книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

рядковым номером,на единицу большим и стем же массовым числом (или атомной массой округлённой до целого числа).

Поток α-частиц уносит положительный заряд в две элементарные единицы и массу в 4 единицы. Радиоактивный элемент испускающий α-частицы превращается в другой элемент, порядковый номер кото- рого на две единицы меньше, а массовое число на четыре единицы меньше.

Испускание α- и β-частиц приводит к изменению атомов радиоак- тивного элемента,превращая их в атомы нового элемента.Смещение элемента в периодической системе, вызванное испусканием α- или

β-частиц, называются правилами смещения.

Испускание радиоактивных излучений называют радиоактив-

ным распадом.

Испусканиеα-частицназываютα-распадом,аиспусканиеβ-частиц соответственно β-распадом.

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивного элемента. Для урана, тория и радия скорость распада настолько мала, что уменьшение числа атомов этих элемен- тов неощутимо даже за очень длительный, в несколько лет, промежу- ток времени. Но, существует и большое число быстрораспадающихся радиоактивных элементов.

Интервал времени, в течение которого распадается половина ато- мов радиоактивного вещества,носит название периода полураспада.

Период полураспада является одной из основных характеристик радиоактивного вещества. Это строго постоянная величина, которая не может быть изменена ни какими доступными нам воздействиями (охлаждением, нагревом, давлением, магнитным полем, силами хи- мическогосредства).Независимостьпериодаполураспадаотвнешних условий обусловлена тем, что радиоактивный распад есть свойство атомных ядер, для изменения которых энергии обычных воздей- ствий недостаточно.

Измерение периода полураспада короткоживущих ядер сводится к определению промежутка времени, в течение которого интенсив- ность излучения падает вдвое. Период полураспада долгоживущих ядер вычисляют по доли числа атомов, распадающихся за некоторое время,которое зависит от периода полураспада.Чем меньше период полураспада, тем быстрее распад и тем большая доля атомов распа- дается за то же время. Период полураспада радия 1600 лет. Убыль радия настолько мала, что изменение его активности практиче- ски незаметно.

Активностью радиоактивного вещества называется число частиц испускаемых элементом в единицу времени. За миллионы лет гео- логических изменений распад радия должен был бы привести к его

300

полному исчезновению. Но, в Природе наряду с распадом происхо- дит и образование новых атомов радия,которые,как замечено,всег- да содержатся в урановых и только в урановых рудах. Следователь- но, источником новых атомов радия служит радиоактивный распад урана.

Уран испускает α-частицы и период его полураспада (точнее, основного изотопа урана с атомной массой 238) составляет 4,5 мил- лиарда лет. По геологическим меркам распад урана происходит очень медленно. Цепочка последовательных продуктов распада ура- на или радиоактивное семейство урана содержит 14 следующих друг за другом распадов,и в итоге атом урана превращается в нерадиоак- тивный стабильный изотоп свинца — 82 206Pb. Распад урана приводит к накоплению свинца. В урановых рудах всегда содержится свинец, а так же накапливаются и все промежуточные продукты цепи рас- пада урана. Радий является пятым продуктом в этой цепи. Первым потомком радия является радиоактивный инертный газ радон (Rn). Наличие радона в воздухе указывает на распад в недра Земли радия. Накопление радиоактивных продуктов превращения ограничивает- ся их распадом. Чем меньше период полураспада вещества, тем бы- стрее оно распадается и тем меньше его содержание в материнском веществе (уране или радии). Помимо семейства урана, в природе существуют еще два радиоактивных семейства. Родоначальником одного из них является торий, родоначальником другого — редкий изотоп урана 92 235U.

Радиоактивные излучения гибельно действуют на живые клетки. Действуетмеханизм ионизации атомов и разложение молекул внутри клеток при прохождении быстрых заряженных частиц.Особенно чув- ствительны к воздействию излучений клетки, находящиеся в состоя- нии быстрого роста и размножения, и это используется для лечения раковых опухолей.

В терапии употребляют радиоактивные препараты, испускающие γ-излучение,так как оно без заметного ослабления проникает внутрь организма.При не слишком большихдозах облучения раковые клетки гибнут, а организм больного не испытывает существенного ущерба. Радиотерапия рака, как и рентгенотерапия, не является универсаль- ным средством, приводящим к излечению.

