Landsberg-1985-T3

тепло, выделяющееся в уране при работе реактора. Гермети:

ческая закупорка урана необходима ввиду его химической

нестойкости, а также для предохранеНИll от утечки вредных

радиоактивных газов, образующихся в качестве продуктов

деления, Для облегчения развития цепной реакции «топ­ ливные» элементы изготовлены из урана, искусственно 060- гаще!IIIOГО легко де,1Я1ПИМСЯ изотопmл 235И (в применяе.\ЮМ о б о г а Щ е н н о м уране содержится 5% 2:J~U прот!!в

0,7% в природном уране).

Действие уранового реактора сопровождается интенсив­

ной радиоактивностью. Для защиты людей от радиоактив­ ных излучений и от нейтронов, которые в больших дозах

Рис. 412. Верхняя часть реактора без КРЫШКИ. ВИДНЫ моторы пере­

движения регулирующих стержней. Ниже - трубии для подвода ВОДЫ

крабочим каналам

также вредны для здоровья, реактор окружается толсто­

стенной защитой из бетона и других материалов (рис, 411,

412).

Как источник энергии ядерный реактор замечателен ма­ лым расходом топлива. Деление 1 г 23?И по теплообразова­

нию равноценно сжиганию нескольких т о н н каменного

угля. Это делает особенно перспективным применение реак­

торов в пунктах, удаленных от залежей угля и нефти. а также на транспорте - на кораблях, подводных лодках,

574

самолетах. В СССР сооружен ряд крупных атомных тепло­

электростанций, построено несколько ледоколов с атом­

ными двигателями, имеются атомные подводные ЛОД]{И.

Ядерная энергетика имеет огромное значение для буду­

щего. Подсчитано, что при современных темпах роста MiI-

рового потребления энергии человечество уже через 50 лет может столкнуться с острой нехваткой угля и нефти. Ис­

пользование урана спасает положение, так как запас энер­

гии в земных ресурсах урана в 10-20 раз превышает запас

энергии в залежах ископаемых органических топлив. Про­

блема источников энергии получит Оlюнчательное решение,

когда будет разработана управляемая термоядерная реак­

ция (см. § 228).

2. Трансурановые элементы. При облучении урана ней­ тронами изотоп 2;~U превращается в 2Z~U. Последний неус­

тойчив; испытывая ~-распад, он образует изотоп элемента

93 - нептуния e~~Np). В свою очередь 2~~Np испытывает

~-распад и в короткое время (период полураспада 2,35 дня)

превращается в изотоп элемента 94 - плутония C:~Pu).

Плутоний-239 также неустойчив, но распадается очень мед­

ленно (период полураспада 24 000 лет). Поэтому он может накапливаться в больших количествах. Подобно урану-235, плутоннй-239 является хорошим «ядерным горючим», при­

годным для устройства ядерных реакторов, а также атом­

ных бомб. Для получения плутония используют реакторы из при р о Д н о г о . урана с замедлителем. В этих реак­ торах значительная доля нейтронов поглощается в уране- 238, образуя в конце концов плутоний. Накопившийся в

уране плутоний может быть выделен химическими метода­

ми. Другим искусственным ядерным горючим является изо­ топ урана 233U с периодом полураспада 162000 лет, которо­ го в природном уране нет. 233U образуется, аналогично плу­

чее. Эта возможность очень существенна, так как 238U и

за ураном.

Вслед за плутонием был получен еще ряд трансурановых элементов вплоть до элемента 107. В природе трансурано­

вые элементы не обнаружены: они все радиоактивны и по

сравнению с геологическим возрастом Земли короткожи­

вущи.

575

3. ПОЛУЧЕние радиоактивных веществ. В действующе~

реакторе имеют ~eCTO интенсивные потоки нейтронов, обра­ зующихся при реакции деления. Облучая вещества нейтро­

нами внутри реактора, получают раз,тrичные искусственно­

радиоактивные изотопы (ер. реакцию (222.1)). Другю! ис­

точником радиоактивности в реакторе являются осколки

деления ур,ша, большинство которых неустоЙчиво. Искусственно-радиоактивные эле:.ленты находят много

прю!енеН'Ий в науке и технике. Вещества, испускающие r-излучение, используются B~eCTO более дорогого радия для

просвечивания толстых металлических предметов, для лече­

ния рака и т. д. Свойство больших доз r-излучения убивать

живые клетки микроорганизма используется при консер­

вировании продуктов питания. Радиоактивные излучения

начинают Использоваться в хпмнческой промышленности, так как они способстпуют протеканию многих важных хи­ мических рсакниЙ. Особенно интересен так называемый метод Лlечсных аmолtOо. Этот метод IIспользует тот факт, что по химическим IJ МllOПIМ физическим свойствам раДl!оак­

типный изотоп II е о т л и ч и м от устойчивых изотопов того же элеl\lента. В то же время радиоактивный изотоп

легко может быть ОllOзнан ]]0 своему излучению (с помощью,

например, газоразрядного счетчика). Добавляя к исследуе­ MOivlY элемеlIТУ радиоактивный изотоп и улавливая в даль­

нейшем его И:1Лучение, мы можем проследить путь этого элемента в органи:,ме, в химической реакции, при плавке

металла и т. д.

