Для целей терапии употребляют радиоактивные препараты, испус
кающие 'У-излучение, так как последние без заметного ослабления про никают внутрь организма. При не слишком больших дозах облучения раковые клетки гибнут, тогда как организму больного не причиняется
существенного ущерба. Следует отметить, что радиотерапия рака, так же
как и рентгенотерапия, отнюдь не является универсальным средством,
всегда приводящим к излечению.
Чрезмерно большие дозы радиоактивных излучений вызывают тя желые заболевания животных и человека (так называемая л у ч е в а я б о л е з н ь) и могут привести к смерти. В очень малых дозах радиоак тивные излучения, главным образом а-излучение, оказывают, напротив, стимулирующее действие на организм. С этим связан целебный эффект радиоактивных минеральных вод, содержащих небольшие количества
радия или радона.
2. Светящиеся составы. Люминесцирующие вещества светятся под
действием радиоактивных излучений (ср. § 213). Прибавляя к люминес
цирующему веществу (например, сернистому цинку) очень небольшое
количество соли радия, прнготовляют постоянно светящиеся краски.
Эти краски, будучи нанесены на циферблаты и стрелки часов, прицель ные приспособления и т. П., делают их видимыми в темноте.
3. Определение возраста Земли. Атомная масса обыкновенного свин
ца, добываемого из руд, не содержащих радиоактивных элементов, со
ставляет 207,2. Как видно из рис. 389, атомная масса свинца, образую
щегося в результате распада урана, равна 206. Атомная масса свинца,
содержащегося в некоторых урановых минералах, оказывается очень
близкой к 206. Отсюда следует, '<то эти минералы в момент образования
(кристаллизации из расплава или раствора) не содержали свинца; весь нали чный в таких минералах свинец накопился в результате распада ура
на. Используя закон радиоактивного распада, можно по отношению ко
личеств свинца и урана в минерале определить его возраст (см. упраж нение 32 в конце г.павы).
Определенный таким методом возраст минералов различного про
J!схождения, содержащих уран, измеряется сотнями миллионов лет.
Возраст древнейших минералов превышает 1,5 миллиарда лет. Возрастом Земли принято считать время, прошедшее с момента об
Рi1зования твердой земной коры. По многим измерениям, основанным на радиоактивности урана, а также тория и калия, возраст Земли превыша
ет 4 миллиарда лет.
§ 217. Ускорители. Пучки быстрых CG-частиц, даваемые ра
диоактивными препаратами, оказались незаменимым сред
ством зондирования атомов (§ 203). Пожалуй, еще большую
роль сыграли пучки быстрых частиц в изучении а т о м
Н ы х я Д е р (гл. XXIV). Однако для исследования атом ных ядер понадобились заряженные частицы более быстрые, в большем числе и в большем ассортименте (не только CG-ча
стицы и электроны, но также протоны, дейтроны *) и ядра
всех ХИ~1Ических элементов), чем могут дать радиоаКТlIвные
препараты. Для удовлетворения этой потребности были раз
работаны различные типы так называемых ускорителей-
*) Дейтронами на;зывают ядра Тяжелого водорода (дейтерия),
приборов для искусственного ускорения заряженных частиц
до больших энергий.
История ускорителей ведет начало с 1932 г., когда со трудники Резерфорда - английский физик джон Кокрофт (1897-1967) и ирландский физик Эрнест Уолтон
(р. 1903) - построили установку для получения протонов с
энергией до п о л у м и л л и о н а электронвольт. За истек шие годы техника ускорителей достигла большого развития:
в настоящее время существуют приборы, сообщающие части
цам энергию в с от н и м и л л и а р до в электронвольт.
Рис. 390. Общий вид вакуумной камеры циклотрона
Чтобы сообщить заряженной частице энергию, доста
точно заставить ее пройти ускоряющую разность потенци алов. Увеличивая эту разность потенциалов, мы увеличим энергию частицы. Нельзя, однако, идти по этому пути очень далеко из-за опасности пробоя изоляции при высоком напряжении. Практическим пределом является напряжение
5-8 .мВ (мегавольт). Напряжения такого порядка получа
ются с помощью |
э л е к т р о с т а т и ч е с к и х г е н е |
р а т о р о в (см. |
том 11, § 31). |
Чтобы преодолеть этот предел, поскольку разность по
тенциалов свыше 8.мв осуществить невозможно, остается
ускорять частицы о Д н о й |
и т о |
й ж е разностью потен |
циалов Jllногократно. Идея |
м н о |
г о к р а т н о г о уско |
рения заряженной частицы сравнительно небольшой раз ностью потенциалов и лежит в основе большинства совре менных ускорите.'IеЙ. Примером осуществления этой идеи служи так называемый циклотрон, предложенный в 1936 г.