Чрезмерно большие дозы радиоактивных излучений вызываюття- желые заболевания животных и человека (лучевую болезнь) и могут привести к смерти. В очень малых дозах радиоактивные излучения, главным образом α-излучение,оказывают,напротив,стимулирующее действие на организм. С этим связан целебный эффект радиоактив- ных минеральных вод, содержащих небольшие количества радия или радона.

301

Прибавление к люминесцирующему веществу (например, серни- стому цинку) очень небольшого количества соли радия позволяет по- лучить постоянно светящиеся краски, нанесение которых на цифер- блатыистрелкичасов,прицельныеприспособленияиприборыделает их видимыми в темноте.

Используя закон радиоактивного распада, можно по отношению количеств свинца и урана в минерале определить его возраст.Возраст минералов различного происхождения,содержащих уран,измеряется сотнями миллионов лет. Возраст древнейших минералов превышает 1,5 миллиарда лет. За возраст Земли принято считать время, прошед- шее с момента образованиятвердой земной коры.По многим измере- ниям, основанным на радиоактивности урана, а также тория и калия возраст Земли превышает 4 миллиарда лет.

Пучки быстрых α-частиц, испускаемые радиоактивными препа- ратами, являлись некогда незаменимым средством зондирования атомов (опыты Резерфорда). Однако, для исследования атомных ядер нужны более быстрые заряженные частицы, в большем количестве и в большем ассортименте,чем могутдать радиоактивные препараты (не только α-частицы и электроны, но и протоны, дейтроны — ядра дейтерия, и ядра всех химических элементов). Для обеспечения этого были разработаны различные типы специальных ускорителей заря- женных частиц. Это сложные установки (комплексы) для искусствен- ного ускорения заряженных частиц до больших энергий.

Восновеработыускорителязаложеновзаимодействиезаряженных частиц с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле напрямую совершает работу над ускорением частицы, то есть увели- чивает её энергию. А магнитное поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт ей орбиту, по ко- торой осуществляется движение частицы (то есть позиционирует её относительно оси канала ускорения).

Ускорители принципиально разделяются на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющиепромежутки(применяетсядляпервичногоускоренияча- стиц), и циклические ускорители, в которых пучки движутся по зам- кнутым кривым (типа окружностей), проходя ускоряющие промежут-

ки по многу раз.

Линейный ускоритель (рису- нок справа) это устройство, где заряженной частице сообщают энергию с помощью ускоряющей, постоянно увеличивающейся, электрической разностью потен- циалов.

302

Ускорение осуществляется электростатическим полем, создавае- мым генератором Ван-де-Граафа. Пределом ускорения является на- пряжение 10 мегавольт (Мв). Дальнейшее ускорение с помощью ис- точников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов, пробоев (не выдерживают электроизоляционные материалы). Одна- ко, такие ускорители часто используются в качестве инжекторов за- ряженных частиц.

Техническим преимуществом обладает простейший линейный резонансный ускоритель норвежца Р. Видероэ (1925 г), в основу кото- рого заложен принцип многократного ускорения заряженной части- цы небольшой разностью потенциалов.

Этотпринцип применяется в большинстве современных ускорите- лей (рисунок ниже).

Заряженные частицы, выпущенные из инжектора 1, пролетают сквозь серию трубок 3, на которые посредством кабеля 4 подается пе- ременное электрическое напряжение высокой частоты от генератора 2. Трубки 3 помещены в вакуумную камеру. Внутри трубок 3 электри- ческое поле экранируется, там частицы летят по инерции или дрей- фуют вдоль траектории 5 (поэтому трубки и называют дрейфовыми). В зазорах между трубками 3 частицы разгоняются, причем частота колебаний электрического поля подбирается таким образом, чтобы при прохождении каждого зазора частица ускорялась. С ростом ско- рости частицдлинатрубок увеличивается.Придостижении расчетной энергии частицы направляют на мишень. Чтобы получить частицы с большими энергиями, длину таких ускорителей необходимо увеличивать от десятка метров до нескольких кило- метров.

Визобретенииа. с.48862на«Устрой- ство для ускорение заряженных ча- стиц» (рисунок справа) предложено применить добавочное радиальное электрическое поле, железный сердеч- ник для цепи переменного магнитно-

303

го потока создающего замкнутое ускоряющее электрическое поле, и переменный зазор магнитной системы постоянного магнита (с це- лью увеличения напряжённости магнитного поля по направлению к периферии устройства). Чтобы сообщить заряженным частицам максимально большую скорость за малый промежуток времени при- менено добавочное радиальное электрическое поле E,оттягивающе- го заряженные частицы, появляющиеся из источника заряженных частиц (электрода) C, в область максимальной напряжённости элек- трического поля — к периферии сосуда B кольцевой формы.

