книги / Строение и свойства металлических сплавов

ного вещества вытекает другой закон сохранения, согласно которому общее число нуклонов должно оставаться постоянным.

В 50-х годах при изучении в камере Вильсона космических лучей высоких энергий впервые была обнаружена частица, масса которой больше массы протона и нейтрона; эта частица отно­ сится к группе так называемых гиперонов: ^-частица. Она имеет массу, равную 2182 электронным массам, спин V2 и время рас­ пада 2,7-10-7 сек. Вскоре были открыты другие частицы, принад­ лежащие к той же группе: сигма — положительная, отрицатель­ ная и нейтральная и кси с массой 2585. Группой ученых объеди­ ненного Института ядерных исследований была открыта «тяжелая» частица с массой 2300, получившая название «анти- сигма-минус-гиперон», она распадается за 10-10 сек.

Поведение некоторых новых частиц не соответствовало суще­ ствующим представлениям. В частности, время устойчивости их было значительно меньше, чем это следовало из правил для частиц такого типа (10_3— 10“20 вместо 10-21— 10-23 сек). Частицы получили название «странных».

В настоящее время обнаружено большое количество элемен­ тарных частиц. Предложены различные способы их системати­ зации [406, 407]. Теория пока не объясняет многообразное пове­ дение всех элементарных частиц, и не найдена связь между различными типами взаимодействия.

Далеко не ясно, в какой мере элементарные частицы яв­ ляются первичными элементами материи. В начале 30-х годов, когда был открыт нейтрон и установлено, что ядро состоит из протонов и нейтронов, было введено понятие «элементарные частицы». До сих пор эти частицы не удалось разделить на более мелкие части. Однако было бы неправильно считать, что элементарные частицы представляют собой неделимые элементы материи, так же как неправильно было в свое время мнение о неделимости атома. Наличие структуры у элементарных частиц не вызывает сомнений. Например, изучение картины упругого

на (радиус > 10~13 см). Имеются косвенные доказательства наличия структуры в других частицах. Согласно современной электродинамике, электрон должен иметь размер, значительно больший, чем предполагалось: 10“п см вместо 1СН3 см. Следует иметь в виду, что современное представление о структуре эле­ ментарных частиц связано с изменениями, возникающими в процессе взаимодействия их между собой. Учитывая сложную структуру частиц, явление распада их, более правильно, как полагает, например, японский физик Сеити, рассматривать элементарные частицы как один из бесконечного множества уровней строения материи или вводить так называемую «состав­

449

ную» модель элементарных частиц, согласно которой ряд частиц образуется из некоторых основных. Всего в этом случае наби­ рается 13 различных видов элементарных частиц.

Для правильного описания элементарных частиц, очевидно, нужны принципиально новые подходы. «... Ясно, что нам нужны новые физические понятия, и естественно, новый язык, лучше подходящий к внутренней природе частиц, нежели тот, которым мы сейчас располагаем. Каким бы ни казался сложным и мно­ гообразным мир микрочастиц, может быть, нам все же не хва­ тает всего двух-трех слов, чтобы выразить физическую идею, необходимую для полного понимания микромира» (Д. И. Блохинцев).

Явление радиоактивности

Радиоактивность. Ядро атома состоит из нуклонов — прото­ нов и нейтронов, взаимодействие которых ограничено малыми расстояниями (~ 1 0 -13 см). Уже из факта устойчивости ядра, несмотря на наличие электрических сил отталкивания, вытекает, что ядерные силы велики. Ниже приведены некоторые значения энергии, рассчитанные на одну частицу:

Средняя кинетическая энергия молекулы газа при комнатной температуре:

450

Радиоактивные превращения являются ядерными процессами, сопровождаемыми заметным уменьшением массы покоя и выде­ лением большой кинетической энергии.

Уже вскоре после открытия радиоактивности (Беккерель, 1886 г.) было установлено, что интенсивность излучения зависит от концентрации радиоактивного вещества (урана), но не ме­ няется при изменении температуры и давления, при наложении электрических и магнитных полей и при изменениях химического состава вещества.

