Landsberg-1985-T3

Оказалось, что искуственно ускоренные быстрые про­ тоны, дейтроны (ядра тяжелого водорода), ядра гелия и ядра других, более тяжелых, элементов способны производить разнообразные ядерные расщепления, аналогичные рас­ смотренной реакции ~-частиц радиоактивного препарата с азотом *). Быстрые электроны и рентгеновские фотоны (по­

лученные торможением электронов, ускоренных до энергий

10 МэВ и выше), также вызывают ядерные реакции. Однако по эффективности, с которой ОНИ производят расщепления, фотоны, а в особеIlНОСТИ электроны, уступают тяжелым частицам (протонам, дейтронам и другим ускоренным яд­

рам).

В настоящее время известно множество различных ядер­

ных реакций; с некоторыми из НIIХ МЫ познакомимся в даль­ нейшем.

Особенно существенным было обнаружение среди про­

дуктов ядерных реакций н е зар я ж е н н ы х (нейтраль­ ных) ч а с т и Ц с м а с с о Й, р а в н о й м а с с е п р о­ т о н а (т. е. приблизительно 1 а. е. м.). На свойствах этих частиц, названных неЙmронд.ми, мы остановимся подробнее в следующем параграфе.

Открытие ядерных реакций имело при н Ц и п и а л ь­ н О е значение: впервые была доказана возможность и с­

к у с с т в е н н о г О п р е в р а Щ е н и я э л е м е н­

т о в. Правда, на первых порах удавалось превратить лишь

ничтожное количество вещества. Это происходит потому.

что число быстрых частиц, даваемых ускорителями или ра­

диоактивными препаратами, сравнительно мало (см. упраж­

нение 38 в конце главы), и. кроме того, только малая доля

этих частиц производит ядерные реакции. Например, одно

ядерное превращение приходится на сто тысяч - миллион

бомбардирующих ~-частиц.

Причину такого малого числа ядерных реакций нетруд­ но понять. Чтобы проникнуть внутрь атомного ядра, нале­

тающая заряженная частица должна преодолеть огромные

силы электростатического отталкивания, ибо и частица, и

бомбардируемое ядро обладают положительным зарядом.

Поэтому ядерные превращения могут производить только

достаточно быстрые частицы, способные преодолеть электро­ статическое отталкивание. Но, двигаясь в веществе, быст­

рые частицы расходуют свою энергию на ионизацию и

*) Вызывать ядерные реакции могут ядра и более тяжелые, чем

а-частицы, если их энергия достаточна для преодоле.ния сил электроста­

тического отта.1кивания. В настоящее время большои интерес привлека­

ют ядерные реакции, вызываемые релятивистскими тяж('.~ыми ионами.

544

снимках нет. Н е й т р о н ы, слеДО1зательно,' н е про и з в 0- дят ЗJ.метноЙ ионизации, Т.е. в отличие от заря­ женных частиц практически не взаимодействуют с электро­ нами. При прохождении через вещество нейтроны взаимо­

действуют только с атомными ядрами, но так как размеры

ядер очень малы, то нейтроны сталкиваются с ними очень

редко (см. упражнение 40 в конце главы). Этим объясняется

способность нейтронов свободно проходить сквозь толстые

(измеряемые сантиметрами) слои вещества (например, стен­ ки источника и камеры в опыте, изображенном на рис. 395).

Как видно нз рис. 395, наибольшую длину следа (а

значит, наибольшую энергию) имеют протоны, выбитые в направлении движения нейтро­

нов, а не под -заметным углом к

He:vтy. Эту особенность нетруд-

110 понять, рассматривая столк­

новения нейтрона с протоном

KeJК удар упругих шаров р а в­

н о й м а с с ы. УдаряеУ!ый шар

J:СТИТ точно вперед только при

л о б о в о м у Д а р е (рис. 396). Но в этом случае ударяющий

шар останавливается, т. е. пе­

редает ударяемому шару в с ю

спою энергию. Движе­

!шю протона под у гл0:\1 к на­

как при столкновении шаров равной массы, и те:'>! ыень­

ше, чем больше различие в массах шаров. В caMQ;11 деле,

при ударе о тяжелый шар легкий шар отскакивает назад,

сохраняя почти всю свою энергию. Тяжелому шару пере­

дается поэтому малая доля энергии легкого шара (см. уп­

ражнение 41 в конце главы).