американским физиком Эрнестом Лоуренсом (1901-1958).
Принцип действия циклотрона состоит в следующем. Два полых электрода (называемых дуанта.мu) монтируются в непрерывно откачиваемой до высокого вакуума камере и помещаются между полюса:I1И сильного магнита (рис. 390-
392). К ду;-штам прикладывается быстропеременная раз
ность потенциалов. В центре камеры между дуантами
Рис. 391. Общий ВИД циклотрона, |
ускоряющего протоны до |
энергии |
25 МэВ; 1 - вакуумная Ka~Iejla, |
2 - ярмо Э.lеКТjlШlагнита, |
3 - по |
люсы Э.lектромагнита с lIадеты~ш на них намаГННЧ/Ш<1ЮЩИМ/I uбмотками
устанавливается источник ионов (например, газовый раз
ряд в атмосфере водорода) (рис. 392). В те полунериоды
пере:vrенного тока, когда электрическое поле направлено
от дуанта 1 к дуанту 2. из щели источника 3 вытягиваются
положительные ионы. Проходя промежуток между дуанта МИ, ноны приобретают нскоторую энергию, зависящую от
разности IJотенциаJ10В между дуантами. В поле магнита ионы движутся по окружности (§ 198). Замечательной осо
бенностью движения в однородном rvIагнитно~! поле является нсзависимость времени обращения от
с к о р о с т и ч а с т и Ц ы, так как с увеличением скоро
сти частицы увеличивается и радиус круговой траектории
частицы. Действительно, согласно (198.1) радиус окружно сти, описываемой частицей в поле В, r = тv/qB.
Отсюда время одного оборота равно
2лг 2л ти 2лт
1:"= - = -- = --
v v qB qB '
т. е. при постоянных т, q и В время 1:" не зависит от v, а
значит, и. от энергии частицы.
Пусть период пеРбlенной разности потенциалов, прило
женной к дуантам, в т о ч н о с т и р а в е н в р е м е н и
Рис. 392. Схе~1a КЮlеры цик:ютрона: 1, 2 - дуанты. Дуанты представ
ляют собой нечто вроде ПО.lОВИНОК очень п.l0СКОЙ консервной банки, разрезанной по Дllаметру; 3 - IlСТОЧНИК ионов, 4 - вводы переменного напряжения на дуанты, 5 - пластина, заряженная отрицате.1ЬНО и С.1У жащая для отклонения ускорениых ионов в окно 5, через которое уско
ренный пучок выводится наружу. Штриховая СПllра.1Ь - траектория
иона
о б Р а щ е н и я 1:". В этом случае, когда пон, описав полу оборот в дуанте 2 (рис. 392), подойдет во второй раз к за
зору между дуантами, электрическое поле в зазоре будет
направлено уже от 2 к 1, т. е. по направлению движения иона. Следовательно, пройдя зазор, ион удвоит свою энер гию. Описав теперь полуоборот в дуанте 1, ион встретит
в зазоре nOJIe, направленное снова от 1 к 2, и еще увеличит
свою энергию и т. д.
По мере увеличения скорости иона радиус его траекто рии возрастает СОГ.1асно (198.1). Траектория иона в цикло
троне напоминает поэтому раскручивающуюся спираль. Не
трудно, используя (198.1), рассчитать энергию ионов, ока
завшихся в результате ускорения на расстоянии R от ис-
точника:
Из-за явления магнитного насыщения железа (см. том 11, § 150) магнитная индукция поля в циклотроне не может превысить 1,5 Тл. Поэтому для увеличения энергии частиц
Рис. 393. Вид участка кольцевого зала серпуховского ускорителя на 76 ГэВ: диаметр орбиты 472 м, масса железа в магните 20000 т
приходится увеличивать радиус полюсов магнита. Так, в циклотроне, дающем пучок протонов с энергией около
400.мэв, диаметр полюсов магнита равен 4,5 м.
Когда кинетическая энергия ускоряемой частицы стано ВJ1Тся не малой по сравнению с энергией покоя частицы
mос2, начинает сказываться зависимость массы частицы от ее энергии. По мере ускорения масса частицы растет, а с ней растет период обращения т. Период обращения становится больше периода ускоряющего переменного напряжения,
врезультате чего частица выпадает из такта и перестает
ускоряться. Некоторое время считаЛQСЬ, что рост массы со
скоростью ограничивает предельную энергию частиц, уско
ряемых в циклотроне, величиной 100 МэВ. Советский физик
Владимир Иосифович Векслер (1907-1966) открыл в 1944 г. важное усовершенствование принципа действия циклотро
на, позволившее обойти трудность с непостоянством массы
частицы. Это открытие сделало возможным получение час
тиц, ускоренных до энергий в миллиарды электронвольт.
