Landsberg-1985-T3

51 !ЗлеНIIЯ образования пар электрон - позитрон из i'-квантов и объединения электронов с позитронами, ведуще­ го к образованию двух у-квантов, представляют собой про­

цессы совершенно н о в о г о типа, в которых происходит

взаимное nревращение электро.магнитного поля излучения

(у-кванты) и частиц вещесtn8а (электроны и позитроны).

Свойства частиц и свойства электромагнитных полей (света) во многих отношениях сильно отличаются. Наиболее разительно это отличие свойств сказывается в том, что все

окружаЮЩИf> нас тела построены из частиц; свет же, каза­

лось бы, выполняет только функции передачи энергии от

одних тел другим. Ввиду этого еще в начале нашего века представлялось, что между светом (электромагнитным по­

лем) и веществом лежит непроходимая пропасть. В дальней­

шем были открыты квантовые свойства света - оказалось,

что свет совмещает со свой'ствами волны также и свойства

потока частиц, фотонов. С другой стороны, у частиц веще­

ства были обнаружены волновые свойства (см. §§ 209, 210),

которые раньше считались отличительным признаком света.

Уже эти открытия уменьшили разрыв в наших представле­ ниях о свете и веществе. Теперь же, после обнаружения вза­

имных превращений света (у-кванты) и частиц вещества (пары электрон - позитрон), стало ясно, что между светом

ивеществом имеется глубокое единство: частицы вещества

ифотоны (электромагнитные поля) - это две различные формы материи. Как мы отмечали раньше (см. § 200), фото­

ны, обнаруживая много черт сходства с другими частицами,

характеризуются и важной отличительной чертой: их м а с­ с а п о к о я р а в н а н у л ю. Фотон всегда движется со скоростыо света. При остановке, например при поглощении,

свет как таковой перестает существовать.

§ 224. Применение закона Эйнштейна к процессам анниги­ ляции и образования пар. Согласно соотношению (199.1)

покоящаяся частица обладает внутренней энергией ~Hep­

их энергия покоя полностью превращается в электромаг­

нитную энергию двух у-квантов. Энергия покоя электрона

и энергия покоя позитрона равны каждая тс2 , где т= =0,911·10-30 кг. Энергия каждого из у-квантов равна hv.

По закону сохранения энергии должно быть, следовательно,

2hv = 2тс2,

554

т. е.

/jV = mс2 = 0,911.10-30. (3·108)2 = 8,2.10-14 дж=

= 8,2· 10-НЮ ,6.10-19) эВ = 0,51 ·106 эВ = 0,51 МэВ.

Таким образом, энергия каждого из 'У-квантов, IIспускае­

мых при аннигиляции электрона и позитрона, должна со­

ставлять 0,51 МэВ. Измерения энергии образующихся

'У-квантов прекрасно согласуются с этим выводом.

При образовании 'У-квантом пары электрон - позитроЧ энергия 'У-кванта hv превращается в энергию покоя и кине­

тическую энергию частиц. Применяя закон сохранения

энергии, имеем

ILv=2mc2 + WK ,

где W R - суюraрная кинетическая энергия электрона и по­

зитрона.

Используя предыдущие вычисления, можем написать

hv= 2.0,51 + WK = 1,02 МэВ+ WK •

Так как кинетическая энергия всегда положительна, то об­

разование пар может происходить только под действием у-квантов с энергией, большей чем 1,02 МэВ. Опыт подтвер­

ждает этот вывод, а также полученную выше связь между

энергией 'У-кванта и кинетической энергией пары электрон­

позитрон.

ных ядер очень близки всегда к Ц е л о м у числу атомных единиц массы. Напрашивается вывод, что атомные ядра по­ строены из частиц приблизительно единичной массы. Та­ кими частицами являются про т о н и н е й т р о н.

