и з в о д я т з а- м е т н о й и о н и з а ц и и, т. е. в отличие от заряженных частиц

практически не взаимодействуют с электронами. При прохождении через вещество нейтроны взаимодействуют только с атомными ядрами, но так как размеры ядер очень малы, то нейтроны сталкиваются с ними очень редко (см. упражнение 40 в конце главы). Этим объясняется способность нейтронов свободно проходить сквозь толстые (измеряемые сантиметрами) слои вещества (например, стенки источника и камеры в опыте, изображенном на рис. 395).

Как видно из рис. 395, наибольшую длину следа (а наибольшую энергию) имеют протоны, выбитые в направлении движения нейтронов, а не под заметным углом к нему. Эту особенность нетрудно понять, рассматривая столкновения нейтрона с протоном как удар упругих шаров р а в н о й м а с с ы. Ударяемый шар летит точно вперед только при л о б о в о м у д а р е (рис. 396). Но в этом случае ударяющий шар останавливается, т. е. пе-

Рис. 396. Лобовой удар упругих шаров равной массы: а) до удара; б) после удара. Ударяющий шар останавливается, передавая свою скорость ударяемому

редает ударяемому шару в с ю с в о ю э н е р г и ю. Движению протона под углом к направлению начальной скорости нейтрона соответствует б о к о в о й у д а р (рис. 397). При боковом ударе ударяющий шар не останавливается, но изменяет направление движения, передавая второму шару лишь ч а с т ь с в о е й э н е р г и и.

При столкновении н е р а в н ы х п о м а с с е шаров передача энергии не столь велика, как при столкновении шаров равной массы, и тем меньше, чем больше различие в массах шаров. В самом деле, при ударе о тяжелый шар легкий шар отскакивает назад, сохраняя почти всю свою энергию. Тяжело-