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

Разность энергетических уровней при излучении пары лептонов должна быть не меньше энергии, соответствующей массе электрона,

§ 214. Нейтрино бета-распада

Энергетический переход с выбрасыванием пары лептонов носит название В-распада. Обнаружение нейтрино является сложной экспериментальной задачей, решенной лишь в последнее десятиле­ тие. Первоначально переходы, подобные изображенному на рис. 2406, описывали как превращение (распад) одного ядра (радиоак­ тивного) в другое (устойчивое) с выбрасыванием электрона. Однако еще задолго до обнаружения нейтрино необходимость его существо­ вания стала очевидной.

Было трудно, лучше скажем невозможно, сомневаться в спра­ ведливости законов сохранения вращательного импульса и закона сохранения энергии. Действительно, нейтрон, протон, электрон и позитрон — все эти частицы имеют спин 72 - Как мы сказали, 6- распад меняет в атомном ядре протон на нейтрон или наоборот. Так как число нуклонов в ядре остается неизменным, то В-распад никак не может изменить четный спин на нечетный. А именно это и было

воречие снимается и одновременно устраняются трудности истол­ кования непрерывного спектра В-частиц.

Если бы В-распад заключался в выбрасывании лишь электрона, то этот электрон должен был бы обладать вполне определенной энер­ гией. Действительно, начальный и конечный уровни энергии, т. е. энергии первичного ядра и нового ядра, вполне определенные, значит, и энергия вылетающего электрона должна быть вполне определенной. На самом же деле наблюдается непрерывный спектр электронов, от некоторой максимальной скорости до нуля. Такая картина вполне естественна, если считать, что при распаде из ядра выбрасываются две частицы по уравнению n ^ p + e + v . Энергия распределяется между электроном и нейтрино по закону случая. Обнаружение нейтральной частицы, обладающей ничтожной массой (сейчас известно, что масса нейтрино меньше 0,002 массы электро­ на), является исключительно сложной задачей. Она была разрешена лишь в 1956 г. Заметим, что частица, получившая название нейт­ рино, в дальнейшем при открытии закона антисимметрии элемен­ тарных частиц оказалась антинейтрино и получила обозначение v (см. §§ 225, 226). Большое число актов распада нейтронов должно происходить в ядерном реакторе, где непрерывно образуется

огромное число ядерных осколков, богатых нейтронами. Поток ча­ стиц v, если они существуют, должен выходить из реактора. Если нейтрино v попадет в протон, то должна произойти реакция v + + р - ^ е + + п, т. е. при встрече нейтрино с протоном образуются позит­ рон и нейтрон. Такие реакции должны наблюдаться в мишени, со­ держащей большое число атомов водорода (т. е. протонов) и распо­ ложенной вблизи ядерного реактора. Эта реакция должна проис­ ходить крайне редко (несколько раз в час) из-за исключительной проникающей способности нейтрино. В то же время вблизи реак­ тора происходит огромное число других ядерных реакций. Труд­ ности обнаружения нейтрино очевидны.

Их преодоление возможно путем выделения специфических черт этой реакции. Возникают позитрон и нейтрон. Нам известно, что позитрон немедленно аннигилирует с электроном любого из атомоз мишени и дает два фотона. Что же касается нейтрона, то он совершит какой-то путь в мишени, а затем поглотится атомами примеси (кад­ мий), которые можно специально ввести в мишень. Мы можем рас­ считать среднее время его торможения до поглощения — оно равно примерно 5 мкс. При поглощении нейтрона кадмием также возни­ кает у-излучение. Задача экспериментатора заключается в том, что­ бы из всех событий средствами современной измерительной техники выделить последовательность явлений: одновременное возникно­ вение двух фотонов и следующий через 5 мкс более сильный им­ пульс у-излучения. Эта задача была успешно выполнена, и таким образом, доказано существование нейтрино.

§215 . Общие закономерности химических и ядерных превращений

Мы остановимся сейчас на некоторых общих энергетических соображениях, одинаково применимых как для химических реак­ ций, так и для превращений атомных ядер или других частиц.