При определенном соотношении числа протонов и нейтронов для данного общего числа их ядро имеет минимальную энергию и устойчиво в отношении процессов превращения. Для самопро­ извольного распада ядра требуется ничтожный избыток энергии.

На рис. 200 показано изменение потенциальной энергии на один нуклон (энергия, необходимая для разделения ядра на изолированные частицы) в зависимости от массового числа. Очевидно, что полная энергия связи атома, которая представ­ ляет собой разность между массой атома и суммой масс всех протонов, нейтронов и электронов оболочки, для тяжелых эле­ ментов больше, чем для легких, поскольку первые состоят из большего числа нуклонов. Однако энергия связи на один нуклон меняется при этом не сильно. Максимальную энергию связи и,

Рис. 200. Потенциальная энергия на один нуклон

451

следовательно, наибольшую устойчивость имеют элементы с атомным номером, близким к 56, т. е. находящиеся примерно в середине периодической системы. Поэтому возможна и спонтан­ но протекает реакция, в результате которой образуются новые ядра с массовым числом, больше соответствующим минимуму энергии, чем массовое тело исходного ядра. Для выделения энергии и образования более стабильного ядра элементы с мас­ совым числом ш > 56 должны претерпевать распад, а ядра эле­ ментов, у которых т ^ 56, должны соединяться. Деление урана является примером реакции первого типа, а синтез ядер водо­ рода — второго типа.

Кривая также объясняет, почему число элементов в природе ограничено. Естественно, радиоактивные элементы расположены на правой восходящей ветви кривой. Очевидно, что более тяже­ лые элементы очень нестабильны и если они в свое время и возникали, то давно прекратили свое существование. Некоторые из таких элементов были получены искусственным путем, время

чисел протонов и нейтронов. Ядро с атомным номером z и мас­ совым числом т содержит т нуклонов, из которых z протонов, а нейтронов т — г. Из 281 стабильных ядер 165 (четно-четные) имеют четные числа протонов и нейтронов; 53 ядра — нечетное число протонов и четное нейтронов; 57 ядер — четное число про­ тонов и нечетное нейтронов и, наконец, 6 ядер — нечетные числа протонов и нейтронов. Четно-четные ядра наиболее устойчивы и, следовательно, наименее склонны к распаду. Элементы, ядра которых относятся к четно-четным: аО16, i2Mg24, i4Si28, огТг18, 26Fe56, составляют 80% земной коры.

Закон радиоактивного распада. Наблюдения показывают, что распад отдельных ядер происходит случайно и независимо от распада других ядер. Количество радиоактивного вещества убы­ вает со временем по экспоненциальному закону:

N = NtfTu . (XI. 2)

Момент времени, когда распадается половина общего числа радиоактивных атомов, называется периодом полураспада Г0,5 при

< -Т о ,6; N/N„ = 0,5

и

Радиоактивная постоянная или константа распада X меняет­ ся в широких пределах для различных веществ и не зависит от внешних условий — температуры, давления, структуры вещества. Если д очень мала, то Г0,5 велико (для урана, например, оно

452

составляет 4,5 ПО9 лет), и уменьше­ нием числа N можно пренебречь. Для некоторых искусственных изо­ топов X ничтожно мало (для радия То,ь = 1,64-10"4 сек). Полураспад изотопов бора, железа и углерода (В12, Fe59, С14) протекает за 0,012 сек, 57 дней и 5700 лет соответственно. Типичная кривая радиоактивного распада дана на рис. 201.

Исследование радиоактивного распада позволило обнаружить два дополнительных ядерных процесса, приводящих к электромагнитному излучению. В некоторых случаях ядро поглощает один из орбиталь­

ных электронов. Процесс этот наиболее вероятен для ближайшей к ядру /(-оболочки и потому называется /(-захватом. В резуль­ тате этого процесса заряд ядра становится на единицу меньше исходного. Электроны на орбитах перестраиваются так, чтобы структура оболочки соответствовала новому атому. В процессе перехода в стабильное состояние происходит испускание харак­ теристических рентгеновских лучей (такое излучение дает радио­ активный хром Сг51).

