Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 107
Текст из файла (страница 107)
Как мы отмечали раньше (см. 9 200), фотоны, обнаруживая много черт сходства с другими частицами, характеризуются и важной отличительной чертой; их м а сса покоя равна нулю. Фотонвсегдадвижетсясо скоростью света. При остановке, например при поглощении, свет как таковой перестает существовать. й 224. Применение закона Эйнштейна к процессам аннигиляции и образования пар. Согласно соотношению (199.1) покоящаяся частица обладает внутренней энергией (энергией покоя), равной тс', где т — масса покоя часпщы. При аннигиляции покоящихся электрона и позитрона их энергия покоя полностью превращается в электромагнитную энергию двух у-квантов. Энергия покоя электрона и энергия покоя позптрона равны каждая тс', где т= =0,911.10 " кг, Энергия каждого нз у-квантов равна йч. По закону сохранения энергии должно быть, следовательно, 2йч = 2тс', 554 т.
е. д.= . =00!! !0-" (З.!0) =8,210- Лн = =8,2 !О га)(1,6 10 ") эВ= 0,51 10' эВ= 0,5! МэВ. Таким образом, энергия каждого из у-квантов, испускаемых при аннигиляции электрона и позитрона, должна составлять 0,51 МэВ. Измерения энергии образуюшихся у-квантов прекрасно согласуются с этим выводом. При образовании у-квантом пары электрон — позитрон энергия у-кванта йч превращается в энергию покоя н кинетическую энергию частиц. Применяя закон сохранения энергии, имеем Ьч= 2пчсе-)- )и'„, где ))т„— суммарная кинетическая энергия электрона и познтрона. Используя предыдущие вычисления, можем написать Ьч= 2 0,51+ К„=1,02 МэВ)-)г,. Так как кинетическая энергия всегда положительна, то образование пар может происходить только под действием у-квантов с энергией, большей чем 1,02 МэВ.
Опыт подтверждает этот вывод, а также полученную выше связь между энергией у-кванта и кинетической энергией пары электрон— позитрон. Таким образом, изучение явлений аннигиляции и образования пар подтверждает справедливость закона Эйнштейна. ф 225. Строение атомного ядра. Из предыдущего (см. ~ 201) мы знаем, что массы атомов, а значит, и массы атомных ядер очень близки всегда к ц е л о м у числу атомных единиц массы. Напрашивается вывод, что атомные ядра построены нз частиц приблизительно единичной массы. Такими частицами являются п р о т о н и н е й т р о н. На первый взгляд кажется, что, помимо нейтронов н протонов, ядра должны содержать также п о з н 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 анализ различных свойств ядер заставляет признать, что в них отсутствуют как таковые н позитроны, н электроны.
Так, некоторые искусственно-радиоактивные вещества (например вх изотоп меди еэСн) излучают два рода частиц — позитроны и электроны. Часть атомных ядер такого вещества при распаде превращается в предыдущий элемент периодической системы с испусканием позитрона, 555 тогда каи другая часть ядер того же вещества превращается в следующий элемент с испусканием электрона. Ядра такого вещества, казалось бы, должны содержать в своем составе как позитроны, так н электронм*). Но одновременное существование позитронов н электронов в объеме ядра противоречит свойству этих частик объединяться, превращаясь и пару у-квантов.
Но если позитроны и электроны в готовом виде в ядре не присутствуют, то, очевидно, в процессе распада ядра, сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, они образуются 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 вылете электрона (отрицательного заряда), наоборот, один из нейтронов делается протоном.
Допущение об образовании электронов и позитронов при радиоактивном распаде тем более естественно, что образование этих частиц наблюдается, как упоминалось в 9223, и в других процессах. Идея о строении атомных ядер из протонов и нейтронов вскоре после открытия нейтрона была высказана советским физиком Дмитрием Дмитриевичем Иваненко (р. 1904) и немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901 — 1976). Справедливость протонно-нейтронной модели ядра быпа доказана работами ряда ученых. Поскольку массовое число протона и нейтрона есть единица, массовое число ядра равно полному числу частиц (протонов и нейтронов) в составе ядра, Заряд же ядра, выраженный в элементарных единицах, равен, очевидно, ч и с л у п р о т о н о в в ядре.