Ускорение движения заряженных частиц осуществляется с помо- щьюзамкнутогоэлектрическогополя,возникающегопосредствомпе- ременного магнитного поля созданного сердечником A, установлен- ного внутри устойчивой орбиты частиц (для усиления элекрического поля). В сосуде B создан высокий вакуум. Паралллельно переменному магнитному полю,созданного сердечникомА,приложено постоянное магнитное поле заключённое между полюсами сердечника Д, имею- щих переменный зазор к периферии для его усиления по мере уда- ления от оси устройства. При отсутствии замкнутого электрического поля (когда переменное магнитное поле сердечника А отключено), подбирая величину радиального электрического поля E и величи- ну и распределение магнитной индукции постоянного магнитного поля сердечника Д, заряженным частицам можно придать постоян- ную замкнутую орбиту. Сила Лоренца в этом случае уравновешивает- ся как центробежной силой, так и силой радиального электрического поля. При возникновении замкнутого электрического поля заряжен- ные частицы начнут двигаться ускоренно и их траектория движения из круговой перейдётв спиральную.Частицы переместяться в область максимальной напряжённости как электрического поля, так и посто- янного магнитного поля, где приобретут максимально большую ско- рость за короткий промежуток времени.

Техническим преимуществом в компактности обладаетустройство циклотрона — циклического резонансного (с условием синхронизма) ускорителя тяжелых частиц (протонов и ионов).Принцип циклотрона прост (предложен Э. Лоуренсом, 1930 г.).

Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнятьусловие синхронизма или условие резонанса,то естьпери- оды вращения частицы в магнитном поле и колебания электрическо- го поля должны быть равны (частота изменения полярности напря- жения на ускоряющих электродах равна частоте обращения частицы). Поэтому циклотрон называется резонансным ускорителем.

По устройству (рисунок на стр. 305) циклотрон представляет собой разрезанную пополам очень плоскую консервную банку, половинки которой являются ускоряющими электродами или дуантами.

304

Междудвумяполукруглымиполымиэлектродами3(илидуантами) приложено быстропеременная электрическая разность потенциалов (высокочастотное напряжение) от генератора 5. Дуанты 3 заключены в вакуумную камеру и помещены между полюсами сильного электро- магнита (рисунок справа), создающего однородное постоянное маг- нитное поле (направленное перпендикулярно плоскости чертежа). Частица, выпущенная из инжектора ионов 1 (например, при иониза- ции газообразного водорода), вращаясь по окружности в магнитном поле,ускоряется электрическим полем в зазоре междудуантами 3 при каждом её обороте.С увеличением энергии,на каждом обороте,ради- ус траектории частицы увеличивается по раскручивающейся спирали до тех пор, пока частица не выйдет за пределы дуантов 3.Ускоренные частицы выводятся наружу и направляются на мишеньс помощью от- клоняющей пластины 4 (заряженной отрицательно).

Из-заявлениямагнитногонасыщенияжелезамагнитнаяиндукция электромагнитного поля в циклотроне не может превысить 1,5 тесла. Поэтому для увеличения энергии частиц приходится увеличивать ди- аметр полюсов магнита, который, например, в циклотроне, дающем пучок протонов с энергией около 400 Мэв, равен 4,5 м.

Циклотроны позволяют свободно без особых усилий ускорять про- тоны до энергий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в ци- клотроне затем ограничивается релятивистским возрастанием мас- сы, которое связано с ростом скорости, что приводит к увеличению периода обращения (который пропорционален массе) и нарушению синхронизма. По этой причине циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов.

Для ускорения релятивистских частиц в циклических ускорителях применяется принцип автофазировки (предложенный В. И. Вексле- ром в 1944 г. и Э. Мак-Милланом в 1945 г.). Компенсация увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма (ре- зонанса),осуществляется путём изменения либо частоты ускоряюще- го электрического поля, либо индукции магнитного поля, либо и того и другого одновременно. Этот принцип достижения технического

305

преимущества используется в фазотроне,синхротроне и синхрофазо- троне.

Совершенной конструкцией ускорителя является комплекс колец большого (длина основного кольца 26,659 км), адро́нного (то есть, ускоряющего протоны и тяжёлые ядра атомов) колла́йдера (с англ. «сталкивателя»), сокращённо БАК (английское название Large Hadron Collider или LHC). Схема БАК ниже.

