книги из ГПНТБ / Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений

фотоэлектрического тока. Существует множество конструкций счетчиков Черенкова.

У счетчиков Черенкова имеется множество преимуществ. К ним относятся быстрая скорость счета и возможность определения заря­ дов частиц, движущихся со скоростью, весьма близкой к скорости света (мы не сказали, что световой выход резко зависит от заряда частицы). Только при помощи счетчиков Черенкова могут решаться такие важные задачи как прямое определение скорости заря­ женной частицы, определение направления, в котором движется ультрабыстрая частица, и т. д.

Размещение счетчиков. Для того чтобы изучать различные про­ цессы превращения и взаимодействия элементарных частиц, необ­ ходимо иметь возможность не только отметить появление частицы в данном месте, но и проследить дальнейшую судьбу этой же час­ тицы. Подобные задачи решаются с помощью специальных располо­ жений счетчиков с обобщенной счетной схемой. Например, можно электрические схемы двух или нескольких счетчиков соединить таким способом, чтобы счет происходил лишь в том случае, если раз­ ряд во всех счетчиках начинается в точности в одно и то же время. Это может служить доказательством прохождения одной и той же частицы через все счетчики. Такое включение счетчиков называется «включением на совпадение».

Метод толстослойных фотографических эмульсий. Как известно, фоточувствительным слоем фотопластинок служит желатиновая пленка, в которую введены микрокристаллики бромистого серебра. Основой фотографического процесса является ионизация этих кри­ сталликов, в результате которой происходит восстановление броми­ стого серебра. Этот процесс происходит не только под действием света, но и под действием заряженных частиц. Если через эмуль­ сию пролетит заряженная частица, то в эмульсии возникнет скрытый след, который можно увидеть после проявления фотопластинки. Следы в фотоэмульсии рассказывают много подробностей о вызвав­ шей их частице. Сильно ионизующие частицы оставляют более жир­ ные следы. Так как ионизация зависит от заряда и скорости частиц, то уже один только вид следа говорит о многом. Ценные сведения дает величина пробега (трека) частицы в фотоэмульсии; измеряя длину следа, можно определить энергию частицы.

Исследования при помощи обычных фотопластинок с тонкими эмульсиями мало пригодны для целей ядерной физики. Такие пла­ стинки фиксировали бы только те частицы, которые движутся строго вдоль пластинки. Мысовским и Ждановым, а также через несколько лет Пауэллом в Англии были введены в обиход фотопла­ стинки с толщиной эмульсии, близкой к 1 мм (у обычных пластинок толщина слоя в сто раз меньше). Фотометод ценен своей нагляд­ ностью, возможностью наблюдать сложную картину превращения, происходящего при разрушении какой-либо частицы.

На рис. 238 приведена характерная фотография, полученная этим методом. В точках Р и 5 произошли ядерные превращения.

Предположим, что на фотографии наблюдается след частиц в виде «вилки». Первая частица превратилась в две частицы: вторую и третью. Тогда должны выполняться следующие соотношения. Вопервых, импульс первой частицы должен равняться векторной сумме импульсов возникших частиц:

Pi=P2+Ps

Далее, между кинетическими энергиями частиц должно суще­ ствовать соотношение

выполняются неукоснительно при любых превращениях элемен­ тарных частиц. Это позволяет воспользоваться этими законами для выяснения свойств нейтральной частицы, не оставляющей следа в фотографической эмульсии и не ионизующей газа. Если на фото­ пластинке наблюдаются два расходящихся трека, то исследователю ясно: в точке, откуда эти следы расходятся, произошло превращение нейтральной частицы. Определяя импульсы, энергии и массы возникщих частиц, можно сделать уверенные выводы о значении пара­ метров нейтральной частицы. Так был открыт нейтрон, такими способами мы судим о нейтрино и нейтральных мезонах, о которых будет рассказано ниже.