На рис. 393 приведена фотография участка кольцевого зала
ускорителя, ускоряющего протоны до энергии 76 миллиар
дов электронвольт.
? 22.Емкость lJИТИ счетчика и присоединенных к ней тел равна 8 10 пФ (1 пФ=10- 12 Ф). Сколько пар ионов образуется при разряде в счетчике, если электрометр (рис. 383) показывает 10 В? (Утечкой заряда через большое сопротивление R за время
разряда и отброса электрометра можно пренебречь.)
23.Скорость а-частицы в среднем в 15 раз меньше скорости ~-частицы. Объясните, почему а-частицы слабее отклоняются
магнитным полем. (Сравните радиусы траекторий а- и ~-частицы
водном и том же ШJГНИТНОМ поле.)
24.а-частица с энергией 5 МэВ создает в воздухе около 150 000
пар ионов. Найдите ионизационный ток, создаваемый препара том, испускающнм 100 а-частиц в 1 с. (Все ионы собираются на
электроды.)
25. Почему при измерениях ионизационного тока с помощью
эnектрометра (рис. 368) употребляют очень большие сопротив
ления R (108_1012 Ом)?
26. Емкость электрометrа в установке, изображенной на
рис. 386, равна 10 пФ (10- 1ф). В собирающий цилиндр попадает
100000 электронов в 1 с. Через сколько времени электрометр отклонится на одно деление, если цена деления равна 0,1 В?
27.Определите напряженность электрического и индукцию маг нитного полей в приборе, изображенном на рис. 387, при которых частица с энергией 100 кэВ движется в том и другом поле по окружности радиуса 20 см. Вычисления проделайте для а-ча
стицы и для ~-частицы.
28.1 г радия испускает 3,7 ·1010 а-частиц в 1 с. Сколько электро
нов в 1 с испускает RaE, накопившийся за длитеЛЬное время в 1 г радия?
29.Сколько а-частиц испускает в ] с 1 г радия вместе со своими
продуктами распада? (См. упражнение 27.)
30.Вычислите объем гелия (при нормальных условиях), нако
Пi!вшийся за месяц в результате распада 1 г радия с потомками. 31. Считая энергию а-частицы равной в среднем 5 МэВ, а энер
пво В-частицы равной в среднем 0,5 МэВ, найдите количество
теплоты, ВЫДС,1яемои D 1 мин 1 r радия с потомками (см. упраж-
SЗ9
нение 27). до какой температуры нагреется препарат за минуту,
если теплоемкость его равна 4,18 Дж/К? (Выходом ~-частиц за
пределы препарата, а также теплоотдачей ПОСJlеднего прене6речь.)
32. Период полураспада полония 210 РО - 140 дней. Испуская
а-частицу, полоний превращается в стабильный свинец. Найдите, сколько свинца выделит за 100 дней 1 мг ПОJIOНИЯ.
33.Определите возраст минерала, в котором на один атом урана
приходится: а) один атом свинца; б) 0,2 атома свинца.
34.Найдите период "t переменного напряжения, ускоряющего
ПРОТОIIЫ в циклотроне. Магнитная индукция поля равна 1,5 Тл.
35. Протоны выпускаются из циклотрона, достигнув радиуса
R= 100 см. Какова их энергия, если В= 1,5 Тд. Сколько оборотов
вединицу времени делает протон, испущенный ионным источником
вмомент, когда разность потенциалов меЖдУ дуантами состав
ляет 100 кВ?
Гл а в а XXIV. АТОМНЫЕ ЯДРА
ИЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ
§218. Понятие о ядерных реакциях. В предыдущей главе
мы познаКОШIЛИСЬ с кругом |
явлений р а Д и о а к т и в |
Н О С Т И. |
МЫ убеДI!ЛИСЬ, что атомные ядра радиоактивных |
элементов |
н е у с т о й ч и в ы, |
т. е. с течеНИб! времени они |
распадаются, испуская а- ИЛИ ~-чаСТ!IЦЫ и превращаясь в
ядра других Э.'Iементов. Эти факты доказывают, что атО.нные
ядра, несмотря на свои ничтожные раз:vrеры, являются слож
НЫ.ии часtlllща:nи, nостроенны.ни из других, более простых частuц. Как было уже отмечено, радиоакТI!ВНОСТЬ не только
свидетельствует о сложно:vr строении aTO~!НЫX ядер, но так
же дает средства для I13учения этого строеная.