Аналогия с ударом шаров приводит к следующему вы­

воду. При соударенuях с ядрами нейтронЬ! теряют энергию,

CAL

m. е. за1ftедляются. 331\!едляющее деi\сП3JIе соударений тем больше, Че:\! легче ядро, т. е. Чб! ближе \!асса ядра к ~шс('е

/'/'

i

Рис. 396. Лобовой удар упругих шаров равной массы: а) до удара;

б) после удара. Ударяющий шар останаВ.1ИВ2СТСЯ, переД2В2Я СБОЮ ско­

рость у;rаРЯб!О\!У

Рис. 397. Боковой удар упругих шаров равной массы: а) до удара;

б) удар; в) после УД2ра. Ударяемый шар летит под углом к нача.1ЬНОМУ

направлению движения ударяющего шара и воспринимает ,1ИШЬ часть

энергии последнего

нейтрона. Особенно с и л ь н о е з а м с Д л е н и е п р 0-

§ 221. Ядерные реакции под действием нейтронов. Столк­ новение быстрого нейтрона с ядром в большинстве случаев

приводит к р а с с е я н и юнейтрона, т. е. к изменению

направления его полета и передаче при этом ядру части

энергии. Возможен, однако, и другой результат столкнове­

ния: нейтрон захватывается ядром, и благодаря этому про­

исходит ядерная реакция. Примером ядерной реакции под

действием нейтронов ЯВJlяется расщепление бора:

Ядро бора, захватывая нейтрон, расщепляется на ядра ли­ тия и гелия, разлетающиеся с большой скоростью.

Реакцию бора с нейтронами можно наблюдать, поместив

в камеру Вильсона тонкий слой бора. Облучая камеру быст­

рыми нейтронами, мы увидим на снимках жирные следы

о

1

Рис. 398. Схема опыта по наблюдению расщеп.1ения бора быстрыми (а)

и медленными (6) нейтронами: 1 - источник нейтронов. 2 - тонкая борная пленка в камере ВИ.1ьсона. 3 - парафиновая сфера. Короткие

жирные С.1еды ВЫЗВi1НЫ ядрами ~Li. более д.'Iинные - CG-частицами.

Штриховой линией указан путь одного из нейтронов в парафИIIОDОЙ сфере

ядер лития и гелия, выходящих во все стороны из слоя

(рис. 398, а).

Окружим источник нейтронов веществом. содержащим много водорода, напрамер парафиновой сферой диаметром 15-20 см. Теперь на пути в камеру нейтроны будут испы­

тывать соударения с ядрами углерода (А =12) и, что осо­

бенно существенно, с протонами. При этом, как мы выясни­ ли в предыдущем параграфе, нейтроны будут замедляться и попадут в камеру Вильсона с энергией, во много раз

меньшей своей начальной энергии *). Действие парафина

*) Источники испускают нейтроны с энергией, как правило. свыше 1 МэВ. Двигаясь в бо.1ЬШОЙ ТО.1ще парафина. нейтроны замедляются на­

СТО.1ько, что их энергия снижается до энергии теплового движения ато­

мов среды (0,03-0,04 эВ).

548

будет неожиданным: число следов на Снимках, а значит чис­

ло расщеплений ядер бора, многократно увеличится

(рис. 398, б). Следовательно, чем медлЕ'ННРС НСЙIlZРОНЫ, тем

с большей эффективностью они захватываЮf7lСЯ ядрами u nроuзводят ядерные реаКЦ1Ш.

Помимо скорости нейтрона, эффективность, с которой нейтроны захватываются веществом, заВИСIП еще от рода атомов. Наблюдая прохождение м е Д л е н н ы х нейтро­

нов ч~рез слой бора, обнаружим, что они почти ПОЛIlOстыо задерживаются слоем бора толщиной в доли миллиметра.

Подобные же опыты показывают, что, кроме бора, СПЛЫIЫМИ

поглотателями медленных нейтронов являются кадмий, JIИ­

тай, хлор, сере6ро и др. Напротив, такне вещества, как бс­

рилЛI!Й, тяже,1ая вода, углерод, ваС\IУТ, ПОГЛОЩ;IЮТ мед­ ленные нейтроны крайне С,1а60.