Превращение частиц может произойти только тогда, когда эти частицы сблизятся вплотную. Так как для того, чтобы превра­ щение произошло, частицы должны принести с собой некоторую кинетическую энергию, то термин «столкновение» вполне оправ­ дан. Не каждая встреча частиц ведет за собой превращение. Ме­ ханизм превращений как химических, так и ядерных очень трудно изучать. Непосредственные наблюдения здесь невозможны и при­ ходится ограничиваться предположениями, справедливость кото­ рых можно проверять по следствиям.

В случае химических превращений большую роль должно играть взаимное расположение молекул при столкновении. Чтобы реак­ ция произошла, надо, чтобы молекулы подошли друг к другу в по­ ложении, удобном для перегруппировки атомов.

Для каждого превращения, осуществляемого в массовых масштабах (как это обычно и бывает в химических и ядерных

не исчерпывает условия превращения. Поскольку частица устой­ чиво существует и, следовательно, обладает минимумом потенциаль­ ной энергии, необходимо подвести к ней при столкновении некото­ рую энергию, достаточную для подъема молекулы на борт потен­ циальной ямы, в которой она находится. Эта минимально необхо­

Принято особо рассматривать две столкнувшиеся частицы в тот момент, когда потенциальная энергия, находится в максимуме. Такой активированный комплекс (так говорят в химии) или проме­ жуточное ядро (так говорят при изучении ядерных превращений) существует недолгие мгновения. Образовавшаяся система может обратно «свалиться» в потенциальную яму, но может и «перевалить» через борт. В последнем случае превращение произошло и возникла новая система, обладающая новой потенциальной энергией.

Как при химических, так и при ядерных превращениях образо­ вавшаяся система может быть одной новой частицей (реакция при­ соединения); может также произойти образование двух новых частиц из двух старых.

Если потенциальная энергия образовавшихся частиц будет больше потенциальной энергии исходных частиц (глубина кратера вулкана глубже подножия горы), то превращение идет с поглоще­ нием энергии. Поглощенное тепло будет равно разности энергии ак-

тивации и энергии продуктов реакции (рис. 242). Если энергия обра­ зовавшихся частиц будет меньше энергии исходных, то затрата небольшой энергии активации приведет к выделению большой энергии.

И в химии, и в ядерной физике мы сталкиваемся с превращениями обоих типов. Реакции, идущие с выделением тепла, называются экзо­ термическими, с поглощением тепла — эндотермическими.

Зачастую превращения (и химическое, и ядерное) сопровожда­ ются излучением. Однако, как правило, основной энергетический

вращений не бросается в глаза. Действительно, энергии актива­ ции атомных ядер суть величины порядка нескольких МэВ. Повышение же температуры на 3000° увеличит энергию атомного ядра всего лишь на 0,4 эВ.

Ядерные превращения могут быть убыстрены лишь повышением

Радиоактивный распад является простейшей ядерной реакцией.

где Эл — символ какого-либо химического элемента. Эта реакция распада, как и другие ядерные реакции, которые мы рассмотрим на стр. 530, подчиняется закону сохранения заряда (сумма нижних индексов в правой части равенства должна равняться Z) и закону сохранения массового числа (сумма верхних индексов).

У родоначальников естественных радиоактивных рядов периоды лежат в пределах 108 — 1010 лет. С другой стороны, промежуточные продукты распада, а также искусственные радиоактивные элементы могут иметь периоды, составляющие ничтожные доли секунды.

Количество радиоактивного вещества можно было бы, разуме­ ется, выразить в граммах. Однако проще и удобнее характеризовать массу радиоактивного вещества его активностью — числом актов

ной практики эта единица велика и часто пользуются ее тысячной

Если период Т известен, то нетрудно подсчитать начальную радиоактивность вещества. Доля вещества, распадающегося за 1 с, равна

или, так как X — малое число,

Если речь идет об m граммах вещества с атомным весом А, то его активность найдется по формуле

Принято считать, что за сто дней работы ядерного реактора (см. ниже) в нем образуются радиоактивные продукты в количестве 1 кюри на 1 Вт. Количество продуктов распада равно примерно 500 г на 500000 кВт, т. е. Ю - 6 г на 1 Вт. Сред­ ний атомный вес продуктов деления примем за 100; тогда по написанной выше формуле найдем средний период распада радиоактивных продуктов равным 105 с, т. е. около суток.