На первый взгляд кажется, что, помимо нейтронов и

протонов, ядра должны содержать также поз и т р о н ы

и э л е к т р о н ы, ибо многие ядра (ядра радиоактивных

изотопов) испускают эти частицы. Однако детальный ана­

лиз различных свойств ядер застаВ.'Iяет признать, что в них

отсутствуют как таковые и позитроны, и электроны.

Так, некоторые искусственно-радиоактивные вещества (например

ны. Часть атомных ядер такого вещества при распаде превращается в предыдущий элемент периодиче,ской системы с испусканием позитрона,

555

тогда как другая часть ядер того же вещества превращается в следую­

щий элемент с испусканием электрона. Ядра такого вещества, казалось бы, должны содержать в своем составе как позитроны, так и элеКТРОНqI*). Но одновременное существование позитронов и электронов в объеме я дра противоречит свойству этих частиц объединяться, превращаясь

1'\ пару у-квантов.

Но если ПОЗIIТРОНЫ и электроны в готовом виде в ядре

не присутствуют, то, очевидно, в процессе распада ядра,

сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, они об­ разуются з а н о в о за счет превращений внутри ядра. При этом при вылете позитрона (положительного заряда) один из протонов превращается в нейтрон, а при выл~те

электрона (отрицательного заряда), наоборот, один из ней­ тронов делается протоном. Допущение об образовании

электронов и позитронов Прll радиоаКТIIВНQ:lЛ распаде тем

более естественно, что образование этих часТlfU наблюдается,

Справедливость протонно-нейтронной :>.юдел!! ядра была доказана работам!! ряда ученых.

Поскольку массовое число протона и нейтрона есть еди­

ница, м а с с о в о е ч и с л о я Д р а равно п о л н о :>'1 У

числу частиц (протонов и нейтронов) в составе ядра. Заряд

же ядра, выраженный в элементарных единицах, равен, очевидно, ч и с л у про т О н о в в ядре. ТеiКИМ образом, согласно протонно-нейтронной модели, атомное я Д р о

ядро кислорода l~O COCTOJIТ из 8 протонов и 16-8=8 ней­ тронов. Ядро изотопа свинца 2~gPb содержпт 82 протона

и 206-82=124 нейтрона и т. д.

Простейшим атомным ядром является ядро водорода, т. е. протон. ПрисоеДJIНЯЯ к протону нейтрон, получим

самое простое из составных ядер - дейтрон, или ядро тя­ желого водорода (обозначается iH или D).

Прибавляя еще один IIейтрон, образуем ядро еще более

тяжелого изотопа водорода, называБЮГО тритием ан,

*) Опыты обнаруживают полное совпадение всех свойств (заряд,

масса и т. д.) В С е х атомных ядер даНIIОГО изотопа. Такое полное совпа­

дение свойств говорит о тождественности таких ядер. Нельзя поэтому

допустить, что, например, одни пдра 64Си содержат электроны, а дру­

гие - позитроны.

556

или Т). Тритий относится к ЧИСЛУ искусственно-радиоак­

тивных веществ; он распадается с периодом полураспада

около 12 лет, испуская электроны. В результате распада

трития образуется ядро с массовым числом 3 и зарядом

2 - легкий изотоп гелия ~He, состоящий из двух протонов 11 нейтрона. Этот изотоп устойчив и содержится в очень

малой пропорции в природном гелии. Ядро ОСНОВНОгО изотопа гелия ~He (u.-частица) образуется добавлением еще одного нейтрона. u.-чаСТllца содержит, таким образом, два

протона II два llеЙтрона.

Продолжая унеЛlIчивать Ч][СlО нейтронов и протонов

в ядре, мы получи" все существующие аТомные ядра. Со­

став наиболее легких ядер (до кислорода включительно)

указан на диаграмме рис. 401. Как видно из диаграммы, ус­

тойчивые (нерадиоактивные) л е г к и е я д р а с о Д е р­

ж а т п р II :VI е р н' о р а в н ы е к о л и ч е с т в а н е й-

тронов и протонов.