Сильное поглощение ядрюш \1e,·~.1cIlIIblX нсйтронов объ­

ядра за такой КОРОТКИ й промежуток Bpe:11CIJ[!, что CI!:Ibl lIр!!­

тяжеНIIЯ не успевают ОТК,10НИТЬ его и втю!)'ть в Я,1РО. Че:vI

медленнее дважется нейтрон, те\! БО,1ыuес !3РС\[Я JI;IХОJ,IПСЯ ОН под действпем сил притяжения со стороны Я,'~ра I! тем

легче захватывается ЮI. Захват ядрами ЯВ,'шстся 0;1НОЙ из

ПРИЧIIН, почему нейтроны не существуют Дi!llТелыю в С!30-

бодном ВlIде. Второй причиной является р а Л. и о а к т и в­ н о с т ь нейтрона. Опыты показывают, что С!30болный пей­

трон с течением времен!! превращается в протон, испуская

при этом электрон и нейтрино (см. § 230). Период полурас­

р.асщепления, французские фИЗИК!! Фрел.ерик )КолиоКюри

(1900-1958) 11 Ирен Кюри (1897-1955) обнаружили (В

1934 Г.), что во многих случаях про Д у к т ы р а (' щеп­

л е н и й р а Д и о а к т и в н ы. РадиоаКТIIВНЫС всщсст!3а, образующиеся 13 результате ядерных реакций, получили

название искусственно-радиоактивных в ОТЮIЧIlе от ('Ст('ст­

венно-радиоактивных веществ, встречающr!хся в прr!родных

минералах (см. § 211).

Искусственно-радиоактивные вещества могут получать­

ся при весьма разнообразных ядерных реаКЦI!ЯХ. Прrнлером

может служить реакция захвата нейтронов серебром. Для

проведения такой реакции достаточно поместить пластинку

549

серебра поблизости от источника нейтронов, окруженного парафином. Как было указано в § 221, в парафине нейтроны замедляются, а медленные нейтроны легко захватываются

ядрами и вызывают ядерную реакцию. Пластинка серебра не претерпевает под действием нейтронов никаких ВИДИМЫХ из­

менений. Однако мы легко можем убедиться, что какие-то

изменения произошли, если пластинку серебра, подвергав­ шуюся в течение нескольких минут облучению медленными нейтронами, поднесем к газоразрядному счетчику. Счетчик

ком; можно убедиться, что испускаются электроны (~-излу­ чение). При этом обнаруживается, что радиоактивность,

приобретенная серебром, постепенно ослабевает, спадая

вдвое за каждые 2,3 мин. Таким образом, в обычном сереб­

ре образовалось какое-то радиоактивное вещество, обладаю­

щее периодом полураспада в 2,3 мин. Вспомогательные экС­

перименты, равно как и теоретические соображения, пока­

зывают, чтО данная ядерная реакция происходит по схеме

(буква 'У в правой части (222.1) показывает, что при этой реакции испускается 'У-излучение). Образующиеся при этом атомы ивотопа серебра lO8Ag оказываются ~-радиоактивны­

ми и распадаются, испуская электроны и нейтрино (СИ1шол v) *) и превращаясь в атомы устойчивого изотопа кадмия:

108 Аа __ -+ 10В Cd +е- +v

47 1::1 Т=2,3 мин 48

(подпись под стрелкой указывает, что период полураспада

равен 2,3 мин). Радиоактивность изотопа 108Ag объясняет,

почему в природно;v! серебре, прсдстаВ.'1яющем смесь изото­

пов с массовыми числами 107 и 109, не встречается изотоп

с массовым число;v! 108: такой изотоп обладает малой про­

должительностью ЖIlЗНИ и распадается праКТIIчеСЮI пол­

ностью вскоре после образования.

Искусственная радиоактивность - весьма распростра­

ненное явление: в настоящее время получено по нескольку

искусственно-радиоактивных изотопов для каждого из эле­

ментов периодической системы. Общее число известных

искусственно-радиоактивных изотопов превышает 1500, тог­

да К'1К естественно-радиоактивных изотопов существует

*) См. примечание на с. 529.

ccn

лишь около 40, а число устойчивых (hepa,-UlОактивных) ИЗО­

топов равно 260.

естественной радиоактивности,- испускаются также !! ис­

кусственно-радиоактивным!! вещества:vш *). Однако среди

искусственно-радиоактивных веществ часто встречается еще

иной тип распада, не свойственный естественно-радиоактив­

ным эле:чентам. Это - распад с IJспускаш[ем позитронов -

i~ А! +jHe --;> ~~ р 1- n.

При об.'lучении алюминия a-частицаМ!I испускается ней­

трон и образуется изотоп фосфора с массовым числом 30. Естественный фосфор содеРЖ11Т только O,'(!lI! ИЗОТОП С массо­ вым ЧIIС,10М 31. ПО,lучабlЫЙ по приве.lенноЙ реакции изотоп

фосфора ~~p является ра.J)юакп!ВI!ЬШ и распадается с ис­

пускаю[еч позитронов (СЮ1I30Л e~) и I!ейтрино ПО CXe\le

~~p ___---> ;~Si - с с _:-- \' .

