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

му шару передается поэтому малая доля энергии легкого шара (см. упражнение 41 в конце главы).

Рис. 397. Боковой удар упругих шаров равной массы: а) до удара; б) удар; в) после удара. Ударяемый шар летит под углом к начальному направлению движения ударяющего шара и воспринимает лишь часть энергии последнего

Аналогия с ударом шаров приводит к следующему выводу.

При соударениях с ядрами нейтроны теряют энергию, т. е. замедляются. Замедляющее действие соударений тем больше, чем легче ядро, т. е. чем ближе масса ядра к массе нейтрона. Особенно с и л ь н о е з а м е д л е н и е п р о и с х о д и т п р и с о у д а р е н и я х н е й т р о н о в с равными им по массе п р о- т о н а м и.

§ 221. Ядерные реакции под действием нейтронов. Столкновение быстрого нейтрона с ядром в большинстве случаев приводит к р а с с е я н и ю нейтрона, т. е. к изменению направления его полета и передаче при этом ядру части энергии. Возможен, однако, и другой результат столкновения: нейтрон захватывается ядром, и благодаря этому происходит ядерная реакция. Примером ядерной реакции под действием нейтронов является расщепление бора:

Ядро бора, захватывая нейтрон, расщепляется на ядра лития и гелия, разлетающиеся с большой скоростью.

Реакцию бора с нейтронами можно наблюдать, поместив в камеру Вильсона тонкий слой бора. Облучая камеру быстрыми нейтронами, мы увидим на снимках жирные следы ядер лития и гелия, выходящих во все стороны из слоя (рис. 398, а).

Окружим источник нейтронов веществом, содержащим много водорода, например парафиновой сферой диаметром 15–20 см. Теперь на пути в камеру нейтроны будут испытывать соударения

сядрами углерода (A = 12) и, что особенно существенно, с протонами. При этом, как мы выяснили в предыдущем параграфе, нейтроны будут замедляться и попадут в камеру Вильсона

сэнергией, во много раз меньшей своей начальной энергии 1). Действие парафина будет неожиданным: число следов на снимках, а значит число расщеплений ядер бора, многократно увеличится (рис. 398, б). Следовательно, чем медленнее нейтроны, тем с большей эффективностью они захватываются ядрами и производят ядерные реакции.

Рис. 398. Схема опыта по наблюдению расщепления бора быстрыми (а) и медленными (б) нейтронами: 1 — источник нейтронов, 2 — тонкая борная пленка в камере Вильсона, 3 — парафиновая сфера. Короткие жирные следы вызваны ядрами 73Li, более длинные — α-частицами. Штриховой линией указан путь одного из нейтронов в парафиновой

сфере

Помимо скорости нейтрона, эффективность, с которой нейтроны захватываются веществом, зависит еще от рода атомов. Наблюдая прохождение м е д л е н н ы х нейтронов через слой бора, обнаружим, что они почти полностью задерживаются слоем

1) Источники испускают нейтроны с энергией, как правило, свыше 1 МэВ. Двигаясь в большой толще парафина, нейтроны замедляются настолько, что их энергия снижается до энергии теплового движения атомов среды (0,03– 0,04 эВ).

бора толщиной в доли миллиметра. Подобные же опыты показывают, что, кроме бора, сильными поглотителями медленных нейтронов являются кадмий, литий, хлор, серебро и др. Напротив, такие вещества, как бериллий, тяжелая вода, углерод, висмут, поглощают медленные нейтроны крайне слабо.

Сильное поглощение ядрами медленных нейтронов объясняется отсутствием сил электрического отталкивания (так как нейтрон лишен заряда) и с у щ е с т в о в а н и е м с и л п р и т я- ж е н и я м е ж д у я д р а м и и н е й т р о н а м и (см. § 225). Быстрый нейтрон пролетает мимо ядра за такой короткий промежуток времени, что силы притяжения не успевают отклонить его и втянуть в ядро. Чем медленнее движется нейтрон, тем большее время находится он под действием сил притяжения со стороны ядра и тем легче захватывается им. Захват ядрами является одной из причин, почему нейтроны не существуют длительно в свободном виде. Второй причиной является р а д и о а к т и в- н о с т ь нейтрона. Опыты показывают, что свободный нейтрон с течением времени превращается в протон, испуская при этом электрон и нейтрино (см. § 230). Период полураспада нейтрона — около 15 мин.