В тяжелых ядрах имеется некоторый перевес в числе

нейтронов; так, в ядре свинца нейтронов примерно в пол­

тора раза больше, чем протонов. Соотношение чисел ней­

тронов и протонов, которое осуществляется в устойчивых ядрах, является наиболее выгодны',,!, придающим ядру наи­

большую прочность. Отступления от этого соотношения де­ лают ядро н е у с т о й ч и в ы м. Если в ядре слишком много нейтронов, то ОДИН из нейтронов превращается в про­

ТОН, т. е. ядро распаЛ,ается с испусканием электрона (при­

мер: 19Be-+ l~В+е-') \'). Напротив, если в ядре избыток

протонов, то один из протонов превращается в нейтрон, ис­

пуская позитрон (пример: l~C -+ 19B+e+ +у).

Поскольку ядерные частицы - протоны и нейтроны­

прочно удерживаются в ядрах, между ними должны дейст­

вовать с и л ы при т я ж е н и я. Эти силы должны быть

достаточно велики, чтобы противостоять грандиозным си­

лам взаюIНОГО электростатического отталкивания протонов,

сближенных на расстояние порядка размеров ядра (10-14- 10-1~ м). Особые силы, вОЗНl1Iшющие при сближении ядерных чостиц (протонов, нейтронов) на Ашлые расстояния и связы­

вающие эти частицы в ядра, получили название ядерных

сил *).

С действием ядерных сил '"lbI встречались уже при изуче­

нии захвата медлеllllЫХ нейтронов ядрами (§ 221). Ядерные

силы проявляются И во всех других ядерных процессах ~

*) Как показывает изучение ядер, ядерные силы притяжении дейст­

вуют между любой парой частиц - двумя протонами, двуми нейтрона­

ми и протоном и нейтроном (подробнее см. § 232).

557

l/исло неаmроно8 А - Z

Рис. 401. Диаграмма атомных ядер (до кислорода включительно). Жирными лини ями очерче­ ны устойчивые изотопы. В клетках указаны: для устойчивых изотопов процентное содер'

жание; для радиоактивных изотопов период полураспада. Стрелки указывают, в какое ядро

превращается радиоактивный изотоп

при ядерных реаКU!IЯХ и в явлеН!!5iХ радиоактивности.

Хотя в настоящее время МНОГlfе свойства ядерных сил по­ дробно !!Зучены, точные законы их деЙСТВI!Я все еще не вы­ яснены. Установление этих законов является одной из uентральных задач современной атомной фИЗИКИ.

§ 226. Ядерная энергия. Источник энергии звезд. На

протяжении курса физики мы познакомились с различньГYIИ

формами энеРГJIJl, способными превращаться друг в друга. Сюда относятся кинетическая энергия движущихся тел,

потенuиальная энергия тел в поле сил тяготения, энергия

электромагнитных полей, внутренняя энергия тел и т. д. Изучение ядерных превращений свидетельствует о сущест­ вовании еще одной формы энеРГI!И - так называемой

ядерной энергиu *). Ядерная энергllЯ - это энергия, запа­

сенная в ато.ННЫХ ядрах u переходящая 8 другие виды энергии

при ядерных превраu{енuях - при радuошстuвноон распаде

ядер и ядерных реакциях. Ядерная энергия проявляется

при л ю б ы х превраще!!!IЯХ ядер.

Расо!Отрш! в качестве при\!еров яцерные реакuии а-час­ тиuы с берилmrб! и азот()\л, с КОТОРЬШИ у!ы познако:>.шлись

Измерения показывают, что кинетическая энергия продук­ тов этой реаКUШI б о л ь ш е (на 5,7 МэБ) ЮlНеТllческой

энерГИII исходных ядер. В этой реакции происходит, сле­

довательно, превращеНllе скрытой ядерной энеРГIIИ в кине­

тическую.

Б реакuии (218.1)

l;N -1 ~He ----+ l~O +~H

СУМуlарная кинетическая энергия ядра кислорода C~O) и

30~1, в этой реакщш, наоборот, !(инетическая энергия пре­

вращается в ядерную; зсшас послецней в продуктах реакuии

больше, Чбl в исходных ядрах.

