Trofimova Физика для бакалавров. Учебник Рецензент ы др физ мат наук, проф
 Скачать 4.33 Mb.
|
0 0 ν e ) имеет нулевой заряд, спин 1/2 (в единицах ћ) и нулевую (а скорее < 10 −4 m e ) массу. Впоследствии оказалось, что при β − -распаде испускается не ней- трино, а антинейтрино (античастица по отношению к нейтрино; обозначается 0 0 n e ). Опытное подтверждение существования нейтрино (1956) было сопряжено с большими трудностями, обусловленными отсутствием у нейтрино электрического заряда и массы, а также малой ионизиру- ющей способностью (один акт ионизации в воздухе на пути 500 км) и огромной проникающей способностью (пробег нейтрино с энер- гией 1 МэВ в свинце составляет примерно 10 18 м!). Введение антинейтрино позволяет объяснить кажущееся несо- хранение спина, поскольку спин антинейтрино равен ћ/2. Сплошной спектр β-частиц обусловлен распределением энергии между электроном и антинейтрино, причем сумма энергий обеих частиц равна E max . В одних актах распада большую энергию полу- чает антинейтрино, в других — электрон; в граничной точке кривой на рис. 191, где энергия электрона равна E max , вся энергия распада уносится электроном, а энергия антинейтрино равна нулю. Наконец, рассмотрим вопрос о происхождении электронов при β − -распаде. Поскольку электронов в ядре нет и он не вырывается из оболочки атома, было сделано предположение, что электрон рождается в результате процессов, происходящих внутри ядра. Так как при β − -распаде число нуклонов в ядре не изменяется, а Z увеличивается на единицу, то единственной возможностью одновре- менного осуществления этих условий является превращение одного из нейтронов β − -активного ядра в протон с одновременным образо- ванием электрона и вылетом антинейтрино: 0 1 1 1 1 0 0 0 n p e e → + + − ν . (165.2) Этот процесс сопровождается выполнением законов сохранения зарядового числа, импульса и массового числа. Кроме того, данное превращение энергетически возможно, так как масса покоя нейтрона превышает массу атома водорода, т. е. протона и электрона вместе взятых. Данному различию масс соответствует энергия, равная 285 0,782 МэВ. За счет этой энергии может происходить самопроизволь- ное превращение нейтрона в протон; энергия распределяется между электроном и антинейтрино. § 166. гамма-излучение и его свойства Наряду со свойствами гамма-излучения, описанными в § 162, экспериментально установлено, что γ-излучение сопровождает α- и β-распады, а также возникает при ядерных реакциях, при тормо- жении заряженных частиц, их распаде и при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество. Гамма-излучение не отклоняется электрическими и магнитны- ми полями, обладает относительно слабой ионизирующей и очень большой проникающей способностями; при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Гамма-излучение, подчеркнем это еще раз, очень коротковолновое с длиной волны λ = 10 −10 —10 −13 м с ярко выраженными корпускуляр- ными свойствами: E h hc γ ν λ = = Энергия γ-квантов лежит в пределах от десятков килоэлектрон- вольт (кэВ) до нескольких мегаэлектронвольт (МэВ). В настоящее время достоверно установлено, что γ-излучение ис- пускается дочерним (а не материнским) ядром. Дочернее ядро в момент своего образования, оказываясь воз- бужденным, за время примерно 10 −13 —10 −14 с, значительно меньшее времени жизни возбужденного атома (примерно 10 −8 с), переходит в основное состояние с испусканием γ-излучения, согласно следующей схеме: Z A Z A Y Y * , → + γ где звездочка указывает, что ядро является возбужденным. Спектр γ-излучения (распределение числа γ-квантов по энергиям) является линейчатым. Дискретность γ-спектра имеет принципиаль- ное значение, так как является доказательством дискретности энер- гетических состояний атомных ядер. γ-Кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении γ-излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им. γ-Кванты не не- сут электрический заряд и не испытывают влияния кулоновских сил. 286 § 167. ядерные реакции и их классификация Ядерные реакции — это превращения атомных ядер при взаи- модействии с элементарными частицами (в том числе с γ-квантами) или друг с другом. Ядерную реакцию схематически можно записать в виде X + a → Y + b, (167.1) где X и Y — исходное и конечное ядра; a и b — соответственно бом- бардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы. В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения энер- гии, импульса, момента импульса, электрического заряда, а также закон сохранения числа нуклонов, что эквивалентно сохранению массового числа А (в ядерных реакциях он является частным случаем закона сохранения барионного числа, см. § 174). В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотер мическими (с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии). Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э. Резерфордом (1919) при бомбардировке ядра азота α-частицами, испускаемыми радиоактивным источником: 7 14 2 4 8 17 1 1 N He O + → + p. Если испущенная частица тождественна с захваченной ( b ≡ a), то схема (167.1) описывает рассеяние частицы: упругое — при E b = E a , неупругое — при E b ≠ E a . Если испущенная частица не тождественна с захваченной ( b ≠ a), то имеем дело с ядерной реакцией в прямом смысле слова. Ядерные реакции условно классифицируют: 1) По роду участвующих в реакциях частиц: – реакции под действием нейтронов; – реакции под действием заряженных частиц (например, про- тонов, α-частиц). 2) По энергии вызывающих реакции частиц: – реакции при малых энергиях (порядка нескольких электрон- вольт), происходящие в основном с участием нейтронов; – реакции при средних энергиях (несколько мегаэлектронвольт), происходящие с участием γ-квантов и заряженных частиц; – реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлек- тронвольт), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющие большое значение для из излучения. 3) По роду участвующих в реакциях ядер: – реакции на легких ядрах ( A < 50); 287 – реакции на средних ядрах (50 < A < 150); – реакции на тяжелых ядрах ( A > 150). 4) По характеру происходящих ядерных превращений: – реакции с испусканием нейтронов; – реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько γ-квантов). § 168. Реакция деления тяжелых ядер Немецкие физики В. Боте и Г. Беккер (1930), облучая ядра 9 4 Be α-частицами, обнаружили излучение очень большой проникающей способности, не отклоняющееся ни магнитным, ни электрическими полями. Поскольку сильно проникающими могут быть только ней- тральные частицы, они предположили, что наблюдаемое излучение — высокоэнергетическое γ-излучение. Дальнейшие опыты (И. и Ф. Кюри, 1931) по взаимодействию обнаруженного излучения с водородосодержащими соединениями показали, что, например, из парафина выбиваются протоны больших энергий. Д. Чэдвик (1932) выдвинул гипотезу, а впоследствии доказал, что новое проникающее излучение представляет собой не γ-кванты, а поток тяжелых нейтральных частиц, имеющих примерно такую же массу, что и протоны. Эти частицы были названы нейтронами. Согласно гипотезе Чэдвика, нейтроны получают в результате сле- дующей ядерной реакции: 9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n. В 40-х годах XX в. было доказано (Э. Ферми, О. Ган, О. Фриш, Г. Н. Флеров и др.), что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины Периодической системы — лантан и барий. Этот результат и положил начало изучению реакций совершенно нового типа — реакций деления ядер. Реакция деления тяжелых ядер — деление тяжелых ядер под действием нейтронов (впоследствии оказалось и других частиц) на несколько более легких ядер, чаще всего на два ядра, близких по массе, с высвобождением двух или трех нейтронов (нейтронов де ления) и выделением большого количества энергии. В качестве примера деления тяжелых ядер рассмотрим деление 92 235 U: 92 235 0 1 54 139 38 95 0 1 2 U Xe Sr + → + + n n, (168.1) обратив внимание на то, что данная реакция не единственная, приводящая к делению урана, так как осколки деления могут быть разными. 288 В тяжелых ядрах число нейтронов значительно больше числа про- тонов ( N/Z ≈ 1,6), а для ядер средней части Периодической системы N/Z ≈ 1, поэтому образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего и испускается несколько нейтронов деления. Испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказы- ваются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд β-превращений, сопровождаемых испусканием γ-квантов. Так как β − -распад сопро- вождается превращением нейтрона в протон [см. (165.2)], то после цепочки β-превращений соотношение между нейтронами и прото- нами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу. Так, осколок деления 54 139 Xe [см. (168.1)] в результате трех актов β − -распада превращается в стабильный изотоп лантана 57 139 La: 54 139 55 139 56 139 57 139 Xe Cs Ba La β β β → → → Деление тяжелого ядра на два осколка должно сопровождаться (см. § 161) выделением огромной энергии 1,1 МэВ/нуклон (равна разности удельных энергий связи в ядрах — продуктах деления и исходного ядра, т. е. (8,7—7,6) МэВ/нуклонов). Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления дейст- вительно выделяется огромная энергия (200 МэВ), которая распре- деляется между осколками (основная доля), нейтронами деления, а также между продуктами последующего распада осколков деления. § 169. Цепная ядерная реакция Испускаемые при делении тяжелых ядер вторичные нейтроны [см. § 168] могут вызвать цепочку процессов деления, что делает возмож- ным осуществление цепной реакции деления — ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом раз множения k — отношением числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k ≥ 1. При k > 1 идет развивающаяся реакция, число делений непре- рывно растет и реакция может стать взрывной. При k = 1 протекает самоподдерживающая реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k < 1 идет затухающая реакция. Коэффициент размножения зависит от природы делящегося ве- щества, а для данного изотопа — от его количества, а также размеров 289 и формы активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция). Минимальные размеры активной зоны, при которых воз- можно осуществление цепной реакции, называют критическими размерами. Минимальную массу делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимую для осуществления цепной реакции, называют критической массой. Цепные реакции подразделяют на управляемые и неуправ ляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней 92 233 U (или 94 239 Pu) делят на две удаленные друг от друга части с мас- сами, ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная реакция, со- провождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции реализуются в ядерных реакторах — устройствах, в которых осуществляются и поддерживаются управляемые цепные реакции деления. § 170. Реакции синтеза атомных ядер. термоядерные реакции Деление тяжелых ядер сопровождается выделением большого ко- личества энергии (см. § 168). Однако еще больший энергетический эффект можно получить в реакциях синтеза атомных ядер — реакциях слияния легких ядер в более тяжелые, происходящих при сверхвысоких температурах и сопровождающихся выделением огромной энергии. Удельная энергия связи ядер (см. рис. 186) резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия 2 1 H и трития 3 1 H) к литию 6 3 Li и особенно к гелию 2 1 H, т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровождаться выделением большого количества энергии, что действительно подтверждается расчетами. В качестве примеров рассмотрим реакции синтеза: 2 1 H + 2 1 H → 3 2 H + 1 0 n (Q = 3,3 МэВ); 2 1 H + 2 1 H → 3 2 H + 1 1 p (Q = 4,0 МэВ); (170.1) 2 1 H + 3 1 H → 4 2 H + 1 0 n (Q = 17,6 МэВ), (170.2) где Q — энерговыделение. Сравним энергетический эффект реакций деления тяжелых ядер и синтеза легких ядер. Так, если при делении ядра 92 238 U выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон пример- но 0,84 МэВ, то в реакции (170.1) эта величина равна 17 6 5 3 5 , , МэВ МэВ ≈ 17 6 5 3 5 , , МэВ МэВ ≈ Для оценки температуры протекания реакции синтеза рассмотрим слияние ядер дейтерия 2 1 H [см. (170.1)]. Эти ядра надо сблизить до расстояния 2 ⋅10 −15 м (радиус действия ядерных сил), преодолевая при этом потенциальную энергию отталкивания e r 2 0 4 0 7 πε ≈ , МэВ Так как на долю каждого сталкивающегося ядра приходится половина указанной энергии, то средней энергии теплового движения, рав- ной 0,35 МэВ, соответствует температура, приблизительно равная 2,6 ⋅ 10 9 К (отметим, что температура центральных областей Солн- ца ≈ 1,3 ⋅ 10 7 К). Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, проис- ходящие при сверхвысоких температурах ( ≈ 10 7 К и выше), называ- ют термоядерными реакциями. Термоядерные реакции являются одним из источников энергии Солнца и звезд. Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водород- ной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией. Взрывчатым веществом, в котором происходила реакция (170.2), является смесь дейтерия и трития, а запалом — «обычная» атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции температура. Особый интерес представляет осуществление управляемой тер моядерной реакции, для обеспечения которой необходимо создание и поддержание в ограниченном объеме температуры порядка 10 8 К. Так как при данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизованную плазму, возникает проблема ее эффективной термоизоляции от стенок рабочего объема. Для этого используются токамаки (термоядерный реактор с маг- нитным удержанием плазмы, выполненный в форме тора). Первый токамак был построен в России в Институте атомной энергии им. Курчатова в 1956 г. Начато финансирование новейшего термоядерного реактора «Иг- нитор», который разместится в Троицке (его сборка и тестирование должны завершиться к 2017 г.). Рассмотрение работы таких реакторов выходит за пределы программы. Управляемый термоядерный синтез открывает человечеству до- ступ к неисчерпаемой «кладовой» ядерной энергии, заключенной в легких ядрах. Остается только надеяться, что решение этой неот- ложной проблемы поиска и создания альтернативных источников энергии (ведь запасы земных недр не вечны!) — дело не столь дале- кого будущего… 291 Гл а в а 23 элЕмЕнты Физики элЕмЕнтаРных частиЦ § 171. элементарные частицы и античастицы Долгое время атомы рассматривались как мельчайшие неделимые частицы вещества. Но оказалось, что атом состоит из атомного ядра и электронов, а ядро, в свою очередь, — из нуклонов (протонов и нейтронов). По мере развития науки и экспериментальной техники понятие «элементарность» постоянно трансформировалось. Так обнаружено, что при распаде нейтрон превращается в протон, электрон и анти- нейтрино [см. (165.2)]. В настоящее время |