Лекц.6 стр.6

Каждая из рассмотренных в предыдущих лекциях моделей ядра имеет определенные достоинства и позволяет объяснить те или иные экспериментальные результаты. Тем не менее, обе модели имеют определенные недостатки и не способны объяснить все имеющиеся данные. О недостатках капельной модели говорилось ранее, оболочечную модель тоже не следует переоценивать. Например, в рамках модели не удается объяснить явления, относящиеся к некоторым свойствам сферических ядер, (главным образом легких) в основном и слабовозбужденном состояниях. Наблюдаются случаи расхождения между предсказываемыми и экспериментальными значениями спинов некоторых ядер. Модель дает заниженные значения электрических квадрупольных моментов и др. В этой связи разработан ряд других моделей, такие как, модель ферми-газа, обобщенная модель ядра, оптическая модель ядра. Каждая из них позволяет объяснить определенные экспериментальные данные, но ни одна не является исчерпывающей. Рассмотрение этих моделей выходит за рамки интересов данного курса. Ближайшей нашей задачей является рассмотрение специфики протекания ядерных реакций и явления радиоактивности. И, прежде всего, представляется целесообразным рассмотреть специфику поведения фундаментальной ядерной частицы – нейтрона.

Открытие нейтрона

В 1930 г. немецкие физики В. Боте и Г. Беккер получили сильно проникающее излучение, которое возникало при бомбардировке ядер ₄Ве⁹ -частицами с энергией 5,3 МэВ, испускаемыми радиоактив­ным источником. Поскольку это излучение проходило через слой свинца толщиной в несколько сантиметров, не отклонялось ни маг­нитным, ни электрическим полями, то Боте и Беккер предположили, что это излучение есть не что иное, как высокоэнергетические -лучи.

Пытаясь измерить коэффициент поглощения этих лучей, Ирен Кюри и ее муж Фредерик Жолио помещали между источни­ком излучения и ионизационной камерой различные поглотители, такие, как Ag, Сu, Рb, но эти поглотители не оказывали практически никакого влияния на излучение. Тогда они взяли поглотители, бога­тые водородом (вода, парафин, целлофан и т. д.). После прохождения через них излучение стало вызывать большую ионизацию в иониза­ционной камере. При этом оказалось, что тонкий алюминиевый поглотитель способен практически полностью задерживать вторич­ное излучение, исходящее из поглотителя, богатого водородом. На основании своих экспериментов Ирен и Фредерик Жолио-Кюри выдвинули впоследствии оказавшуюся ошибочной гипотезу, что исследуемое ими -излучение в поглотителе, богатом водородом, рассеивается практически полностью на протонах в результате эффекта, аналогичного эффекту Комптона (рис. 1).

Таким образом, они предположили, что первоначальное -излучение выбивает из поглотителя, богатого водородом, протоны, которые задерживаются потом тонким алюминиевым поглотителем. В экспериментах, как им представлялось, происходят две реакции, проиллюстрированные рисунком 2.

Рис.2

Супруги Жолио так же, как Боте и Беккер, ошибочно считали, что при бомбардировке -частицами ядер Be⁹ образуются -лучи, которые претерпевают комптоновское рассеяние на протонах. При рассеивании -лучи приобретают новую частоту , а получаемые протоны отдачи поглощаются тонким алюминиевым поглотителем.

Как известно, изменение длины волны фотона при комптоновском рассеянии описывается формулой (1):

_h

 -------- (1 – cos θ) (1)

т_Р c

где т_Р - масса покоя протона. Последнюю формулу можно представить в виде

с с _h

 -  -------  -------- = --------- (1 – cos θ) (2)

  т_Р c

или после несложного алгебраического преобразования в виде

m_Pc²(hv — h) = hv h (l— cos θ), (3)

где hv = E — энергия налетающего фотона, h = Е'—энергия рас­сеянного фотона,

(hv — h) = К— энергия, передаваемая протону, т_Р c = 938 МэВ – энергия покоя протона .Таким образом, послед­ней формуле можно придать следующий вид:

т_Рс²К = ЕЕ'(1— cos θ). В случае «лобового» столкновения (θ = 180°) получаем:

т_Рс²К + 2Е(Е-К). Энергия налетающего фотона, таким образом, равна:

Е = 1/2 (К +  К² + 2т_рс²К = 1/2К(1 +  1 + 2т_рс²/К ) (4)

Перед корнем надо взять знак «плюс», так как энергия положительна.

В экспериментах получается, что протоны отдачи имеют кинети­ческую энергию 5,7 МэВ. Поэтому энергия налетающего фотона должна равняться Е 55 МэВ. Полученное значение намного больше того, которое можно согласовать с обсуждаемыми здесь экспериментами. Действительно, чтобы найти, насколько велика выделяемая в данной реакции энергия, рассчитаем дефект массы для ядерной реакции

₂Не⁴ + ₄Ве⁹  ₆С¹³ + ,

Дефект массы можно легко определить:

масса атома He⁴ = 4,002604 а. е. м. , масса атома Ве⁹ = 9,012186 а. е. м. Сумма

13,014790 а. е. м. Масса атома С¹³ = 13,003354 а. е. м. Разница 0,011436 а. е. м.

Таким образом, выделяемая при реакции энергия равна 0,0114 а. е. м..* 931,48 МэВ/а. е. м. = 10,6 МэВ. Вместе с тем, если считать, что происходит комптоновское рассеяние на протонах, то для него нужно иметь -кванты с энергией около 55 МэВ. Следо­вательно, мы приходим к заключению, что неизвестное излучение, наблюдавшееся в экспериментах Боте - Беккера и Ирен и Фредерика Жолио-Кюри, не могло быть -лучами.

Джеймс Чедвик, работавший в то время в Кавендишской лабора­тории, выдвинул гипотезу, что неизвестное излучение является не -лучами, а потоком неизвестных в то время незаряженных частиц - нейтронов, имеющих примерно такую же массу, как протоны. Еще за 12 лет до этого Резерфорд предполагал существование такой нейт­ральной частицы, но все его попытки ее обнаружить окончились неудачей. Согласно гипотезе Чедвика, в эксперименте Боте - Беккера происходит ядерная реакция

₂Не⁴ + ₄Ве⁹  ₆С¹² + ₀n¹. (5)

Так как масса ядра Ве⁹ еще не была точно известна в то время, то при помощи этой ядерной реакции нельзя было рассчитать массу нейтрона. Чедвик взял другую реакцию, а именно

₂He⁴ + ₅B¹¹  ₇N¹⁴+ ₀n¹ (6)

для которой массы ядер В¹¹ и N¹⁴ были хорошо известны (символом ₀п¹ обозначен нейтрон).

Пример 1. Рассчитайте по дефекту массы выделяющуюся энергию в реакции (5), протекающей с образованием нейтрона.

Решение. Согласно уравнению реакции (5) начальная масса равна сумме масс

атома He⁴ = 4,002604 а. е. м. и массы атома Ве¹¹ = 9,012186 а. е. м., т.е. 13,014790 а. е. м. Сумма масс атома С¹² = 12,000000 а. е. м. и нейтрона 1,008665 а. е. м. дает конечную массу = 13,008665 а. е. м.

Дефект массы равен: 13,014790 а. е. м.  13,008665 а. е.м.=0,006125 а. е. м. Выделяющаяся энергия 5,7 МэВ

Данный расчет показывает, что гипотеза Чедвика в самом деле правильно объясняет необычное поведение рассматриваемого излучения. Чедвик действительно открыл и идентифицировал новую составную часть атома — нейтрон.