книги из ГПНТБ / Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей

Все электроны вылетают из ядра с одинаковыми энергиями, равными разности энергетических уровней ядра, но до выхода из радиоактивного образца частично теряют ее, сталкиваясь с ато­ мами образца. Если это предположение верно, то ß-активный пре­ парат должен сам себя разогревать. Однако самые тщательные калориметрические измерения не обнаружили ожидаемого разо­ грева. Энергия куда-то бесследно исчезала. Некоторые физики, среди которых были и известные ученые, под сильным впечатле­ нием опытных данных даже заявили, что при ß-распаде закон со­ хранения энергии не выполняется. Сразу заметим, что дальнейшее развитие физики показало несостоятельность этого предположения.

Трудность с энергией усугублялась еще трудностью со спином ядер. Как уже отмечалось, характер спина ядра — целочисленный он или половинный (в единицах Ѣ) — определяется массовым чис­ лом ядра: у ядер с четным массовым числом спин целочисленный, с нечетным — половинный. При ß-распаде, как свидетельствует опыт, массовое число не меняется. С другой стороны, опыт говорит о том, что при ß-распаде и характер спина не меняется; спин до­ чернего ядра остается целочисленным при распаде ядра с целым спином и половинным при половинном спине материнского ядра. Но ведь испускаемый ядром электрон обладает половинным спином. Следовательно, при ß-распаде должен меняться характер спина ядра: при целочисленном спине материнского ядра спин дочернего должен быть половинным и наоборот. В действительности, однако, это не имеет места.

Обе серьезные трудности в объяснении ß-распада преодолел в 1931 г. известный швейцарский теоретик В. Паули. Он предполо­ жил, что при каждом акте ß-распада ядро испускает не одну, а две частицы: кроме электрона вылетает еще одна частица, электриче­ ски нейтральная, с ничтожно малой массой по сравнению с массой электрона и со спином, равным спину электрона, т. е. '/2 ^- На основе этой гипотезы известный итальянский теоретик Э. Ферми разработал основы современной теории ß-распада. По его пред­ ложению введенную Паули новую частицу стали называть нейтри­ но, что означает «маленький нейтрон», «нейтрончик» («-ино» — итальянский уменьшительный суффикс).

Гипотеза нейтрино сразу разрешила все трудности теории ß- распада. Недостающую энергию, т. е. разность между максималь­ ной энергией электронов и фактической, уносили нейтрино. Гипо­ теза нейтрино разрешала также затруднение со спином.

Однако подтвердить гипотезу нейтрино на опыте было нелегко. Электрическая нейтральность и ничтожная масса обусловливают слабое взаимодействие нейтрино с веществом. Например, ионизую­ щая способность нейтрино так мала, что один акт ионизации воз­ духа нейтрино приходится на 500 км пути. Колоссальную прони­ кающую способность нейтрино астрономы пытаются поставить на службу своей науке и создать так называемую нейтринную астро­ номию. Толща земного шара этим частицам не помеха, как и толща самого Солнца. Поэтому астрофизики надеются с помощью иейтри-

470

V

Рис. 130.

но, испущенных ядрами, находящимися во внутренних областях Солнца, получить сведения об этой пока недоступной для исследо­ вания области нашего светила. Конечно, фантастическая прони­ цаемость нейтрино оборачивается и отрицательной стороной: если нейтрино легко проходит через что угодно, то как же его «загнать» в прибор, чтобы он смог «рассказать» о глубинных областях Солн­ ца? Случай этот аналогичен тому, который, как говорят, произо­ шел однажды с известным американским изобретателем Эдисоном. Некий гражданин, предлагая Эдисону свои услуги в качестве по­ мощника и желая создать о себе благоприятное впечатление, за­ явил, что он собирается изобрести универсальный растворитель, который растворял бы любыё вещества. Ошеломленный Эдисон тогда спросил: если ваш растворитель будет все растворять, то в чем же вы его будете держать?