Коллайдер состоит из узкой вакуумной трубы, в которой движение частиц управляется с помощью электромагнитных устройств (пово- ротных и фокусирующих электромагнитов) и ускоряющих резонато- ров, размещённых в подземном туннеле. Это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках. Он предназначен для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударе- ний.

Протонный или ионный пучок в основном кольце движется как

внаправлении по часовой стрелке, так и в обратном. Протоны добы- ваются из газообразного водорода посредством ионизации. Атомы свинца, находящиеся в состоянии пара, нагретого до 8000 С, ионизи- руются с помощью электрического тока.

Энергия протонов в основном кольце доводится до максимальных 7 ТэВ (или до скорости 0,999999991 . c) в течение 20 минут. Разгон осу- ществляется при пролете протонов сквозь несколько блоков резона- торов, установленных в 4 местах кольца. Ионы свинца разгоняются

восновном кольце до 2,56 ТэВ.

Детекторы CMS и ATLAS, LHC -b и ALICE служат для снятия данных во время экспериментов и для фиксации столкновения частиц.

306

Ускорители применяются в первую очередь в научных исследова- ниях. А также для стерилизации продуктов питания, медицинского инструмента, в медицине для лечения онкологических заболеваний,

вдиагностике.

Впроизводстве полупроводниковых устройств — инжекция при- месей. В радиационной дефектоскопии,радиационном сшивании по- лимеров, радиационной очистке топочных газов и сточных вод.

Рост энергии ускорителей и экспериментальной техники, их раз- витие обусловлены нуждами исследований элементарных частиц.

С ростом энергии появляется возможность образования новых ти- пов элементарных частиц с большими массами.

Ускорители, как гигантские микроскопы, позволяют изучать про- странство на очень малых расстояниях,сравнимых с длиной волны де

Бройля для ускоренных частиц. Например, частицы с энергией 1 ТэВ имеютдлину волны де Бройля порядка 1 . 10–16 см.С их помощью мож- но зондировать области пространства вплоть до 10–16 см, где могут проявляться какие-то новые закономерности микромира, не заме- ченные на больших расстояниях.

С ростом энергии частиц меняются свойства взаимодействий между ними и характеристики уже известных процессов. Может ока- заться, что определенные черты этих явлений при высоких энергиях начинают проявляться более отчетливо. Именно в опытах при очень больших энергиях удалось установить общую природу слабых и силь- ных электромагнитных сил.

На «обычных» ускорителях (ускорителях с фиксированными ми- шенями), исследуются процессы взаимодействия ускоренных частиц с «неподвижными мишенями», то есть с нуклонами и ядрами атомов вещества,из которого сделаны мишени.При этом только сравнитель- но малая часть энергии ускоренных протонов или электронов может быть затрачена «полезным образом»: на образование новых частиц, так как большая часть начальной энергии переходит в кинетическую энергию вторичных частиц,образующиеся при взаимодействии с ми- шенью.

Вотличие от ускорителей с фиксированными мишенями ускори­ тели-накопители на встречных пучках позволяют использовать всю начальную энергию. Основная идея здесь заключается в том, чтобы создать два очень интенсивных и хорошо сфокусированных пучка ускоренных частиц и, направив их навстречу друг другу, осуществить лобовое соударение между ними. При этом суммарный импульс двух сталкивающихся частиц равен нулю, и образующиеся вторичные ча- стицы могут обладать очень малой кинетической энергией (то есть порогом рождения или образования покоящихся частиц).При встреч- ных соударениях двух протонов с кинетическими энергиями > mc 2

307

получают значительный выигрыш в энергии, в результате чего могут рождаться протон-антипротонные пары.

Однаконеследуетсчитать,чтонужносоздаватьтолькоускорителинакопители со встречными пучками. Ускорители с фиксированными мишенями, уступая накопителям в энергии, обладают в свою оче- редь рядом важных преимуществ. Прежде всего, есть возможность проводить исследования с разнообразными пучками нестабильных или нейтральных частиц, которых нет на ускорителях со встречными пучками. Кроме того, на ускорителях с фиксированными мишенями можно изучать более редкие явления, так как здесь удаётся получить значительно большее число соударений. Поэтому «обычные» ускори- тели и ускорители со встречными пучками взаимно дополняют друг друга и вместе позволяют получить важную информацию о природе элементарных частиц.