Одни;.,! нз таких средств являются быстрые а-частицы,
способные ПРОН!lкать внутрь легких ядер а р а с Щ е п
л я т ь их на части. РасщеП,lение aTO\IНOГO ядра под дейст вием а-частиц впервые наб,lюдал Резерфорд (в 1919 г.).
Продолжая опыты, описанные в § 203, он за:vrетил, что при
облучении а-частицами азота, бора и других эле:.лентов
в о з н и к а ю т н о в ы е ч а с т и Ц ы, также создающие
сцинтилляции, но отличающиеся от а-частиц БО,lьшей про
никающей способностью. С ПО!l!ОЩЬЮ \lагнитного отклоне
ния и других :vreToдoB удалось установить заряд и массу, а
тем caMbI:vr природу этих частиц. Они оказались б ы с т р о
Д в и ж у Щ и :'1 И С Я |
Я Д Р а м и а т о м о в |
в о Д о р о |
д а. (Напо\ши:vr, что ядро водородного атома, |
или, как его |
называют, |
протон, |
обладает массой, очень |
близкой к |
I а. е. м., |
и зарядом +е.) |
|
Процесс испускания протонов был изучен с помощью ка
черы Вильсона. Внутрь камеры Вильсона, заполненной
а з о т о м, помещался а-радиоактивный препарат. Пери
одически производилось расширение камеры и фотограф!
рование получающейся картины. На снимках наблюдался
веер следов а-частиц, исходящих из препарата (рис. 394, а).
В подавляющем большинстве следы прямолинеЙны. В неко
торых случаях, однако, след а-частицы на некотором
расстоянии от конца nробега образует «вилку» (схема на
рис. 394, 6) - разветвляетси на два неравных следа, из ко
торых длинный (р) т о н ь ш е, а короткий (О) ж и р н е е
следа а-частицы. Образование такой «виЛIШ» нельзя объяс
нить иначе, как результатом соударения а-частицы с ядром
атома азота.
а)
о
А
Рве. 394. Расщепление ядра аЗ01 а а-частицей в каыере Вильсона; а) фотографии следов в камере; б) схема следов ~вилки»; а-С.1ед а-ча
спщы, ето.lкнувшеЙся в ТОЧI{е А с ядром азота, f1 I.! 0 - след.ы продук-
тов расщеплении - протона н ядра кислород.а -
реакций.
м е н т о в.
Опираясь на наблюдения Резерфорда, мы должны при
писать один из следов «вилки» протону. Ввиду меньшего заряда протон действует на атомные электроны с меньшей силой, чем а-частица. Поэтому протон ПРОизводит меньшую ионизацию на единице пути и образует в камере Вильсона более тонкий след. Более жирный след принадлежит части
це, ионизующей сильнее а-частицы и обладающей, следова
тельно, большим зарядом.
Природу этой частицы можно установить, I1СПОЛЬЗУЯ
законы сохранения заряда и ~.laccы. До соударенr!я мы име
ли две частицы: 1) а-частицу (т. е. ядро атома гелия) с заря
дом +2 единицы и Ш1ССОЙ 4 единицы и 2) ядро атома азота с зарядом -1- 7 едшшц и массой 14 единиц. Суммарный заряд
равен +9 единиц, суммарная масса 18 единиц. После со
ударения также имеются две частицы, одна из которых
является протоном (т. е. ядром атома водорода) с зарядом + 1 и массой 1. На долю второй частицы остается заряд +8
имасса 17.
Восьмым элементом периодической Системы является
кислород. Таким образом, рассматриваемая «вилка» указы
вает на явление п р е в р а Щ е н и я я Д е раз о Т а и г е л и я в я Д р а к и с л о р о Д а и в о д о р о Д а.
Вслед за ОТКРЫТИб! Резерфорда были найдены и другие
подобные процессы, в которых происходит п р е в р а Щ е
н и е я Д е р (а слеДоватеJIЬНО, и а т о м о в) о Д н и х
э л е м е н т о в в я Д р а (а т о м ы) Д р у г и х э л е
Такие процессы получили название ядерных
Символически ядерная реакция азот + гелий = кисло
род + водород записывается следующим образом:
(218.1)
При такой записи реакции верхняя строка цифр представ
ляет запись условия с охр а н е н и я м а с с ы (14+4= =17+1), а нижняя-условия сохранения .зар я
Д а (7+2=8+1).
§ 219. Ядерные реакции и превращение элементов. Изуче
нию ядерных реакций очень способствовало изобретение
приборов для сообщения ВЫСОКОй энергии заряженньш час тицам - ускорителей (см. § 217). Ускорители создают ин
тенсивные пучка заряженных частиц, ускоренных до энер
гий, не только равных, но и во много раз превосходящих
энергии частиц радиоактивных излучений.