3 Il а ч е 11 и е я Д е р н о й э н е р г и И. Прошло He~!Нoгo

лет со вре'v!еllИ открытия способа использования ядерной энеРГНII в зс\,!Ных условиях. Открытие это уже дало свои пер­

вые плоды. Нссо\шсН!lO, дальнейшее развитие способов по,тrу­

чеНI1Я и нспользоnания ядерной энергии создаст новые неви­

данные ВО:ШОЖНОСТ!! дЛЯ науки, техники, про\!ышленности.

Лiасштаб этих ВОЗ,IIOЖНОСТСЙ на нынешне:,! этапе трудно еще

полностью представить. Освобождение ядерной энергии оз­

начает колоссальное расширение власти человека над при­

родой при условии, однако, что ядерная энергия будет ис­

по,тrьзоваllа для :vшрных целей. Советский Союз, обладая ато:vшы:,ш и водородными бомбами, борется за использова­

ние ато:,шой энергии только для М!1рНЫХ целей, за запреще­

ние атомного и ПОДОРОДllОГО оружия И других средств мас­

сопого Уllичтожения ЛЮДС]I.

Отмстим еще, что создание ядерных реакторов - это

один ИЗ наиболее значительных плодов науки о внутреннем

строении вещества. Излучение н е в и Д и мы Х, н е о с Н-

576

дом полураспада 2,3 ~ин показали, что активность второй пла­

стинки в несколько раз больше активности первой, а активНость

третьей пласТ!!нки равна активности второй. Объясните этот

результат.

45. В камере Вильсона, перегороженной твердой пластинкой, за­ мечен след частицы, пересскающей пластинку (рис. 413). В ка­

кую сторону движется частица? Каков знак ее заряда, если сило­

вые лннни маГНIIТНОГО поля направлены на нас.

Рис. 413. К упражнению 45. След заряженной частицы в камере Вильсона. Частица пересекла пластинку П. Камера помещалась

вмагнитном поле, линии которого направлены на нас

46.Почему ра,'1)юактивные вещества, получаемые бомбардиров­

кой устойчивых ядер (I.-частицами, испытывают электронный рас­ пад, если в исхо,'lНОЙ реаIЩИИ выделяются протоны. и позитрон­

ный распад, сеш в ИСХОДНОЙ реакции выделяются нейтроны' 47. Определите ~!ИiJИмальную энергию 1'-квантов, I!соБХО;J:И:-'!УЮ

для расщепления ядер бериллия и углерода по реаI(ЦIJЮI

:Ве+,\, - " 2tHe+n, l~c+1'-> 3~He.

Значения масс участвующих в реаКllИЯХ чаСТИll см. в та6mще на

с. 560.

48. Ядро 22~u, испуская a-часТIiЦУ с энергией 4,2 МэВ, превра­ щается в ядро 2:~Tb. Определите массу атома 2:t ТЬ, еСJIИ масса атома 2:~U равна 238,1249 а. е. м. Л'1асса атома iHe приведена

на с. 560.

578

Г л а в а ХХУ. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ *)

§ 230. Общие замечания. Изучая строение вещества, мы

убеждаемся, что все многообразие известных нам тел по­ строено в конечном счете из комбинаций трех типов мель­ чайших частиц - протонов, нейтронов и электронов. Про­

тоны и нейтроны, группируясь, дают атомные ядра. Атом­

ные ядра совместно с электронами образуют атомы, атомы

неразложимыми далее частицами, или же они, подобно ато­

мам, построены из других (неизвестных еще) более фунда­ ментальных частиц. Такие частицы, относительно которых

нет доказательств, что они являются составными, принято

называть элементаРНblми частицами. Помимо эле){трона, протона и нейтрона известны и другие элементарные час­

тицы.

К их числу прежде всего следует отнести электромагнит­

ные кванты (фотОНbl). Фотоны не входят непосредственно

в состав атомов, молекул и т. д., но играют в природе важ-

*) За полтора десятилетия, прошедшие со времени написания этой

главы, в физике элементарных частиц произошли очень большие изме­

нения, и приведенные здесь материалы оказались далеко неполными.