Второй процесс связан с тем, что после испускания исходным ядром заряженной частицы конечное ядро остается в возбужден­ ном состоянии. Переход в основное состояние происходит путем испускания одного или нескольких квантов. Иногда энергия перехода передается одному из орбитальных электронов путем прямого взаимодействия этого электрона с ядром. Этот процесс называется внутренней конверсией. После испускания электрона внутренней конверсии дочерний атом возвращается в свое нор­ мальное состояние, испуская при этом характеристическое рентгеновское излучение.

Единицей измерения интенсивности радиоактивного вещества является кюри. 1 кюри — это такое количество радиоактивного вещества, которое дает 3,7 1010 распадов за 1 сек. Для целей исследования обычно пользуются меньшими активностями — од­ ной тысячной и одной миллионной кюри — милликюри и микро­ кюри, которые соответствуют 3,7 107 и 3,7 104 распадам за одну

тивных элементов сопровождается излучением главным образом трех типов:

453

мых из ядра со скоростью, примерно равной 1010 см/сек, и энер­

там с атомным номером от 83 до 92 (от висмута до урана). Не­ устойчивые изотопы этих элементов являются естественно радио­ активными и распадаются с а- и р-излучением.

а-лучи, испускаемые однородным радиоактивным веществом, являются моноэнергетическими и, следовательно, имеют опреде­ ленную длину пробега R*. Последняя возрастает с увеличением энергии a-излучения, что выражается следующей зависимостью:

R = &£l/i, (XI. 4)

где R — длина пробега; Е — энергия частицы;

k — коэффициент пропорциональности.

Интенсивность распада находится в прямой зависимости от

где А — константа распада; А и В — коэффициенты, характеризующие данное радиоактив­

ное семейство.

Из приведенных соотношений вытекает, что чем меньше время полураспада изотопа, тем больше пробег а-частицы. В воздухе пробег а-частиц составляет несколько сантиметров, а в алюми­ нии — сотые доли миллиметра.

Торможение а-частиц в веществе определяется взаимодей­ ствием с электронами среды, при этом происходят ионизация атомов и образование иона Не+ или нейтрального атома гелия. В соответствии с этим пробег а-частицы уменьшается с увеличе­ нием порядкового номера элемента, в котором происходит пробег.

Величину пробега в различных веществах можно оценить с помощью эмпирического правила Брэгга — Климэна:

Я = 0,0003-^- А '\

d

Пробег измеряется в сухом воздухе при 15° С и давлении 98 кн/м2 (I атм).

454

онно-химической активностью и поэтому легко обнаруживаются фотографически.

Сильное ионизирующее действие а-частиц на фотоэмульсию и малая величина пробега в ней делают а-излучатели весьма удобными для исследования строения металлов методом авто­ радиографии. К сожалению, наиболее распространенные эле­ менты не имеют изотопов с а-излучением.

Радиоактивное превращение, сопровождающееся р-излуче­ нием, широко распространено как среди естественно радиоак­ тивных элементов, так и искусственных радиоизотопов. При этом естественно радиоактивные элементы испускают только отрицательно заряженные электроны, а искусственно радиоак­ тивные элементы — как отрицательно, так и положительно заряженные.

В отличие от а-частиц, испускаемых с определенной энер­ гией, р-частицы образуют непрерывный спектр энергий, который может быть описан кривой распределения (рис. 202). Макси­ мальная энергия p-излучения является характерной величиной для данного элемента (средняя энергия близка к одной трети максимальной). Так, форма р-спектра показывает, что наиболее вероятное излучение радиоизотопа углерода С14 с максимальной

Точной количественной связи между Етах и временем полу­

455

приводит к тому, что пробег р-частиц в отличие от а нельзя оха­ рактеризовать постоянной величиной. Проникающая способность р-лучей значительно больше, чем а-лучей, и в зависимости от энергии частиц меняется в воздухе от долей миллиметра до не­ скольких метров. Постепенное торможение р-частицы является результатом взаимодействия с электронами среды. Каждый акт взаимодействия вызывает изменение скорости частицы как по на­ правлению, так и величине.