§ 222. Искусственная радиоактивность. Исследуя ядерные расщепления, французские физики Фредерик Жолио-Кюри (1900–1958) и Ирен Кюри (1897–1955) обнаружили (в 1934 г.), что во многих случаях п р о д у к т ы р а с щ е п л е н и й р а д и о а к т и в н ы. Радиоактивные вещества, образующиеся в результате ядерных реакций, получили название искусствен- но-радиоактивных в отличие от естественно-радиоактивных

веществ, встречающихся в природных минералах (см. § 211). Искусственно-радиоактивные вещества могут получаться при

весьма разнообразных ядерных реакциях. Примером может служить реакция захвата нейтронов серебром. Для проведения такой реакции достаточно поместить пластинку серебра поблизости от источника нейтронов, окруженного парафином. Как было указано в § 221, в парафине нейтроны замедляются, а медленные нейтроны легко захватываются ядрами и вызывают ядерную реакцию. Пластинка серебра не претерпевает под действием нейтронов никаких видимых изменений. Однако мы легко можем убедиться, что какие-то изменения произошли, если пластинку серебра, подвергавшуюся в течение нескольких минут облучению медленными нейтронами, поднесем к газоразрядному счетчику. Счетчик обнаружит, что пластинка с т а л а р а д и о- а к т и в н о й, т. е. испускает излучение, регистрируемое счет-

чиком; можно убедиться, что испускаются электроны (β-излу- чение). При этом обнаруживается, что радиоактивность, приобретенная серебром, постепенно ослабевает, спадая вдвое за каждые 2,3 мин. Таким образом, в обычном серебре образовалось какое-то радиоактивное вещество, обладающее периодом полураспада в 2,3 мин. Вспомогательные эксперименты, равно как и теоретические соображения, показывают, что данная ядерная реакция происходит по схеме

(буква γ в правой части (222.1) показывает, что при этой реакции испускается γ-излучение). Образующиеся при этом атомы изотопа серебра 108Ag оказываются β-радиоактивными и распадаются, испуская электроны и нейтрино (символ ν) 1) и превращаясь в атомы устойчивого изотопа кадмия:

10847 Ag −−−−−−→ 10848 Cd + e− + ν T =2,3 мин

(подпись под стрелкой указывает, что период полураспада равен 2,3 мин). Радиоактивность изотопа 108Ag объясняет, почему в природном серебре, представляющем смесь изотопов с массовыми числами 107 и 109, не встречается изотоп с массовым числом 108: такой изотоп обладает малой продолжительностью жизни и распадается практически полностью вскоре после образования.

Искусственная радиоактивность — весьма распространенное явление: в настоящее время получено по нескольку искусст- венно-радиоактивных изотопов для каждого из элементов периодической системы. Общее число известных искусственно-ра- диоактивных изотопов превышает 1500, тогда как естествен- но-радиоактивных изотопов существует лишь около 40, а число устойчивых (нерадиоактивных) изотопов равно 260.

Все три типа излучений — α, β и γ, характерные для естественной радиоактивности, — испускаются также и искусст- венно-радиоактивными веществами 2). Однако среди искусствен- но-радиоактивных веществ часто встречается еще иной тип распада, не свойственный естественно-радиоактивным элементам. Это — распад с испусканием позитронов — частиц, обладающих м а с с о й э л е к т р о н а, но несущих п о л о ж и т е л ь н ы й

1) См. примечание на с. 534.

2) Испускание α-частиц наблюдается только у элементов, расположенных в конце периодической системы Менделеева.

з а р я д. По абсолютной величине заряды позитрона и электрона равны.

В качестве примера образования позитронно-активного вещества приведем реакцию, открытую Жолио-Кюри:

2713Al + 42He → 3015P + n.

При облучении алюминия α-частицами испускается нейтрон и образуется изотоп фосфора с массовым числом 30. Естественный фосфор содержит только один изотоп с массовым числом 31. Получаемый по приведенной реакции изотоп фосфора 3015P является радиоактивным и распадается с испусканием позитронов (символ e+) и нейтрино по схеме

3015P −−−−−−→ 3014Si + e+ + ν. T =2,5 мин

Период полураспада фосфора 3015Р равен 2,5 мин.; продуктом его распада является устойчивый изотоп кремния 3014Si.

§ 223. Позитрон. Первые указания на существование позитронов, т. е. легких частиц, отличающихся от электронов только знаком заряда, были получены с помощью камеры Вильсона в 1932 г. В камере, помещенной в магнитное поле, был замечен тонкий след, оставленный, несомненно, однозарядной очень легкой частицей, подобной электрону, но изогнутый в сторону, соответствующую п о л о ж и т е л ь н о м у з а р я д у (см. упражнение 45 в конце главы и рис. 413). В дальнейшем было установлено, что двумя главными процессами образования позитронов являются искусственная радиоактивность и взаимодействие γ-квантов большой энергии с атомными ядрами. Первый из этих процессов мы рассмотрели в предыдущем параграфе.