§ 208. Частицы, входящие в состав ядра

Атомные ядра элементов построены из протонов и нейтронов. Основными характеристиками протона, как, впрочем, и всякой элементарной частицы, являются его заряд, масса, спин и магнит­

ется 1,6725-Ю- 2 4 г, т. е. в 1836 раз больше массы электрона. Спин протона равен 1 / 2 , а магнитный момент 1,41-10~23 ед. СГС.

Масса нейтрона несколько больше массы протона, а именно, равна 1,6748-Ю- 2 4 г. Спин нейтрона также 1 / 2 . Магнитный момент нейтрона антипараллелен спину и равен 0 , 9 6 6 - Ю - 2 3 ед. СГС.

Нейтрон не несет на себе электрического заряда и не оставляет следов в камере Вильсона и на фотопластинке. Основным способом исследования свойств нейтрона является изучение его столкновений с другими ядрами. Зная массу и скорость ядра, в которое попал

где М„ иин — неизвестные для нас величины. Исследуя соударения нейтронов с различными ядрами, можно определить Мн, разумеется,

личия УИЯ и УИд лежат в сотых, а для тяжелых атомов — в тысяч­ ных долях процента.

Относительные атомные веса изотопов близки к массовым чис­

Изучая внимательно таблицы масс изотопов, можно прийти к следующему важному выводу: масса ядер меньше суммы масс эле­ ментарных частиц, образующих ядро. Например, масса нейтрона 1,00888, масса протона 1,00807; масса двух нейтронов и двух про­ тонов равна 4,0339. В то же время масса атома гелия, который со­ стоит из двух нейтронов и двух протонов, не равна этой цифре, а равна 4,0038. Таким образом, масса ядра гелия меньше суммы масс, составляющих ядро частиц на величину 0,0301 атомной единицы, в тысячи раз превосходящую точность измерений.

Разность масс элементарных частиц, составляющих ядро, и массы ядра является важнейшим примером дефекта массы. Каж­ дому ядру соответствует определенный дефект массы.

Одним из важнейших выводов теории относительности является принцип эквивалентности массы и энергии (стр. 385). Этот принцип гласит: если система приобретает или теряет количество энергии Л<£\ то масса этой системы соответственно возрастает или умень­ шается на величину Л т = Д<£/са. Дефект массы ядра (с точки зрения этого принципа) получает естественное истолкование: он является мерой энергии связи ядерных частиц.

Поясним, что означает это утверждение. Под энергией связи в химии и физике понимают ту работу, которую надо затратить для того, чтобы эту связь полностью нарушить. Если бы удалось разде­ лить ядро на элементарные частицы, то, как сказано выше, масса системы возросла бы на величину дефекта массы Am; это значит с точки зрения закона Эйнштейна, что ядру была подведена энергия Д<£=с2 Д/п, которая и есть не что иное как энергия связи. Отсюда находим, что изменение массы на одну атомную единицу массы эк­ вивалентно изменению энергии на 1,6604-10~24• 9-102 0 э р г = 1,496 X X 10"3 эрг=931,8МэВ(1эВ = 1,602-10-1 2 эрг, I МэВ = 10е эВ). Поль­ зуясь этими цифрами и зная величины дефекта массы, можно без

к числу частиц ядра, т. е. величина c2kmlM. По оси абсцисс отло­ жено массовое число. Кривая показывает, что энергия связи на одну ядерную частицу сначала быстро, но не вполне закономерно воз­ растает, далее останавливается примерно на 8 МэВ и, наконец,

*)Эта цифра получится делением массы электрона в граммах на 1,6604- Ю -2 1 г;

ядер, мы обнаружим ряд интересных закономерностей. Прежде всего, у ядер, содержащих четное число протонов и четное число нейтронов, спин ядра равен нулю (Не, С1 2 , О1 0 ). Число нуклонов, кратное четырем, вообще играет, видимо, большую роль. Во многих случаях (но далеко не во всех) спин атомного ядра может быть полу­ чен следующим образом: отбрасываем ближайшее к М число, крат­

тельство: у ядер с четным М спин — целый или равен нулю, у ядер с нечетным М — кратен 1 / 2 .