Указания периода и активности еще недостаточно для описания свойств радиоактивного вещества. Необходимо указать, является ли вещество а- или 6-излучателем, сопровождается ли распад у- излучением. Для еще более точной характеристики нужны данные об энергии выбрасываемых из ядра частиц и выделяющегося излу­ чения. Свойства а-частиц, излучаемых различными радиоактивными материалами, колеблются в незначительной степени. Их начальные скорости лежат в пределах 15 000—20 000 км/с; число пар ионов, образуемых а-частицей в воздухе, лежит в пределах (1-=-2)-105. Энергии Р-частиц, выбрасываемых при распаде, непрерывно распре­ делены в пределах от нуля до сотен или тысяч килоэлектрон-вольт. Энергия у-лучей также различна у разных радиоактивных веществ, однако порядок величины этой энергии одинаков для всех эле­ ментов.

Альфа-распад представляет собой просачивание а-частицы через потенциальный барьер с последующим электростатическим оттал­ киванием. Вид потенциальной кривой ядра изображен на рис. 243. Имеется потенциальная яма, барьер, а за барьером спад электроста­

по рассеянию а-частиц ядрами этого элемента, что высота потен­ циального барьера во всяком случае выше 9 МэВ. В то же время

частицы, имеющие энергию всего лишь 4 МэВ, вылетают из ядра путем туннельного перехода.

Указанная картина делает по­ нятной огромные вариации во вре­ мени полураспада различных ра­ диоактивных элементов. Достаточно незначительного изменения разни­ цы между энергией а-частицы в ядре и высотой потенциального барьера, чтобы вероятность проса­ чивания а-частицы резко возросла (ср. формулу на стр. 452).

тием, никак не отражающимся на поведении других ядер. Все ядра обладают одинаковыми вероят­ ностями распада. Положим, что через время t половина ядер распа­ лась. Но оставшаяся половина находится в тех же условиях, что и первоначальное собрание атомов, и, следовательно, половина от оставшейся половины распадается за то же самое время. Незави­ симость распада каждого отдельного ядра от поведения его соседей приводит к утверждению: в данный промежуток времени At будет всегда распадаться одинаковая доля от наличного количества ато­ мов AN/N.

Это утверждение записывается в виде

ANN =—ш,

что после интегрирования и дает экспоненциальный закон рас­ пада.

Полезно запомнить, что столь частые встречи в курсе физики с экспоненциальным законом и происходят по той причине, что он представляет собой математическое выражение убывания по рас­ пространенному правилу: при одинаковых изменениях аргумента функция убывает на одинаковые доли своей величины.

§ 217. Ядерные реакции

Опытные данные о ядерных реакциях весьма значительны. Число изученных ядерных реакций достигает нескольких тысяч.

В настоящее время известны следующие типы реакций (не говоря о радиоактивном распаде, который можно рассматривать как реак­ цию ядерного разложения): реакция захвата, заключающаяся в объединении двух встретившихся частиц; реакция обмена, заклю­ чающаяся в захвате одной частицы и выбрасывании другой; реак­ ция деления или расщепления ядра под воздействием энергии, по­ лученной ядром в той или иной форме. Ядерные реакции, происхо­

естественные изотопы элементов, так и неустойчивые радиоактивные изотопы, не встречающиеся в природе. Среди последних удалось синтезировать элементы, вообще не имеющие стабильных изотопов (например, элемент с порядковым номером 43 — технеций), а также трансурановые элементы.

Особенно внимательно изучались реакции, происходящие при бомбардировке ядер различных элементов а-частицами, протонами и нейтронами.

При соударении а-частицы с ядром происходят наиболее часто реакции двух типов: первая состоит в захвате а-частицы и выбрасы­ вании протона (р), вторая — в захвате а-частицы и выбрасывании нейтрона (п). Эти реакции обозначают символами (а, р) и (а, п).

Уравнение (а, р)-реакции имеет вид

2 Э л * Ч 2 а * — z + 1 3 ^ + » + l P * .

5 в п г « 4 - Д Ч о П ' .

Первая из указанных реакций (а, п) имеет большое практическое значение: смесь радия (источник a-частиц) с бериллием является употребительным источником нейтронов.

При соударении с протонами удается осуществить широкий класс