Fizika - V. F. Dmitriyeva

ге-мезон, його маса дорівнює 264,2 те, час життя - менше 2,1-10 16 с. Піони інтенсивно взаємодіють з нуклонами, тобто є ядерно-активними частинками.

Існування цих частинок передбачив X, Юкава для пояснення природи ядерних сил. Маючи малий час житгя, вони розпадаються за схемою

7Г —> + V,

7І~ —> |і~ + V,

породжуючи частинки жорсткого космічного компонента. На відміну від піонів мюони не беруть участі в ядерних взаємодіях і витрачають свою енергію тільки на іонізацію, породжуючи в атмосфері каскадні зливи, тобто м'який компонент космічного випромінювання.

Радіаційні пояси Землі

Перші відомості про розподіл заряджених частинок поблизу Землі було добуто за допомогою другого радянського штучного супутника Землі. У навколоземному просторі існують області, в яких густина заряджених частинок, захоплених магнітним полем Землі, перевищує густину частинок первинного космічного випромінювання в міжпланетному просторі в сотні мільйонів разів. Ці області називають радіаційними поясами.

Раніше вважали, що Земля оточена двома чи трьома радіаційними поясами. Нині встановлено, що радіаційний пояс Землі - це єдине утворення. Внутрішня межа радіаційного поясу в площині екватора лежить на відстані 600 км від поверхні Землі в західній півкулі і близько 1600 км у східній. Зовнішня межа поясу в площині екватора лежить на відстані 8 - 10 радіусів Землі. Несиметричні розміщення радіаційного поясу Землі пояснюється тим, що рух заряджених частинок визначається структурою магнітного поля Землі. Вивчення радіаційних поясів і космічного випромінювання - джерело одержання інформації із світового простору. Космічне випрохмінювання має певний вплив на організм людини, що необхідно враховувати під час космічних польотів.

§ 252. Елементарні частинки

За змістом термін "елементарна" частинка означає "найпростіша", "далі неподільна" частинка. Проте частинки, які називають елеіментарними, не зовсім відповідають такому визначенню. Дати тепер точне визначення елементарної частинки не можна. Це поняття дуже складне, і

590

ряд експериментальних фактів свідчить про те, що існує структура елементарних частинок (наприклад, нуклонів).

Історично першою експериментально виявленою елементарною частинкою є електрон. Дж. Дж. Томсон, досліджуючи властивості катодних променів, установив, що вони є потоком негативно заряджених частинок - електронів. Дата відкриття першої елементарної частинки - 29 квітня 1897 р,

У1900 р. М. Планк показав, що світло ~ це потік частинок, названих фотонами. Фотон не має електричного заряду, і його маса спокою дорівнює нулю, тобто фотон може існувати тільки в процесі руху зі швидкістю світла.

Урезультаті досліджень Резерфорда з розсіювання а -частинок у процесі •проходження крізь речовину в 1911 р, було відкрито протон - ядро атома водню. Протон має позитивний електричний заряд, який за модулем дорівнює заряду електрона, його маса в 1836 разів більша від маси електрона,

У1928 р. II, Дірак передбачив, а К. Андерсон виявив у складі космічного проміння частинки, які назвали позитронами. Маса спокою позитрона збігається з масою спокою електрона, а заряд - із зарядом протона. Дж, Чедвік у 1932 р. відкрив нейтрон, його маса близька до маси протона: тп = 1838 те . Електричний заряд нейтрона дорівнює нулю.

У1931-1935 рр. П. Паулі, пояснюючи закономірності Р -розпаду, припустив, що існує ще одна нейтральна елементарна частинка з масою спокою, яка дорівнює нулю, - нейтрино. Експериментально цю частинку виявив у 1956 р, К, Коуен в ядерному реакторі. Як було зазначено в попередньому параграфі, К. Андерсон і С. Ніддермейєр, відкрили мюони,

С.ІТауедл - к-мезони. З 1950 р. кількість відкритих елементарних частинок почала швидко зростати. Були відкриті К -мезони, їх маси лежать у

межах 966 - 974 тє ; К -мезони можуть мати позитивний, негативний і такий, що дорівнює нулю, заряди. Наступною великою групою є гіперони з масами від 2180 до 3278 теОстанніми роками було відкрито частинки дуже малим часом життя - резонанси, їх безпосередньо не спостерігали, але про їх існування роблять висновок з аналізу поводження продуктів їх розпаду. Тепер налічується понад 200 елементарних частинок. Більшість із них нестабільна і поступово перетворюється в легші елементарні частинки.