Для изучения второго процесса может быть использована камера Вильсона, установленная в магнитном поле и облучаемая узким пучком γ-излучения. На некоторых снимках на пути пучка γ-излучения наблюдаются своеобразные п а р н ы е с л е д ы. Один такой след изображен на рис. 399.

При движении в газе заряженная частица теряет энергию на ионизацию атомов газа и ее скорость непрерывно уменьшается. Но чем меньше скорость частицы, тем сильнее магнитное поле искривляет ее траекторию (см. § 198). Внимательное рассмотрение следа показывает, что у каждой из его ветвей искривление возрастает при удалении от точки излома следа. Это доказывает, что мы имеем дело не с и з л о м а н н ы м следом о д н о й ч а с т и ц ы, а со следами п а р ы ч а с т и ц, исходящих из одной

точки. По степени ионизации оба следа пары подобны следам электронов. Они заворачиваются магнитным полем в противоположные стороны, т. е. принадлежат противоположно заряженным

Рис. 399. Пара электрон–позитрон, образованная γ-квантом в камере Вильсона. Левый след принадлежит электрону, правый — позитрону

частицам. Из приведенной совокупности данных следует, что

γ-кванты образуют позитроны, и притом не в одиночку, а в паре с электронами. Это явление получило название образования пар э л е к т р о н–п о з и т р о н. Теория указывает, что образование пары происходит в результате взаимодействия γ-кванта с электрическим полем одного из атомных ядер вещества; γ-квант при этом превращается в пару электрон–позитрон, а ядро остается без изменений.

Используя радиоактивные вещества в качестве интенсивных источников позитронов, удалось детально изучить свойства последних. В частности, было доказано, что масса позитрона в точности равна массе электрона, т. е. составляет примерно 1/2000 массы протона.

Был обнаружен также и процесс, обратный образованию пар; оказалось, что электрон и позитрон, сблизившись под действием сил электрического притяжения, могут п р е в р а т и т ь с я в два γ-кванта, которые разлетаются в противоположные сто-

вещества (пары электрон–позитрон), стало ясно, что между светом и веществом имеется глубокое единство: частицы вещества и фотоны (электромагнитные поля) — это две различные формы материи. Как мы отмечали раньше (см. § 200), фотоны, обнаруживая много черт сходства с другими частицами, характеризуются и важной отличительной чертой: их м а с с а п о к о я р а в н а н у л ю. Фотон всегда движется со скоростью света. При остановке, например при поглощении, свет как таковой перестает существовать.

§ 224. Применение закона Эйнштейна к процессам аннигиляции и образования пар. Согласно соотношению (200.1)

покоящаяся частица обладает внутренней энергией (энергией покоя), равной mc2, где m — масса покоя частицы.

При аннигиляции покоящихся электрона и позитрона их энергия покоя полностью превращается в электромагнитную энергию двух γ-квантов. Энергия покоя электрона и энергия покоя позитрона равны каждая mc2, где m = 0,911 · 10−30 кг. Энергия каждого из γ-квантов равна hν. По закону сохранения энергии должно быть, следовательно,

2hν = 2mc2,

т. е.

hν = mc2 = 0,911 · 10−30 · (3 · 108)2 = 8,2 · 10−14 Дж =

= 8,2 · 10−14/(1,6 · 10−19) эВ = 0,51 · 106 эВ = 0,51 МэВ.

Таким образом, энергия каждого из γ-квантов, испускаемых при аннигиляции электрона и позитрона, должна составлять 0,51 МэВ. Измерения энергии образующихся γ-квантов прекрасно согласуются с этим выводом.

При образовании γ-квантом пары электрон–позитрон энергия γ-кванта hν превращается в энергию покоя и кинетическую энергию частиц. Применяя закон сохранения энергии, имеем

hν = 2mc2 + Wк,

где Wк — суммарная кинетическая энергия электрона и позитрона.

Используя предыдущие вычисления, можем написать

hν = 2 · 0,51 + Wк = 1,02 МэВ + Wк.

Так как кинетическая энергия всегда положительна, то образование пар может происходить только под действием γ-квантов с энергией, большей чем 1,02 МэВ. Опыт подтверждает этот

вывод, а также полученную выше связь между энергией γ-кванта и кинетической энергией пары электрон–позитрон.

Таким образом, изучение явлений аннигиляции и образования пар подтверждает справедливость закона Эйнштейна.