Поэтому редакция сочла необходимым, ограничившись лишь минималь­ ными уточнениями в самой гл. ХХУ, дополнить ее небольшой новой гл. XXVI, в которой в сжатой форме отражено новейшее развитие этого

важного раздела современной физики.

В главах ХХУ и XXVI, в отличие от остальных частей «Элементар­ ного учебника», используются единицы, принятые в научной литературе по элементарным частицам: единицей длины является 1 см или 1 ферми (10-13 см), единицей энеRГИИ - 1 эВ (1 кэВ= 103 эВ, 1 МэВ= 106 эВ,

1 ГэВ= 109 эВ, 1 ТэВ= 102 эВ). Массы и импульсы измеряются в энерге­

тических единицах, Т.е., например, масса m= 1 ГэВ/с2 означает такую мас­

су, для которой энергия покоя mс2= 1 ГэВ. Электрический заряд изме­ ряется в единицах элеыентарного заряда: е= 1,602 ·10-19 Кл. Постоян­ ная Планка в выбранных единицах h=4,136·10- 24 ГэВ ·С. Приведем

переводные множители в СИ: энергия] ГэВ= 1,602·10-10 Дж; импульс

I ГэВ/с= 5,35 ·10-19 кг ,м/с; масса 1 ГэВ/с2= 1,783 ·10-27 кг= 1,074 а. е. м.

580

ную роль в качестве агентов, передающих энергию от одних

частиц или тел к другим. В отношении СВОЙСТВ между элек­ тронами, протон~ми 11 нейтронами, с ОдНОЙ СТОРОны, и фо­

тонами, с другои, имеется различие, но, как мьт видели

в §§ 209, 223, 224, существует и глубокое единство. Это за­

ставляет нас считать фотон ОДНIIМ IIЗ ВИДОВ элементарных

частиц.

Далее, к элементарным частицам относятся позитрон и

нейтрино. Позитрон - двойник электрона, отличающийся

от вего только знаком электрического заряда. Мы сталки­ ваемся с позитронами в явлениях искусствснной радиоак­ тивности и взаимодействия жестких у-квантов с веществом

(образование пар электрон - позитрон, СМ. § 223). Ней­

трино - нейтральная частица, излучаемая одновременно

с элеКТрОН2i1!И или позитронюш при ~-распаде атомных ядер. Свойства нейтрино будут расо!Отрены даJJее.

Наконец. в ядерных реакциях, вызывабlЫХ чаСПЩЮ!ll и у-квантюш очень больших энергий (СОТIIИ \!илюroнов и мил­ лиарды Э,lеКТРОНВО,lЬТ), наблюдается образование так на­

зывае.мых :\!езонов и других чаСТIIЦ, Пр!IЧ!!СЛЯб!ЫХ К эле­

ментарным. с которыми мы познаКО~IШ1Ся в § 232-234. При анализе свойств элеlснтарных частиц прежде все­ го бросается в глаза, что э л е м е н т а р н bl е ч а с т 11-

Ц Ы О т н ю Д ь н е я в л я ю т с я Н е и з м е н я е м ы­ м и: они испытывают пзаИМНblС ирсвращения, переходя

друг в друга. Так. 'У-квант ПрlI ОllрсдслеIIНblХ условиях пре­

вращается в пару электрон -- позитрон согласно реаКЦIIИ

Эту реакцию нельзя толковать в том смысле, что 'У-квант с о с т о и т из электрона 11 позитрона. Если было бы так, то электрон и позитрон должны были бы объединяться в

о Д и н у-квант; Б действитеЛЬНОСТII же при аннигиляции

электрона и позитрона испускаются Д Б а у-кванта. Следо­ Бате.1ЬНО, реакция (230.1) не есть решщия разложения слож­

ной частицы на составные чаСТJI, а есть реакция пр е в р а­

Щ е н и я одной элсментарной частицы ('У-кванта) в другие (электрон и позитрон).

Другим прю!еро\! взаю!Ного превращения ЭЛб!ентар­

ных частиц является ~-распад нейтрона (§ 221)

(230.2)

Нейтрон самопроизвольно превращается в протон (,о), электрон (е-) и нейтрино (v). Во многих ядрах наблюдает­

ся обратный процесс - превращение протона в нейтрон,

581

Так как протон переходит в нейтрон, а нейтрон в протон, то это значит, что обе частицы одинаково простые. Как уже

отмечалось в § 225 применительно к атомным ядрам, элек­

троны и позитроны образуются в процессе ~-распада, а не

содержатся заранее в составе нейтрона или протона. Способность элементарных частиц к взаимным превраще­

ниям указывает на сложность их внутреннего стр:::>ения. Этот

вывод подтверждают и другие факты. В качестве примера

рассмотрим вопрос о магнитном моменте неЙтр:::>на.