Таким образом, согласно протонно-нейтронной модели, атомное я д р о с массовым числом Ан зарядом Л содержит в своем составе А частиц, втомчисле Л протонов нА — Л нейтронов,Так,например, ядро кислорода ыО состоит из 8 протонов и 16 — 8=8 нейтронов. Ядро изотопа свинца ",,еРЬ содержит 82 протона и 206 †8 124 нейтрона и т. д, Простейшим атомным ядром является ядро водорода, т. е, протон. Присоединяя к протону нейтрон, получим самое простое из составных ядер — дейтрон, или ядро тямселого водорода (обозначается ,'Н или (з), Прибавляя еще один пейтрон, образуем ядро еще более тяжелого изотопа водорода, называемого пгритием ЦН, *) Опыты обнаруживают полное совпадение всех свойств (заряд, масса и т.
д.) все х атомных ядер данного изотопа. Такое полное совпадение свойств говорит о тождественности таких ядер. Нельзя поэтому допустить, что, например, одни ядра ееСн содержат электроны, а другие — позитроны, 556 или Т), Тритий относится к числу искусственно-радиоактивных 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 'еНе, состоящий из двух протонов и нейтрона. Этот изотоп устойчив и содержится в очень малой пропорции в природном гелии.
Ядро основного изотопа гелия .',Не (а-частица) образуется добавлением еще одного нейтрона. а-частица содержит, таким образом, два протона и два нейтрона. Продолжая увеличивать число нейтронов и протонов в ядре, мы получим все существующие атомные ядра. Состав наиболее легких ядер (до кислорода включительно) указан на диаграмме рис. 401. Как видно из диаграммы, устойчивые (нерадиоактивные) л е г к и е я д р а с о д е ржат примерно равные количества нейтронов и протонов.
В тяжелых ядрах имеется некоторый перевес в числе нейтронов; так, в ядре свинца нейтронов примерно в полтора раза болыце, чем протонов. Соотношение чисел нейтронов и протонов, которое осуществляется в устойчивых ядрах, является наиболее выгодным. придающим ядру наибольшую прочность. Отступления от этого соотношения делают 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 протон, т. е. ядро распадается с испусканием электрона (пример: ",Ве- "..В+е н ч). Напротив, если в ядре избыток протонов, то один из протонов превращается в нейтрон, испуская позитрон (пример: '„'С- ' В+е" +ч), Поскольку ядерные частицы — протоны и нейтроны— прочно удерживаются в ядрах, между ними должны действовать с и л ы п р и т я ж е н и я. Эти силы должны быть достаточно велики, чтобы противостоять грандиозным силам взаимно~о электростатического отталкивания протонов, сближенных на расстояние порядка размеров ядра (10 10 ".
м). Особые силы, возникающие при сближении ядерных частиц (протонов, нейтронов) на матые расстояния и связывающие зти частицы в ядра, получили название ядерных сил '). С действием ядерных сил мы встречались уже при изучении захвата медленных нейтронов ядрами (э 221). Ядерные силы проявляются и во всех других ядерных процессах— *) Как показывает изучение ядер, ядерные силы притяжения действуют между любой парой частию — двумя протонами, двумя нейтрона ми и протоном и нейтроном (подробнее см.
й 232). У ВСНОШа~И оллЬ о о. о о о т ,а о. с со д а а о а о о х х Л Я й й й~ о Р". о Я со сох 3 ох х с о од -о. х о х" х ао с в о л о с щ о х МЯ. х о Ф дно хОЯ Д я х а с о Е х е , а о о х с с. о с х ах -„„., о Ю л2 с о о ы оо й Я ( д х х х (:Р с 'о 2„" при ядерных реакциях и в явлениях радиоактивности. Хотя в настоящее время многие свойства ядерных сил подробно изучены, точные законы их действия все еще не выяснены.
Установление этих законов является одной из центральных задач современной атомной физики. э 226. Ядерная энергия. Источник энергии звезд. На протяжении курса физики мы познакомились с различными форлгами энергии, способными превращаться друг в друга. Сюда относятся кинетическая энергия движущихся тел, потенциальная энергия тел в поле снл тяготения, энергия электромагнитных полей, внутренняя энергия тел и т. д. Изучение ядерных превращений свидетельствует о существовании еще одной формы энергии — так называемой ядерной энергии *). Ядерная энергия — это энергия, запасенная в атод«ныг ядрах и переходящая в другие виды энергии при ядерггвгх превращениях — при радиоактивнод«распаде ядер и ядерно«с реакциях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