Спины атомных ядер определяются по сверхтонкой структуре оптических спектров. Расщепление энергетических уровней, хотя и крайне незначительное, измеряется вполне уверенно. Расщепление происходит по той причине, что разным взаимным ориентациям

о применимости принципа Паули к протонам и нейтронам в ядре. Две тождественные частицы могут расположиться на одном уровне энергии лишь при условии антипараллельности спинов. Так как протон и нейтрон — разные частицы, то на одном уровне могут быть два протона и два нейтрона. В этой компактной группе со спином, равным нулю, мы узнаем ядро атома гелия (а-частицу).

Наличие спина означает наличие магнитного момента. Между вращательным импульсом L и магнитным моментом М должна су­ ществовать прямая пропорциональность. При этом магнитный момент может быть либо параллелен, либо антипараллелен спину.

Если спин частицы (сложной или простой) равен s, то магнитный

обобщением обсужденного на стр. 464 соотношения для электрона.

разные значения g. Так, например, ^-фактор нейтрона равен 3,8206, протона — 5,5791.

В элементарный магнетон входит масса частицы. Однако при­ нято пользоваться лишь двумя значениями магнетонов: магнето-

ном Бора для легких частиц и ядерным магнетоном (магнетоном, подсчитанным для протона) ц я д = ( 1/1836) Цв Для тяжелых. При­ веденные выше значения ^-фактора вычислены для (хя д .

Теории ^--факторов и магнитных моментов, связывающей эти свойства ядра с его структурой, не существует.

§ 211. Силы взаимодействия нуклонов

Основные сведения о ядерных силах можно получить, изучая рассеяние частиц. Уже из первых опытов Резерфорда по рассеянию а-частиц можно было сделать вывод о весьма малом радиусе дей­ ствия ядерных сил. Опыты Резерфорда объяснились количественно в предположении, что отклонение а-частиц является электрическим отталкиванием одноименно заряженных частиц. При этом теория совпадала с опытом и тогда, когда а-частица проходила почти вплот­ ную около рассеивающего ядра. Значит, достаточно двум ядерным частицам быть на самом небольшом расстоянии друг от друга, чтобы между ними действовали лишь электрические силы, а ядер­ ные уже не чувствовались бы.

Более непосредственный результат дают опыты по рассеянию нейтронов протонами. Для этого пучок нейтронов пропускают через водород, находящийся в газообразном состоянии. Опыт пока­ зывает, что лишь небольшая часть нейтронов встречается с ядрами атомов водорода. Что же касается рассеянных нейтронов, то они распределены равномерно по углам. Этот результат коренным обра­ зом отличается от картины рассеяния а-частиц, т. е. от рассеяния, происходящего благодаря электрическим взаимодействиям, где отклонение есть всегда, но малое, когда а-частица проходит далеко от ядра, и большое, когда путь ее лежит вблизи рассеивающего ядра. Картина, наблюдающаяся при рассеянии нейтронов прото­ нами, приводит нас к признанию весьма малого радиуса действия ядерных сил. Значение порядка 2 - Ю - 1 3 см уверенно выводится из этого опыта.

Изучение рассеяния протонов протонами приводит к такому же значению радиуса действия. Опыты и расчеты здесь несколько затруднительны, так как надо «вычесть» из рассеяния то, что обус­ ловлено чисто электрическим взаимодействием. Однако наблю­ дения при высоких энергиях и под большими углами позволяют произвести это вычитание. К сожалению, нельзя поставить прямые опыты по рассеянию нейтронов нейтронами. Однако ряд косвенных обстоятельств не позволяет нам сомневаться, что и в этом случае свойства ядерных сил остаются теми же. Вот пример такого рассуж­ дения: можно сравнить энергию связи и поведение при соударениях трития (изотопа водорода с массой 3) и изотопа гелия той же массы. В первом случае ядро состоит из двух нейтронов и одного протона, во втором— наоборот. Энергия связи гелия больше ровно на такую величину, которую дает электрическое взаимодействие между двумя протонами. Все эти опыты и рассуждения приводят к заключению

о независимости ядерных сил, действующих между нуклонами, от электрических зарядов взаимодействующих частиц.