Опыты показывают, что электрон, протон, нейтрон, как

и многие другие частицы, являются миниатюрными враща­

ющимися волчками, или, как говорят, обладают спином **).

Хотя спин - это свойство, сходное с вращением вокруг

оси, проходящей через центр масс частицы, ПОЛНОЙ ана­

логии здесь нет - спиновое вращение, например, нельзя

ускорить или замедлить. Особенности свойств спина обус­

ловлены ВОЛНОВОЙ ПРИРОДОЙ частиц.

Вращение электрически заряженной частицы приводит к появлению кругового тока, КОТОрЫЙ придает частице свойства магнитика (см. том II). И действительно, известны

многочисленные проявления магнетизма электронов и про­

тонов. Так, например, столь широко используемая в тех­

нике способность железа намагничиваться является след­ ствием слинового магнетизма электронов. ~агнетизм про­ тонов гораздо слабее, но также получил практические при­

ч е с к и е зар я ды. Так как в целом нейтрон не заряжен, алгебраическая сумма положительного и отрицательного заряда равна нулю. Но если заряды двух знаков располо­

жены на разных расстояниях от оси вращения, то магнит­

ные поля, создаваемые их движением, компенсироваться

не будут, и нейтрон будет намагничен.

*) Масса покоя протона меньше суммы масс покоя нейтрона и по­

зитрона (массой покоя нейтрино можно пренебречь, см. § 231). Следова­ тельно, согласно закону Эйнштейна энергия покоя продуктов реакции

(230.3) б о ль ш е энергии покоя протона. Поэтому реакция (230.3) мо·

-жет идти только при условии сообщения энергии извне.-Это уr-ловие осу­

ществляется, когда протон входит в состав н е у с т о й ч и в о г о ядра.

**) Спин - лат. spin - кружение, верчение,

582

§ 231. Нейтрино. Нейтрино называется незаряженная эле­

ментарная частица, которая испускается одновременно с

электроном или позитроном при ~-распаде атомного ядра. Подобно нейтрону, также лишенному электрического

заряда, нейтрино практически не взаимодействует с элек­

тронами и не производит заметной ионизации среды. Ней­ трон, однако, легко обнаруживается по своему действию на атомные ядра (ядерные реакции, передача энергии при столкновении, см. § 221). Нейтрино же и с ядрами взаимо­ действует крайне слабо; до недавнего времени ядерных ре­ акций под действием нейтрино на опыте установить не уда­

валось.

Как же стало известно о существовании нейтрино, если

они так неуловимы?

Если бы ПрИ ~-распаде испускались только лишь элек­

троны, то для данного радиоактивного изотопа энергия

всех ~-электронов была бы о д н а и т а ж е. Действи­

тельно, она равнялась бы разности внутренних энергий

исходного атомного ядра и конечного ядра + электрон*). Разность же эта постоянна. ибо опыт показывает, что все

ядра данного изотопа имеют одну и ту же C'.raccy и. значит,

одну и ту же внутреннюю энергию. На деле. однако, ока­

до некоторого максимального знач~

н и я Wo. Важно, что это маКСИ~Iaльное значение как раз равно выделению внутренней энергии при распаде, о котором говоРИлось выше. Чтобы не войти в противоречие

с законом сохранения энергии, приходится предположить,

что при ~-распаде в паре с электроном образуется еще одна

частица - н е й т р и н о, которая уносит энергию, до­ полняющую энергию электрона до \\'70. Если нейтрино уно­ сит энеРГIlЮ, близкую к Wо' то энергия электрона БЛИЗI<а

к нулю; если энергия нейтрино мала, то, наоборот, энергия

электрона близка к WО, и т. д.

Детальное изучение процесса ~-распада дало и другие

столь же убедительные доказательства испускания нейтри­

но в этом процессе, а также позволило оценить массу покоя

нейтрино. Она оказалась меньше одной десятитысячной

доли массы покоя электрона.

В 1956 Г. после многолетних усилий удалось обнаружить на опыте ядерную реакцию поглощения нейтрино ('\1) про-

*) Кинетическая энергия, сообщаемая при ~-распаде тяже.'JОМУ

конечному ядру, ничтожно мала по сравнению с энергией электрона.