§ 253, Частинки й античастинки

Античастинки

Після відкриття першої античастинки - позитрона - постало питання про існування античастинок і в інших частинках. Перші антипротони було добуто експериментально в 1955 р. при бомбардуванні мідної

591

мішені протонами з енергією порядку 6 ГеВ. У 1956 р. було відкрито антинейтрон. Нині встановлено, що

кожній елементарній частинці відповідає своя античастинка з то- чно такою самою масою, спіном, але із зарядом протилежного знака.

Так, електрону з негативним зарядом відповідає позитрон з позитивним зарядом. Протону з позитивним зарядом відповідає антипротон з негативним зарядом. Антинейтрон відрізняється від нейтрона знаком власного магнітного моменту. Частинка і античастинка в таких незаряд-

жених частинках, як фотон і к° -мезон, за фізичними властивостями нерозрізненні.

Взаємне перетворення речовини і поля

Електрон і позитрон, стикаючись, перетворюються в квант електромагнітного випромінювання з вивільненням енергії:

е" + е+ -> 2у.

Це явище назвали анігіляцією. Анігілюють не тільки електрони і позитрони, а й будь-яка частинка від зіткнення із своєю античастинкою.

Якщо існує процес анігіляції, тобто перетворення речовини в кванти електромагнітного поля, то має існувати і зворотний процес - перетворення квантів поля в речовину.

У 1932 р. Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі встановили, що у -квант з енергією, більшою від сумарної енергії спокою електрона і позитрона Еу > 2т0с2 = 1,02 МеВ, при проходженні поблизу ядра атома може перетворитися в пару електрон-позитрон:

у -~»е~ + е+.

Явища народження електрон-позитронних пар і анігіляція показують,

що

дві форми матерії (речовина і поле) можуть взаємно перетворюватись.

Процес анігіляції супроводиться величезним виділенням енергії. Так, якщо під час ядерних реакцій виділення енергії на одиницю маси в мільйони разів перевищує виділення енергії в звичайних хімічних реакціях, то в процесі анігіляції виділення енергії в мільйони разів перевищує енергію, виділену під час ядерних реакцій. Оскільки при анігіляціях вся енергія частинок, які взаємодіють, повністю перетворюється в інші форми енергії, то анігіляція є максимально інтенсивним з усіх можливих джерел енергії.

592

а антибаріони - з трьох антикварків. Ці кварки повинні мати півцілий спін, їх електричний заряд має дорівнювати 1/3 або 2/3 заряду електрона. Потім було висловлено припущення про існування ще двох кварків - "зачарованого" і "красивого" - з відповідними антикварками. Комбінації кварків і антикварків дали всі відомі мезони. За сучасними уявленнями,

594

кварки не мають внутрішньої структури, в цьому розумінні їх можна вважати справді елементарними частинками.

Хоча гіпотеза кварків була вдалою, оскільки вона давала можливість з єдиних позицій пояснити властивості більшості елементарних частинок, але кварків у вільному стані в космічному промінні і навколишньому се-

595

редовищі не виявлено, незважаючи на численні пошуки на прискорювачах високих енергій. Тепер важко говорити про те, збережеться ця гіпотеза чи на зміну їй прийде інша. Важливо те, що покладено початок створенню єдиної теорії, яка об'єднує чотири фундаментальні взаємодії.

§ 255. Ядерні реакції. Штучна радіоактивність

Ядерні реакції

Під ядерними реакціями розуміють штучне перетворення атомних ядер внаслідок їх взаємодії як один з одним, так і з ядерними частинками. Під час ядерних реакцій додержуються закони збереження сумарного електричного заряду, числа нуклонів, енергії, імпульсу, моменту імпульсу. Всі ядерні реакції характеризуються енергією, яка виділяється або поглинається в процесі їх перебігу. Реакції, що супроводяться виділенням енергії, називаються екзотермічними, а поглинанням енергії - ендотермічними.