Зависимость пробега р-частиц от энергии трудно установить теоретически. Вследствие сильно выраженного явления рас­ сеяния электрон (в отличие от а-частицы) движется не по пря­ мой линии, а по ломаной. Истинный путь его в 1,5—4 раза больше измеренного (т. е. толщины пройденного слоя). Для определения пробега R пользуются эмпирическими формулами для некоторых значений энергий Е. Например,

R = (0,150,0028) £, для 5- 1(Г15 —24-К Г 15 дае(0,03 —0,15 Мэе);

R = 0,40£ для 2,4 • 10-14— 12,7* 10—14 дж(0,15—0,8 Мэе):

R = 0,542£—0,133, для Е > 12,7-10“ 14 дж{0,8 Мэе).

В отличие от поглощения монохроматического а-излучения поглощение р-частиц имеет сложный характер и лишь прибли­ женно подчиняется экспоненциальной зависимости (закон Бэра):

где г и А — атомные номера и массы соответствующих элементов.

При данной скорости пробег заряженных частиц обратно пропорционален их массам. Поэтому наименьшей ионизирующей способностью и наибольшим пробегом обладают быстрые элек­ троны, что ухудшает условия радиографических исследований.

456

= 1,238-10-10 (X — длина волны, £ — энергия).

Проникающая способность у-лучей при малых удельных по­ терях энергии значительна и составляет в алюминии несколько

457

ки) и последний выбрасывается из атома. Энергия электрона почти полностью равна энергии исходного у-кванта. Атом, поте­ рявший электрон, испускает характеристическое излучение. Фо­ тоэлектрический эффект наблюдается главным образом для у-излучения малой энергии и поглотителя из вещества с большим атомным номером. Если пучок у-лучей направлен под прямым углом к фотоэмульсии, то имеется некоторая вероят­ ность того, что часть энергии фотоэлектронов затратится на ионизацию зерен фотоэмульсии.

2.Эффект Комптона. Возникает в результате упругого взаи­ модействия у-квантов с одним из внешних электронов атома. При этом у-квант отдает электрону часть своей энергии, превра­ щаясь в квант с меньшей энергией. Комптоновские электроны характеризуются непрерывным спектром. Эффект Комптона наблюдается главным образом при средних значениях энергии [до 3,7-10-13 дж (2,3 Мэе)] и поглотителях, состоящих из легких элементов (до алюминия). При прохождении излучения через зерна фотоэмульсии комптоновские электроны малой энергии образуют скрытое изображение.

3.Образование пар из положительно и отрицательно заря­

женных электронов также приводит к возникновению скрытого изображения в крупнозернистых эмульсиях. Эта форма погло­ щения у-излучения играет заметную роль при высоких значениях энергии [больше 1,6* 10-13 дж (1 Мэе)].

Ионизирующее действие у-лучей главным образом обуслов­ лено быстрыми электронами, которые выбиваются у-квантами при прохождении через вещество. В общем случае один у-квант дает столько же ионов, сколько их образует 0- или а-частица той же энергии. Однако вследствие меньшей поглощаемости у-лучей

Эффективность процесса мала. Поток у-квантов вызывает малое почернение фотографической эмульсии, существенно меньшее, чем эквивалентный поток а- и (3-частиц, что затрудняет исполь­ зование у-эмиттеров в авторадиографии.

Из предыдущего ясно, что для исследования строения метал­ лов целесообразно применять преимущественно (3-излучатели или излучатели, дающие одновременно р- и у-излучение. Наибо­ лее распространенными изотопами, которые излучают (3-частицы, являются С14, Р32, S35, Ni63, W185, тритий. р-Излучение, сопро­ вождаемое у-излучением, дают, например, Fe59 и Со60 Некоторые элементы, например Сг51, кроме у-излучения, испускают вторич­ ные рентгеновские лучи в результате ядерного превращения (К-захвата).

458