Для опытного обнаружения нейтрино, было решено привлечь закон сохранения импульса. Идея опыта такова: если бы ядро при ß-распаде испускало только один электрон, то оно испытывало бы отдачу в направлении, прямо противоположном направлению вы­ лета электрона, причем импульс ядра отдачи был бы численно равен импульсу электрона (рис. 130, а). Если же ядро, кроме электрона, испускает еще и нейтрино, то по закону сохранения им­ пульса векторная сумма импульсов электрона, нейтрино и ядра отдачи должна оставаться равной нулю (рис. 130, б), как и до распада (ядро до распада считается неподвижным). Таким обра­ зом, если нейтрино действительно испускаются, то отдача ядра будет происходить не строго противоположно направлению дви­ жения электрона. Опыты подтвердили это ожидание.

Каждый ' акт ß-радиоактивности есть результат превращения нейтрона в ядре в три частицы: протон, электрон и антинейтрино.

Согласно современным данным, при ß-распаде испускается ча­ стица, называемая электронным антинейтрино.

При этой реакции выполняются законы сохранения электриче­ ского заряда, спина и механического импульса. Нужно выяснить, выполняется ли при этом превращении закон сохранения энергии,

471

ГЛАВА I Г

J o ИСКУССТВЕННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР

§ 1. ВВЕДЕНИЕ

Естественная радиоактивность заставила внести первую по­ правку в представление о неизменности химических элементов. Следующим важным этапом явилось открытие возможности раз­ личных искусственных превращений атомных ядер — ядерных реакций. Исторически первой ядерной реакцией явился открытый Резерфордом в 1919 г. «аномальный эффект в азоте». При про­ хождении а-частиц через сосуд, содержащий азот, с помощью ка­ меры Вильсона наблюдались обычные треки а-частиц. И вот среди многочисленных обычных прямолинейных треков были обнаружены редкие «аномалии» — некоторые треки раздваивались на концах (рис. 131). Исследование длиннопробежной части вилки с помощью магнитного поля позволило найти удельный заряд породившей этот трек частицы — отношение заряда к массе. Он оказался та­ ким же, как и у ядра водорода — протона. Это навело Резерфорда на следующую интерпретацию «аномального эффекта в азоте»: в точке А происходит столкновение а-частицы с ядром азота, в ре­ зультате чего образуются две заряженные частицы, одной из кото­ рых является протон:

2He4-l-7N14-j-1/o1+x.

Идентифицировать вторую частицу можно, если принять, что в данном процессе выполняются законы сохра­ нения массового числа и электрического за­ ряда, как и при радиоактивном распаде. Это

ная реакция протекает в соответствии с урав­ нением

z H e i+ T N ^ ^ + s O 17.

473

хранения энергии и импульса к продуктам реакции. В результате было найдено, что отношение масс образовавшихся частиц равно 17 : 1, что соответствует приведенной схеме реакции.

То обстоятельство, что «вилки» на фотографиях встречаются крайне редко, обусловлено тем, что для реакции требуется «пря­ мое попадание» а-частицы в ядро, а это чрезвычайно редкое собы­ тие, во-первых, вследствие сравнительно малых размеров атомного ядра и, во-вторых, вследствие сравнительно малой концентрации ядер — мишеней в газообразном азоте.

В дальнейшем были открыты и исследованы многочисленные разнообразные ядерные реакции. Отметим то общее, что справед­ ливо для всех реакций.

Во-первых, во всех ядерных реакциях выполняются законы со­ хранения энергии и импульса. Как правило, эти законы выпол­ няются при использовании релятивистских формул для энергии и импульса.

Во-вторых, целый ряд ядерных реакций протекает в два этапа. Первый этап — проникновение Частицы — «снаряда» в ядро-«мн- шень», т. е. поглощение частицы ядром. В результате получается новое, так называемое составное ядро. Оно находится, как пра­ вило, в возбужденном состоянии. Второй этап реакции — переход ядра в нормальное или менее возбужденное состояние с испуска­

В том случае, когда налетающая и испускаемая частицы тож­ дественны, взаимодействие представляет собой рассеяние частицы на ядре, если же эти частицы различны, имеет место собственно ядерная реакция.