Згідно з теорією, яку запропонував Бор, ядерна реакція відбувається за два етапи. На першому етапі ядро - мішень А - зливається з бомбардую-

чою частинкою а, утворюючи нове ядро С * , яке буде в збудженому стані:

продукти ядерної реакції: С —> Ь + В. Таким чином, ядерна реакція відбувається за схемою

Одна з перших ядерних реакцій - сполучення ядер азоту з ядрами гелію (а -частинками). Цю реакцію здійснив Резерфорд у 1919 р. Бомбар-

Протони реєструвалися спочатку методом сцинтиляцій, а потім камерою Вільсона.

Ядерні реакції класифікують: 1) за енергіями частинок, які їх спричинюють (малі енергії «ІООеВ середні «ІМеВ, великі «50МеВ); 2) за видом ядер, що беруть у них участь (реакції на легких (А < 50), середніх (50 < А < 100) і важких ядрах (А > 100)); 3) за природою бомбардуючих

частинок (реакції під дією нейтронів, квантів, заряджених частинок); для реакцій, які відбуваються під дією заряджених частинок, потрібно, щоб частинки мали енергію, достатню для подолання кулонівського поля ядра; 4) за характером ядерних перетворень.

596

Існування в ядрі нейтральної частинки (нейтрона), яке передбачив Резерфорд у 1920 р., підтвердили в 1932 р. Боте і Беккер при обстрілюванні ядер берилію а-частинками:

Пізніше було з'ясовано, що

нейтрон радіоактивний, період його піврозпаду Т= 12 хв.

За допомогою реакцій було підтверджено можливість перетворення одних хімічних елементів в інші та відкрито можливість добути штучно радіоактивні елементи.

Принципової різниці між штучною і природною радіоактивністю немає, оскільки властивості ізотопу не залежать від способу його утворення й ізотоп, добутий штучно, нічим не відрізняється від такого самого природного ізотопу.

Штучна радіоактивність пов'язана з порушенням стабільності атомного ядра. Стабільні ядра елементів, в яких кількість протонів дорівнює кількості нейтронів.

Якщо в легких ядрах (Л< 50) штучно створити надлишкову кількість нейтронів, то стабільність ядра порушиться, виникне р -радіоактивність. Прикладом такої реакції є перетворення стабільного ізотопу Ц А1 від бомбардування дейтронами в радіоактивний ізотоп Ц А1, який зазнає (3 -розпаду:

Якщо стабільність ядра порушити, створивши надлишкову кількість протонів у ядрі, то це призводить до зростання енергії ядра і супроводиться штучною р+ -радіоактивністю. При цьому розпад відбувається за схемою

З урахуванням правил зміщення утворений елемент переміщується в таблиці Менделєєва на одну клітинку вліво.

§ 256. Поділ важких ядер

Відкриття в 1932 р. нейтрона і штучної радіоактивності в 1934 р. стало поворотним пунктом у дослідженні ядерних реакцій. Починаючи з 1934 р. Фермі із співробітниками опромінювали нейтронами майже всі елементи періодичної системи. Звичайно при нейтронному бомбардуванні ядро 2 X > захоплюючи нейтрон, переходить у збуджений стан и \ Х , яке, випускаючи електрон, перетворюється в ядро стійкого ізотопу /*\Х. У 1938-1939 рр. німецькі фізики О. Ган і Ф. Штрассман встановили,

597

що при бомбардуванні урану його ядро ділиться на два (рідко три) осколки з виділенням великої кількості енергії. Внаслідок поділу ядер урану утворились нові елементи, що належать до середньої частини періодичної системи, - барій, лантан та ін. Стало очевидно, що початкова реакція з ядрами урану ускладнюється великою кількістю якихось наступних процесів.