Ядерная энергия, переход>rща>r в кинетическую или обратно, мо­

жет быть вычислена, если известны точные вначения масс всех участ·

вующих в реакции ядер. Действительно, по закону сохранения энергии

*) Вместо термина «ядерна>r энергия» часто употребляют менее точ­

ный термин «атомная энергия».

559

она в м и л л и о н р а 3 б о л ь ш е. Большой масштаб

энергии ядерных процессов обусловлен громадной величи­

ной я Д е р н ы х с и л (см. § 225).

Ядерные превращения, в которых запасы скрытой ядер­

ной энергии переходят в другие виды энергии, играют боль­ шую роль в природе, а с 40-х годов нашего века и в технике.

Простейшие из таких превращений - это явления радио­ активного распада. Как отмечалось в § 215, энергия радиоак­

тивных излучений превращается в конечном счете в тепло.

Радиоактивное тепло имеет важное геологическое значение:

распад содержащихся в земной коре урана, тория и калия

является тем источником энергии, который обеспечивает вы­ сокую температуру в недрах Земли. Однако значение ес­

тественной радиоактивности как технического источника энергии ничтожно: все сколько-нибудь распространенные на Земле радиоактивные элементы распадаются слишком

медленно, и способов ускорить их распад пока не сущест­

вует.

В отличие от радиоактивности при ядерных реакциях

скорость выделения энергии может изменяться в широких

пределах, а выделяемая ЭIIергия достигать грандиозных

величин. Ядерные реакции являются единственным из из­

вестных источников, обладающих достаточным запасом

энергии, чтобы поддерживать лучеиспускание звезд в тече­

ние всего времени их существования, т. е. миллиарды лет.

Как показывают астрофизические данные, в недрах звезд

господствуют температуры, измеряемые миллионами и де­

Сятками миллионов градусов. При таких температурах

атомы почти полностью ионизованы; вещество находится в

состоянии, называемом плазмой, т. е. представляет собой

газ из электронов и «голых» атомных ядер, хаотически дви­

жущихся с огромными скоростями. Скорости хаотического

движения так велики, что, несмотря на электрическое от­ талкивание заряженных ядер, между ними происходят

столкновения, приводящие к ядерным реакциям.

При достаточно высокой начальной температуре звезды

число реагирующих ядер будет очень велико. Приток

освобождающейся ядерной энергии покроет потери энергии

на световое излучение, и звезда не будет остывать или даже

будет нагреваться. В этом случае ядерная реакция, начав­

шись, обеспечивает условия для своего продолжения (т. е.

поддерживает высокую температуру среды). Она будет

продолжаться поэтому, пока не истощится запас «ядерного

горючего», т. е. пока не будут использованы способные реа­

гировать ядра.

561

«Ядерным горючим» могут служить бериллий в сочетании с гедием (реакция (226.1 )), литий, тяжедый водород и другие вещества. Но все

э-ти вещества содержатся в звездах в относите,lЬНО малых количествах

и могут ЯВ.'Iяться источником энергии только на отдельных сравнитмь­

но коротких этапах эволюции звезды. В настоящее время принимается, что основным «ядерным горючим», способным обеспечивать звезды энер­ гией в течение многих МИJI.1IИардов .1ет, ЯВ,lяется водород.

Водород - главная составная часть звездного вещества. Опыты и

теория ядерных реакций показывает, что путем нескольких последова­ тельных ядерных реакций водород способен превращаться в гелий. Сум­ марный резу,~ьтат этих реакций выражается уравнением

4iH ~ ~He+ 2е+ + 2\',

т. е. четыре протона образуют ядро гелия, два позитрона и два нейтри­ но. При этом выде.lяется энергия (с учетом аннигиляции позитронов)

около 27 1\1.эВ, т. е. около 650 ~1И,'Iлиардов джоулей на о Д и н г р а м м

в о Д о р о Д а (!).