Т=2,.:> ~1ИJj

Период полураспада фосфора ~~p равен 2.5 мин; ПРОJ.УJ\То'.!

его распада является устойчивый J!3ОТОП КРб!НIIЯ i~Si.

§ 223. Позитрон. Первые указаIlИЯ на существованпе позит­

ронов, т. е. легких частиц. отличающихся от электронов

только знаком заряда. были получены с помощью камеры

Вильсона в 1932 г. В камере. помещенной в магнитное поле, был замечен тонкий след. оставленный, несомненно, одно­ зарядной очень легкой чаСТlщеЙ. подобной электрону, но изогнутый в сторону, СоотвеТСТВУIСЩУЮ п о л о ж и т е л ь­

н о м у зар я Д у (см. упражнение 45 в конце главы и

рис. 413). В дальнейшем было установлено, что двумя

главными процессами образоваIIIIЯ позитронов являются ис­ кусственная радиоакт[]вность и юапмодействие 1'-квантов БО,lЬШОЙ энергии с ато:vIНЫ~!И ядрами. Первый ИЗ этих про­

цессов "lbI рассмотрели в пре;~ыдущем параграфе.

Для Jlзучения второго щюнесса может быть использо­ вана ка\!ера ВИ,1ьсона. устаНОВ,lеI!ная в \!агнитном поле и

облучаe:v!ая узким пучко:1Л I'-JJ:;лучения. На некоторых СНИМ-

*) Испускание а-частиц I1аб.lюдастоr ТО.1ЬКО у э.1ементов, располо­

женных в конце периодичеСК{JИ систеАIЫ ,\\еНДС.1еевз.

551

ках на пути пучка "У-излучения наблюдаются своеобразные

пар н ы е с л е Д ы. Один такой след изображен на

рис. 399.

При движении в газе заряженная частица теряет энер­

гию на ионизацию атомов газа и ее скорость непрерывно

уменьшается. Но чем меньше скорость частицы, тем сильнее

магнитное поле искривляет ее траекторию (см. § 198).

Рис. 399. Пара электрон - позитрон, образованная у-квантом в камере Вильсона. Левый след принадлежит электрону, правый - позитрону

Внимательное рассмотрение сдеда показьшает, что у каждой

из его ветвей искривление возрастает при удаJ1ении от точки

излома следа. Это доказывает, что мы имеем де.10 не с и з­

л о м а н н ы м следом о Д н о й ч а с т и Ц ы, а со следами пар ы ч а с т и ц, исходящих ИЗ одной ТОЧКИ. ПО степени

ионизации оба сдеда пары подобны следам электронов. Они

заворачиваются магнитным полем в противоположные сто­

роны, т. е. принадлежат противоположно заряженным час­

тицам. Из приведенной совокупностц даuных сдедует, что

552

одна из этих частиц является э л е к т р о н о м, а вто­ рая - поз и т р о н ом.

Итак, проходя через вещество (газ в камере Вильсона),

у-кванты образуют позитроны, и притом не в одиночку, а в паре с электронами. Это явление получило название 06разо­

взаимодействия у-кванта с электрическим полем одного из

атомных ядер вещества; у-квант при этом превращается

в пару электрон - позитрон, а ядро остается без изме­

нений.

Используя радиоактивные вещества в качестве интен­

сивных источников позитронов, удалось детально изучить

свойства последних. В частности, было доказано, что масса

позитрона в точности равна массе электрона, т. е. состав­

ляет примерно 112000 массы протона.

Рис. 400. Объединение позитрона с электроном, порождающее у-кван­

ты: а) электрон и позитрон притягиваются друг к другу; б) в рсзу.%тате

соударения электрон и позитрон превраТИЛIIСЬ в два у-кванта

Был обнаружен также и процесс, обратный образова­

нию пар; оказалось, что электрон и позитрон, сблизившись

под действием сил электрического притяжения, могут п р е­

в р а т и т ь с я в два у-кванта, которые разлетаются в про­

тивоположные стороны (рис. 400). Процесс объединения электрона с позитроном, сопровождающийся превращением

их в у-кванты, получил название а н н и г и л я Ц и и *).

Аннигиляция является причиной отсутствия на Земле по­ зитронов. Каждый позитрон через ничтожное время после

своего образования соединяется с одним из электронов сре­

ды, превращаясь в два у-кванта.

*) Аннигиляция - довольно неудачное название, происходящее

от латинского nihil - ничто,

55]