Опыты по рассеянию нуклонов приводят также к заключению об обменном характере взаимодействия. Этот термин применяется в том случае, когда встретившиеся частицы меняются своими свой­

от расположения спинов ядер. Ядерные силы теряют из-за этого свой центральный характер (т. е. сила не действует вдоль линии, соединяющей центры частиц).

Тем не менее, усредняя эту зависимость, можно охарактеризо­ вать ядерные силы потенциалом взаимодействия такого же типа, который обсуждался для молекул. На рис. 240 показана такая кри­ вая для двух нуклонов (общее название протона и нейтрона). Энер­ гия взаимодействия отложена в МэВ, а расстояние — в ферми (1 ф е р м и = 1 0 - 1 3 см). На расстоянии 4 ферми ядерные силы уже не действуют. Для сравнения с электростатическим взаимодействием на рисунке проведена пунктирная кривая. Это электростатический потенциал двух разноименных зарядов величины 3,3 заряда элект­ рона. На расстоянии 2 ферми энергии взаимодействия одинаковы. Аналогии между кривыми, конечно, нет.

Кривые подобного типа построены на основании опыта для раз­ ных ядер. Ординаты и абсциссы потенциальных ям колеблются в небольших пределах (5—20 эВ, единицы ферми).

§ 212. Нуклоны в ядре

Нет сомнения в том, что нуклоны расположены весьма плотно внутри атомного ядра. В разумном согласии с рядом эксперимен­ тальных данных находится следующая формула «радиуса»

ядра:

R = k*VM.

Здесь М — массовое число, а& = 1,5- 10~1 3 см. Формула установлена для тяжелых ядер, но нет сомнения в ее пригодности и для легких ядер. Если радиус ядра пропорционален кубическому корню из числа частиц, то объем ядра будет пропорционален первой степени числа частиц. Это обстоятельство заставляет полагать, что по край­ ней мере в грубом приближении нуклоны упакованы в ядре с одно­ родной плотностью.

Разумеется, мы не можем построить геометрическую модель атом­ ного ядра и определить траектории нуклонов в ядре, так как нук­ лоны имеют волновую природу.

В каком-то приближении можно представить себе, что каждый нуклон движется в поле всех остальных. У такого нуклона будет система энергетических уровней, которые можно заполнять после­ довательно, идя от легких ядер к более тяжелым. Наиболее низкий уровень, так же как и в случае электронов, не должен обладать вра­ щательным импульсом. В соответствии с принципом Паули на этом самом низком уровне можно расположить два нейтрона и два про­ тона, каждая пара с противоположными спинами, т. е. а-частицу. Рассматривая аналогичным образом более тяжелые ядра, удается выделить и на следующих уровнях устойчивые группы частиц. Оболочечная модель ядра оказалась очень полезной для определе­ ния ряда свойств ядер и для объяснения степени распространен­ ности изотопов.

Рассматривая состав атомных ядер, начиная от легких и идя к тяжелым, мы обращаем внимание на то, что число нейтронов в атом­ ном ядре растет быстрее числа протонов и у весьма стабильного элемента свинца на 82 протона приходится 126 нейтронов. Это возрастание числа нейтронов объясняется необходимостью уравно­

ствительно, при соблюдении этого равенства мы могли бы запол­ нять низкие уровни энергии максимальным числом частиц — ведь в одно состояние можно поместить два нейтрона и два протона согласно принципу Паули. Однако, поступая таким образом, мы слишком увеличили бы электрическое отталкивание и суммарная энергия не была бы минимальной. Очевидно, реальный случай представляет собой компромиссное решение, продиктованное двумя тенденциями. Явления Р-распада, столь широко наблюдаемые у искусственно радиоактивных элементов, представляют собой вы­ бор . оптимальной ситуации в указанном смысле. Если в ядре много протонов или много нейтронов, то положение дела по­ правляется излучением электрона или позитрона.