Для защиты от космического излучения ускоряющие установки с большими «чувствительными объемами» вещества детекторов рас- полагаются в подземных лабораториях на большой глубине.

Атомные ядра тяжёлых радиоактивных элементов, несмотря на свои ничтожные размеры,являются сложными частицами,постро- енными из простых частиц. Они не достаточно прочны, неустойчивы и с течением времени распадаются,испуская α-или β-частицы и пре- вращаясь в ядра других элементов. Радиоактивность свидетельствует о сложном строении атомных ядер, и она сама является инструмен- том для изучения их строения.

Процессы, в которых происходит превращение ядер (атомов) од- них элементов в ядра (атомы) других элементов, получили название ядерных реакций.

Например, наблюдая соударение α-частицы с ядром атома азота в камере Вильсона, след α-частицы в конце некоторого пути развет- вляется на два неравных следа (образует «вилку»), из которых длин- ный тоньше следа α-частицы, а короткий — жирнее. Тонкий след принадлежит протону, ибо он производит меньшую ионизацию, чем α-частица. А жирный след принадлежит частице, ионизующей силь- нее α-частицы. Природу этой частицы можно установить, используя законы сохранения заряда и массы.

До соударения имелось две частицы: α-частица (или ядро атома гелия) с зарядом +2 и массой 4 а. е. м. и ядро атома азота с зарядом +7 и массой 14 а. е. м. Суммарный заряд частиц равен +9, а суммарная масса — 18 а. е. м.

Символически эта ядерная реакция записывается как 7  14N + 2 4He = 8  17O + 1 1H, где верхние цифры представляют запись условия сохране- ния массы 14 + 4 = 17 + 1, а нижние — условие сохранения заряд 7 + 2 = 8 + 1. Отсюда, продуктом соударения оказался кислород 8  17O.

308

Изучению ядерных реакций способствовало изобретение ускори- телей.

Искусственно ускоренные протоны, дейтроны (ядра тяжелого во- дорода), ядра гелия и ядра других, более тяжелых, элементов способ- ны производить разнообразные ядерные расщепления, подобные реакции ядер азота с α-частицами. Фотоны и электроны уступают тя- желым частицам (протонам,дейтронам и другим ускоренным ядрам) в эффективности расщепления.

Ядерные реакции показали возможность искусственного превра- щения элементов, хотя и в ничтожных количествах из-за малых раз- меров ядер и малого количества соударений.

Лишьнемногиечастицысталкиваютсясядромдотого,каконирас- тратят свою энергию на преодоление электростатических сил оттал- кивания электронов, на ионизацию и возбуждение атомов. Поэтому только редкие случаи приводят к ядерным расщеплениям.

В условиях, существующих на звездах, ядерные реакции, раз на- чавшись, продолжаются сами собой подобно тому, как огонь, охваты- вая новые и новые порции топлива, горит до тех пор, пока оно не ис- черпается.Подобныесамоподдерживающиеся,незатухающиецепные реакции осуществлены и в земных условиях. В таких реакциях пре- вращение атомов осуществляется уже в больших масштабах, не усту- пающих в химических реакциях.

Средипродуктовядерныхреакцийобнаруженанезаряженная(ней- тральная) частица с массой, равной массе протона (приблизительно 1 а. е. м.), названная нейтроном. Нейтроны были обнаружены при об- лучении бериллия α-частицами. При этом ядерная реакция состояла из захвата α-частицы ядром бериллия,в результате чего образовалось ядро углерода и частица нейтрон: 4 9Be + 2 4He ====> 6 12C + n, где n — символ нейтрона.

И сейчас в качестве компактных источников нейтронов использу- ется именно смесь α — радиоактивного вещества с порошком берил- лия.

Нейтроны в камере Вильсона не производят заметной ионизации и следов, в отличие от заряженных частиц, они практически не взаи- модействуют с электронами. Этим объясняется способность нейтро- нов свободно проходить сквозь толстые (измеряемые сантиметрами) слои вещества (то есть обладать большой проникающей способно- стью). При соударениях с ядрами нейтроны теряют энергию и замед- ляются, сильное замедление происходит при соударениях нейтронов

сравными им по массе протонами. Столкновение быстрого нейтрона

сядром в большинстве случаев приводит к лишь к рассеянию нейтро- на, но случается, нейтрон захватывается ядром и происходит ядерная реакция, например, ядро бора, захватывая нейтрон, расщепляется

309