Между двумя этапами реакции проходит довольно большой по ядерным масштабам промежуток времени. Это время жизни воз­ бужденного составного ядра:

Д*«# (ІО6 — 107)т„,

где тя представляет собой так называемое ядерное время, проме­ жуток времени, за который частица с энергией порядка 1 Мэв (порядок величины ядерной энергии), двигаясь со скоростью ядер­ ных частиц (порядка ІО7 м/сек), пройдет расстояние порядка раз­ меров ядра (1 ферма = ІО-15 м):

I 10~15лі

Тя = V 107 м/сек = 10-22 сек.

Внастоящее время промежуток ІО-22 сек представляет собой наименьшее время, встречающееся в природе; меньшие промежутки времени пока лишены реального содержания.

Механизм ядерной реакции можно представить себе следующим образом. Частица-снаряд поглощается ядром, передавая ему свои

474

энергию и импульс. Энергия частицы вследствие сильной связи нуклонов в ядре распределяется между всеми нуклонами. С пози­ ций капельной модели ядра это можно истолковать как «нагрева­ ние» ядра вследствие поглощения частицы. По аналогии с обыч­ ной газокинетической температурой вводится понятие ядерной тем­ пературы. Ядру, находящемуся в основном состоянии, в котором энергия минимальна, следует приписать минимальную температуру. Действительно, если система частиц имеет минимальную темпера­ туру, т. е. является наиболее холодной, то это значит, что от си­ стемы нельзя отнять энергию, т. е. ее нельзя дальше охладить. По­ лучение системой избыточной энергии, которая распределяется между частицами статистически в виде беспорядочного теплового движения, может быть истолковано как повышение температуры системы, как ее нагревание. Такое обобщенное толкование темпера­ туры применяется как в квантовой механике, так и классической физике; различие проявляется в величине минимальной энергии: в классической физике она принимается равной нулю, а в кванто­ вой механике — отличной от нуля, равной так называемой нулевой энергии. Ядерная температура определяется совершенно аналогич­ но тому, как определяется температура в кинетической теории га­ зов, а именно из уравнения

где АE/A есть энергия возбуждения, приходящаяся на одну ча­ стицу.

Средним энергиям возбуждения ядра порядка АЕ = 10 Мэв и средней атомной массе ядра (Л = 100) соответствует ядерная тем­ пература порядка миллиарда градусов! Напомним, что «комнат­ ной» температуре соответствует средняя энергия частицы порядка 0,01 эв.

В ядерной физике приняты сокращенные обозначения для ядерных реакций. Так, обозначение (а, п) означает реакцию, в которой в результате поглощения а-частицы ядро испускает нейтрон.

Из многочисленных ядерных реакций рассмотрим следующие четыре типа как имеющие непосредственное отношение к кругу вопросов, предусмотренных новой школьной программой по физике: реакции получения нейтронов, реакции, приводящие к искусствен­ ной радиоактивности, деление ядер и термоядерные реакции.

§2. ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА

В1930 г. было обнаружено, что при облучении а-частицами ядер бериллия возникает сильно проникающее излучение, электри­ чески нейтральное. Было предположено, что «бериллиево» излуче­ ние представляет собой жесткие у-лучи, поток у-фотонов.

Действительная природа бериллиевого излучения была установ­ лена в 1932 г. известным английским физиком Чадвиком, одним

475

из сотрудников Резерфорда. Путем расчетов Чадвик показал, что законы сохранения энергии и импульса применительно к данному случаю приводят к выводу о том, что бериллиевы лучи представ­ ляют собой поток электрически нейтральных частиц, масса кото­ рых примерно равна массе протона. Предсказанные Чадвиком ча­ стицы были названы нейтронами и прочно вошли в ядерную фи­ зику как одна из составных частей атомных ядер. В их открытии еще раз проявилась фундаментальная роль, которую играют за­ коны сохранения энергии и импульса в ядерной физике.

Исторически первая реакция получения нейтронов происходила, следовательно, по следующей схеме:

2 І_1 е4-f- 4 Ве9—>-бСі3—>-оп1-)-GC12.