Превращение водорода в гелий служит по современным представ­ лениям источником ЭIIергии звец, в том числе и"нашего Солнца. Нетруд­ но подсчитать, что расход водорода Солнцем за 100 лет состаП.lяет всего лишь около одной ми.1ЛиардноЙ доли массы Солнца *).

Ядерную реакцию, идущую за счет высокой температу­

ры среды, называют т е р ,,1 О Я Д е р н о Й. Встает вопрос,

как «поджигаются» термоядерные реакции в звездах. Веро­

ятной причиной первоначального нагрева, «поджигающего»

реакцию, является сжатие звездного вещества под дейст­

вием сил тяготения, т. е. превращение потенциальной

энергии тяготения во внутреннюю энергию.

Освобождение больших количеств ядерной энергии в

земных условиях долгое время казалось вряд ли достижи­

мой мечтой. Способы получения огромных температур (миллионы градусов), необходимых для «поджигания» тер­ моядерной реакции, не были тогда известны. Использование

же частиц, ускоренных ускорителями, не сулило перспек­

тив. Как отмечено в § 219, быстрые заряженные частицы при

движении в среде расходуют энергию на ионизацию и воз­

буждение атомов и вызывают ядерные реакции лишь с ма­

лой вероятностью. Ввиду этого затрата энергии на предва­

рительное ускорение частиц превосходит выигрыш энергии

от ядерной реакции.

Положение коренным образом изменилось, когда в 1939 г.

изучение свойств нейтронов увенчалось открытием новой

ядерной реакции - реакции деления атомных ядер, уста­

новленной немецкими физиками Отто Ганом (1879-1968) и ·Фрицем Штрассманом (1902-1980),

*) Энергия, излучаемая Солнцем, принята равной 3,8 ·1026 Дж/с,

масса Солнца равна 2,0·1030 кг.

562

§ 227. Деление урана. ЦеПtlа~ ядерная реакция. В резуль­

тате опытов по облучению неитронамн урана ()ыло найдено,

цecc сопровождается испусканием

н е с к о л ь к и х (двух-трех) н е й т р о н о в (рис. 402).

Помимо урана, способны делиться еще некоторые элементы

а) б)

Рис. 402. Де.1ение ядра урана под действием нейтронов: а) ядро захва­ тывает нейтрон: б) удар нейтрона о fЦРО ПРИВОДIIТ ПОС.1еднее в колеба­ ния; е) ядро де.1ИТСЯ на два ОСКО.1ка; при этом Ilспускается еще несколько нейтронов

из числа последних элементов периодической СИСТеУIЫ Мен­ делеева. Эти ЭЛб!енты, так же как и уран, делятся не только

было установлено на опыте соrзетскими физиками К. А. Петр­

жаком и Георгием Николаевиче.'v! Флеровым (р. 1913)в 1940 г.

Оно представляет собой весьма редкий процесс. Так, в 1 г урана происходит всего лишь около 20 спонтанных деле­

ний в час.

Б.rrагодаря взаимному электростатическому отталкива­

нию осколки деления разлетаются в противоположные сто­

роны, приобретая огромную кинетическую энергию (около

160 МэВ). Реакция деления происходит, таким образом, со значительным в ы Д е л е н и е м э н е р­ г и и. Быстродвижущиеся осколки интенсивно ионизуют

атомы среды. Это свойство осколков используют для обна­

ружения процессов деления при помощи ионизационной

кюлеры или кюлеры Вильсона. Фотография следов осколков

деления в кюлере Вильсона ПРIшедена на рис. 403. Крайне

существенны:>.! является то обстоятельство, что нейтроны,

*) С п о н т а н н о е Д е л е н и е с л е Д у е т отнести !( разряду

явлеиий р а Д и о а к т и в н о г о р а с п а Д а, с которыми мы позна­ комились в предыдущей главе. Как и другие виды распада, спонтанное деление предстаВ.1яет собой внутриядерный процесс, протекающий без

внешних воздействий.

563