Експериментальні результати пояснили Л. Мейтнер і О. Фріш, які висловили припущення, що ядро урану, яке поглинуло нейтрон, ділиться на два ядра (осколки) приблизно з однаковими зарядовими і масовими числами. У нормальному стані важке ядро має більш або менш сферичну форму. Ядро, захопивши тепловий нейтрон *, переходить у збуджений стан з енергією збудження, яка дорівнює енергії і зв'язку захопленого нейтрона (5,8- 7,5 МеВ). Рух нуклонів у ядрі стає інтенсивнішим, форма ядра швидко і хаотично змінюється. Воно то витягується, то стискується, тобто зазнає деформації, як краплина рідини, наприклад ртуті. Внаслідок деформації утворюється перетяжка, аналогічна перетяжці між двома частинами краплини рідини, яка роздвоюється.

Якщо кулонівські сили відштовхування між протонами менші від ядерних сил притягання, то ядро, не поділившись, випромінює квант або нейтрон і перейде в основний стан. Якщо кулонівські сили відштовхування між протонами переважатимуть над ядерними силами притягання краплини, яка роздвоюється, то ядро поділиться на дві частини. При цьому з ядра вилітають 2-3 вторинні нейтрони. Оскільки осколки позитивно заряджені, то, відштовхуючись під дією кулонівських сил, вони розлітаються з великою швидкістю. Експериментальні дані показують, що більша частина вторинних нейтронів виділяється із збуджених осколків, коли вони розлітаються.

Ядра-осколки, які виникли в процесі поділу, радіоактивні, їх радіоактивність зумовлена тим, що вони мають надлишок нейтронів над протонами порівняно з ядрами стійких ізотопів. Такі ядра-осколки рядом розпадів зменшують свій надлишок нейтронів, перетворюючись у стабільні ядра.

Можливість поділу важких ядер можна пояснити на основі залежності питомої енергії зв'язку від масового числа А (див. рис. 25.7). З цієї залежності випливає, що важкі ядра мають питому енергію зв'язку, на 1 МеВ меншу, ніж ядра елементів, розміщених у середній частині таблиці Менделєєва. Процес поділу важких ядер енергетично вигідний, оскільки в акті поділу беруть участь до 200 нуклонів, тобто поділ одного ядра має супроводитись виділенням енергії приблизно 200 МеВ, причому більша частина цієї енергії («165 МеВ) припадає на кінетичну енергію осколків поділу.

Продукти поділу дуже різноманітні, їх налічується понад 200 видів. Найбільш імовірні значення мас осколків припадають на 95 і 139. Поділ

* Енергія нейтронів, які виділяються під час ядерних реакцій, лежить у межах від декількох часток електрон-вольта до 200 МеВ. Нейтрони з енергіями 0,005-0,5 еВ називають тепловими, нейтрони з Е > 1 МеВ - швидкими.

598

на осколки однакової маси менш імовірний і відбувається дуже рідко. Найтиповішим прикладом реакції поділу є

2П ЬГ +0 П ->290 1] ->* 56 Ва +36 Кг + Зо п + б (енергія).

Подальші дослідження показали, що під дією нейтронів можуть діли»

УХИ

У 1940 р. радянські фізики Г. М. Фльоров і К. О, Петржак встановили, що ядра деяких важких елементів можуть зазнавати спонтанного (мимовільного) поділу. Ймовірність цього процесу дуже мала, а період піврозпаду при цьому становить 8 4 0 років для 92 І) і 10 років для ^ Т Ь .

І 257. Ланцюгова ядерна реакція

Відкриття поділу ядер урану і деяких важких елементів дало можливість практично здійснити ланцюгову ядерну реакцію, У § 256 було показано, що при поділі ядра урану, крім ядер-осколків, вилітають 2-3 нейтрони. За сприятливих умов ці нейтрони можуть влучати в інші ядра урану, спричинюючи їх поділ, При поділі 2-3 ядер урану вивільняється вже 4-9 нейтронів, які можуть спричинити поділ нових ядер урану з утворенням 8-27 нейтронів і т. д. (рис. 25/10); виникає самопід-трймуючий процес поділу, який і називають ланцюговою ядерною реакцією,

Ланцюгова реакція супроводиться значним виділенням енергії, тобто є екзотермічною.. У поперед ньому параграфі було показано, що ори поділі одного ядра урану виділяється енергія приблизно 200 МеВ. Визначимо, яка енергія вивільняється від поділу всіх ядер, що містяться в 1 кг

599