§ 225. Строение атомного ядра. Из предыдущего (см. § 201) мы знаем, что массы атомов, а значит, и массы атомных ядер очень близки всегда к ц е л о м у числу атомных единиц массы. Напрашивается вывод, что атомные ядра построены из частиц приблизительно единичной массы. Такими частицами являются п р о т о н и н е й т р о н.

На первый взгляд кажется, что, помимо нейтронов и протонов, ядра должны содержать также п о з и т р о н ы и э л е к- т р о н ы, ибо многие ядра (ядра радиоактивных изотопов) испускают эти частицы. Однако детальный анализ различных свойств ядер заставляет признать, что в них отсутствуют как таковые и позитроны, и электроны.

Так, некоторые искусственно-радиоактивные вещества (например, изотоп меди 6429Cu) излучают два рода частиц, — позитроны и электроны. Часть атомных ядер такого вещества при распаде превращается

впредыдущий элемент периодической системы с испусканием позитрона, тогда как другая часть ядер того же вещества превращается

вследующий элемент с испусканием электрона. Ядра такого вещества,

казалось бы, должны содержать в своем составе как позитроны, так и электроны 1). Но одновременное существование позитронов и электронов в объеме ядра противоречит свойству этих частиц объединяться, превращаясь в пару γ-квантов.

Но если позитроны и электроны в готовом виде в ядре не присутствуют, то, очевидно, в процессе распада ядра, сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, они образуются з а- н о в о за счет превращений внутри ядра. При этом при вылете позитрона (положительного заряда) один из протонов превращается в нейтрон, а при вылете электрона (отрицательного заряда), наоборот, один из нейтронов делается протоном. Допущение об образовании электронов и позитронов при радиоактивном распаде тем более естественно, что образование этих частиц наблюдается, как упоминалось в § 223, и в других процессах.

Идея о строении атомных ядер из протонов и нейтронов вскоре после открытия нейтрона была высказана советским физиком

1) Опыты обнаруживают полное совпадение всех свойств (заряд, масса и т. д.) в с е х атомных ядер данного изотопа. Такое полное совпадение свойств говорит о тождественности таких ядер. Нельзя поэтому допустить, что, например, одни ядра 64Cu содержат электроны, а другие — позитроны.

560 Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

Дмитрием Дмитриевичем Иваненко (р. 1904) и немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901–1976). Справедливость про- тонно-нейтронной модели ядра была доказана работами ряда ученых.

Поскольку массовое число протона и нейтрона есть единица, м а с с о в о е ч и с л о я д р а равно п о л н о м у числу частиц (протонов и нейтронов) в составе ядра. Заряд же ядра, выраженный в элементарных единицах, равен, очевидно, ч и с л у п р о т о н о в в ядре. Таким образом, согласно протонно-нейт-

16 − 8 = 8 нейтронов. Ядро изотопа свинца 20682 Pb содержит 82 протона и 206 − 82 = 124 нейтрона и т. д.

Простейшим атомным ядром является ядро водорода, т. е. протон. Присоединяя к протону нейтрон, получим самое простое из составных ядер — дейтрон, или ядро тяжелого водорода (обозначается 21Н или D).

Прибавляя еще один нейтрон, образуем ядро еще более тяжелого изотопа водорода, называемого тритием (31Н, или T). Тритий относится к числу искусственно-радиоактивных веществ; он распадается с периодом полураспада около 12 лет, испуская электроны. В результате распада трития образуется ядро с массовым числом 3 и зарядом 2 — легкий изотоп гелия 32He, состоящий из двух протонов и нейтрона. Этот изотоп устойчив и содержится в очень малой пропорции в природном гелии. Ядро основного изотопа гелия 42Не (α-частица) образуется добавлением еще одного нейтрона. α-частица содержит, таким образом, два протона и два нейтрона.

Продолжая увеличивать число нейтронов и протонов в ядре, мы получим все существующие атомные ядра. Состав наиболее легких ядер (до кислорода включительно) указан на диаграмме рис. 401. Как видно из диаграммы, устойчивые (нерадиоактивные) л е г к и е я д р а с о д е р ж а т п р и м е р н о р а в н ы е к о л и ч е с т в а н е й т р о н о в и п р о т о н о в.

В тяжелых ядрах имеется некоторый перевес в числе нейтронов; так, в ядре свинца нейтронов примерно в полтора раза больше, чем протонов. Соотношение чисел нейтронов и протонов, которое осуществляется в устойчивых ядрах, является наиболее выгодным, придающим ядру наибольшую прочность. Отступления от этого соотношения делают ядро н е у с т о й ч и в ы м.