Большая проникающая способностьнейтронов обусловлена от­ сутствием у них электрического заряда. Они могут взаимодейст­ вовать с ядром, только подойдя к нему так близко, чтобы могли проявиться ядерные силы. Это сравнительно редкое явление; по­ этому нейтроны в основном проходят через вещество «насквозь», не оставляя никаких следов.

§ 3. ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Как указывалось, устойчивое ядро характеризуется определен­ ными числами протонов и нейтронов: на основе капельной модели ядра получена формула (14.6), определяющая числа протонов и нейтронов в устойчивом ядре. Если искусственно, путем облучения ядра какими-нибудь частицами, нарушить равновесие между про­ тонами и нейтронами в нем, то ядро окажется искусственно радио­ активным. Если в ядре окажется избыточный нейтрон, то произой­ дет превращение нейтрона в протон, сопровождающееся выделе­ нием электрона. Как правило, ядра с избыточными нейтронами оказываются р_-радиоактивными. Наоборот, если избыточным ока­ жется протон, то в ядре произойдет превращение протона в нейт­ рон с испусканием позитрона. Поэтому ядра с избыточным числом протонов оказываются, как правило, р+-радиоактпвными.

Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. известными французскими учеными Ирен и Фредериком ЖолноКюри. Облучая ядра алюминия, бора и других легких элементов а-частицами и исследуя продукты реакции с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитном поле, они обнаружили испус­

и после этого, убывая со временем по экспоненциальному закону N — N0e~u , характерному для радиоактивного распада. Стало ясно, что открыта искусственная, наведенная радиоактивность. Ре­ акции, приводящие к искусственной радиоактивности, происходили по следующей схеме;

476

а Н е * + і з А 1 и - * ( i s P 3 1 ) ^ i s P ^ + o « 1 ,

i5p3o_>14s i3°-)-+1e0+ove0.

Изотоп i5P30 фосфора р+-радиоактивен (радиофосфор) и имеет период полураспада Т = 2,5 мин. Аналогично образуется радио­ азот:

2 H e 4 + 5 B 1 0 - y 7 N 1 4 - b 7 N 1 3 + o r c \ 7 N 1 3 — > - ß C 1 3 - ) - + i e 0 + o V e 0 .

Период полураспада радиоактивного азота равен 14 мин.

При позитронной радиоактивности вместе с позитроном излу­ чается электронное нейтрино.

Правильность написанных реакций Ирен и Фредерик ЖолиоКюри подтвердили химическим анализом.

Искусственная электронная радиоактивность может быть наве­ дена облучением нейтронами, что и приведет к появлению в ядре лишнего нейтрона, необходимого для р_-радиоактивности. Вот не­ которые примеры реакций, индуцирующих электронную радиоак­ тивность:

При искусственной электронной радиоактивности, как и при естественной, кроме электрона, испускается электронное антиней­ трино. (При испускании же позитрона активное ядро испускает электронное нейтрино, являющееся античастицей по отношению к электронному антинейтрино.)

Искусственная радиоактивность «метит» атомы радиоактивных изотопов: вылет ß-частнц может быть зарегистрирован тем или иным счетчиком. К тому же удобные для исследовательских целей периоды полураспада обусловили широкое применение метода «ме­ ченых» атомов в науке и технике.

§4. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР

Вконце 30-х годов Г. И. Флеров и К. А. Петржак в Харьков­ ском физико-техническом институте и О. Ган и Штрассман в Гер­ мании открыли явление, приведшее к овладению человеком ядерной энергией, — деление ядер урана. Точнее, советские ученые

открыли самопроизвольное, или спонтанное, деление ядер урана, а немецкие — деление ядерурана вследствие поглощения нейт­ ронов. Продуктами деления оказывались ядра, лежащие в с е р е - д и н е периодической системы Менделеева. В отличие от обычной а-радиоактнвности урана процесс представлял собой деление ядра урана на два ядра-осколка с примерно одинаковыми массами и атомными номерами, причем разные ядра делятся на осколки, не­

477

сколько различающиеся по массам и зарядам. Поскольку было известно, что удельная энергия связи для «средних» ядер больше, чем для урана, примерно на 1 Мэв/нуклон, то стало ясно, что де­ ление каждого ядра урана сопровождается выделением колоссаль­ ной энергии, равной разности энергий связи продуктов деления и исходного ядра:

Д£'=1, М э в - A t t 200 Мэв.

Эта энергия примерно в миллион раз превышает энергию, выделяющуюся при химических реакциях сгорания обычного топ­ лива, поскольку при химических реакциях выделяется энергия связи внешних валентных электронов атомов, составляющая, как правило, только десятки электронвольт.

Поскольку в ядре урана отношение числа нейтронов к числу протонов больше, чем для стабильных ядер середины таблицы Мен­ делеева, то непосредственные продукты деления урана оказываются перегруженными нейтронами. Это видно из следующих примеров реакций деления:

дги^+оП ^зтИ Ь ^+азС з146,

пги^+оП ^збК г^+збВа151.

Из простого сопоставления массовых чисел осколков с атом­ ными весами устойчивых изотопов, приводимыми в таблице Менде­ леева, видна перегруженность первичных осколков нейтронами. Так массовое число осколка 37Rb93 равно 93г а атомный вес естест­ венной смеси стабильных изотопов рубидия — 85,48, аналогично

и это главное, к выделению нейтронов при делении. На каждый нейтрон, вызывающий деление, приходится в среднем 2—3 нейт­ рона, испущенных при делении. Другими словами, при делении происходит размножение нейтронов. Это необходимое условие бы­ строго нарастания числа делящихся ядер урана — цепной реакции деления, что требуется для быстрого или контролируемого выде­ ления ядерной энергии.

Ядерная энергия выделяется в виде кинетической энергии всех продуктов деления: ядер-осколков, нейтронов, продуктов ß-радно- активности первичных осколков. Но в основном выделяющаяся энергия представляет собой кинетическую энергию ядер-осколков. Ее нетрудно подсчитать непосредственно. Если деление произошло и осколки деления разошлись, так что ядерные силы между ними уже не действуют, то на ядра будет действовать кулоновская сила взаимного отталкивания. Работа этой силы по взаимному удалению осколков приведет к возрастанию их кинетической энергии — по­ тенциальная энергия кулоновского отталкивания осколков перей­

478

дет в их кинетическую энергию. Согласно электростатике потенци­ альная энергия двух зарядов Z\e и Z2e, находящихся на расстоя­ нии г друг от друга, определяется по формуле

т. е. к значению, полученному ранее из анализа кривой удельной энергии связи.

Теория деления ядер была создана в 1939 г. Я- И. Френкелем, Н. Бором II Дж. Уилером на основе капельной модели ядра. Де­ ление происходит только в том случае, если оно окажется энер­ гетически выгодным, т. е. если энергия продуктов деления ока­ жется меньше энергии исходного ядра. Капельная модель ядра, на базе которой получена формула Вайцзеккера (13.7) для энергии любого ядра, позволяет ответить на этот вопрос. При решении за­ дачи оказалось достаточным ограничиться только двумя основ­ ными членами, определяющими энергию связи ядра, — поверхно­ стной энергией и энергией электростатического отталкивания ну­ клонов. Деление ядра приводит к возрастанию поверхности и, сле­ довательно, поверхностной энергии. Поэтому с этой точки зрения деление энергетически невыгодно.

Наоборот, электростатическая энергия при делении убывает вследствие возрастания расстояния между нуклонами, и с этой точки зрения деление ядра является энергетически выгодным. По­ лагая, что ядро делится на два одинаковых осколка, можно из условия, что при делении должна выделяться энергия, получить

Это условие выполняется, начиная с серебра (Z — 47, А — 108),

Z2

для которого параметр деления — равен примерно 20. Чем боль­

ше параметр деления, тем большая энергия должна выделяться при делении и, следовательно, тем легче должно делиться ядро.

Полученный результат означает, что все ядра второй половины таблицы Менделеева, начиная с Z = 47, должны быть неустойчи­ выми и испытывать деление. В действительности, однако, этого не наблюдается: в подавляющем большинстве ядра изотопов, стоя­ щих за серебром, являются устойчивыми ядрами (кроме самых тяжелых, которые, действительно, могут самопроизвольно, спон-

479