Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 136
Текст из файла (страница 136)
Дираком было получено (1928) релятивистское волновое уравнение для электрона, которое позволило объяснить все основные свойства электрона, в том чксле наличие у него спнна н магнитного момента. Замечательной особенностью уравнения Днрака оказалось та, что из него для полной энергии свободного электрона получались не только положительные, на н отрицательные значения. Этот результат мог быть объяснен лишь предположением о существовании античастицы электрона — познтрона. Гипотеза Днрака, недоверчиво воспрннимавтваяся большинством физиков, была блестяще подтверждена в 1932 г.
К. Андерсоном (американский физик (р. 1905); Нобелевская премия 1936 г.), обнаружившим познтрон в составе космического излучения. Существование позитронов было доказано наблюдением их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле. Эти частицы в камере отклонялись так, как отклоняетсн движущийся положительный заряд.
Опыты показали, что позитрон еоте †части с массой покоя, в точности равной массе покоя электрона, н спинам Ь/2, несущая положительный электрический заряд +е. Жолио-Кюри — Фредерик (1900— 1958) и Ирен (1897 — 1956),— бомбарднруя различные ядра сс-частнцами (1934), обнаружили искусственно-радиоактивные ядра (см. 4 255), нспытывающне Р -распад, а реакции на В, А! и Мп привели к искусственно-радноактивным ядрам, претерпевающим ре-распад, нли позитронный распад: 'зВ+2Не '7(х( ~ тгс+ол, ~з ~з о о 7)4) С+ т,е+оз,; ат 4 ат зо тзА!+2Не~тзР мР+о" зо зо о о ) оР ~~5!+ е ~е+ д 24 4 22 27 ! „Мй+2Не -' ~451-~-~48!+ оп. ат.
ю о о ,481-4- тзА1+ е,е+оч, (Нобелевская премия 1956 г.) Наличие в этих реакцннх позитронов доказано прн изучении их треков в камере Внльсона, помещенной в магнитное поле. Такнм образом, в экспериментах Жо- лио-Кюри, с одной стороны, открыта искусственная радиоактивность, а с дру- гой — впервые обнаружен позитронный радиоактивный распад.
Энергетический ()+.спектр, как н 8 -спектр (см. $258), непрерывен. Ре- Распад подчиняется следующему правилу смещения: А х о 2Х вЂ” з,у+„.,е. Процесс Ре-распада протекает так, как если бы один нз протонов ядра превратил- ся в нейтрон, испустив прн этом позитрон н нейтрино: тР отл+ 4 ~~е+оот (263 1) причем одновременный выброс нейтрино вытекает нз тех же соображений, которые излагались прн обсуждении р -распада (см. $258). Так как масса покоя протона меныпе, чем у нейтрона, то реакция (263.1) для свабоднога протона наблюдаться не может. Однако для протона, связанного в ядре благодаря ядерному взаимодействию частиц, эта реакция оказывается энергетически возможной.
Вскоре после опытов К. Андерсона, а также обоснования ))т-распада было установлено, что позитроны могут рождаться прн взаимодействии у-квантов Г.т а н а 32. Элементы из 1 Фнанни атачнага ядра е-захвата: л о л о гХ+ |е- г-~У+ото о ~ а , р+, е-нов + ат,. большой энеРгии (Ет)1,02 МэВ=2лг,ад) с веществом (см. также $259). Этот про- цесс идет по схеме ое+ ое (263 2) Электронно-позитронные пары были действительно обнаружены в помещенной в магнитное поле камере Вильсона, в которой электрон и познтрон, имеющие противоположные по знаку заряды, отклонялись в противоположные стороны.
Для выполнения соотношения (263.2) помимо выполнения законов сохранения энергнн и импульса необходимо, чтобы фотон обладал целым спинам, равным 0 или 1, поскольку спины электрона и познтрона равны '/т. Ряд экспериментов и теоретических выкладок привели к выводу, что спин фотона действительно равен ! (в единицах А). При столкновении познтрона с электроном происходит их анннгнлнцня: ',е+ еле- 27; (263.3) в ее процессе электронно-поэитронная пара превращается в два у-кванта, причем энергия пары переходит в энергию фотонов. Появление в этом процессе двух у-квантов следует из закона сохранения импульса н энергии.
Реакция (263.3) подтверждена прямыми экспериментами под руководством советского ученого Л. А. Ар. цимовича (!909 — 1973). Процессы (263.2) и (263.3) — процессы возникновения и превращения электронно-познтронных пар — являются примерам взаимосвязи различных форм материи; в этих процессах материн в форме вещества превращается в материю в форме электромагнитного поля н наоборот. Для многих ядер превращение протона в нейтрон, помимо описанного процесса (263.!), происходит посредством электронного захвата, илн е-захвата, при котором ядро спонтанно захватывает электрон с одной нз внутренних оболочек атома (К, т'.
и т.д.), испуская нейтрино: Необходимость появления нейтрино вытекает иэ закона сохранении спина. Схема т. е. один из протонов ядра превращается в нейтрон, заряд ядра убывает на единицу и оно смещается влево так же, как н прн познтронном распаде. Электронный захват обнаруживается по сопровождающему его характеристическому рентгеновскому излучению, возникающему при заполнении образовавшихся вакансий в электронной оболочке атома (нменно так е-захват и был открыт в 1937 г.). При е-захвате, кроме нейтрино, никакие другие частицы не вылетают, т.
е. вся энергия распада уносится нейтрино. В этом е-захват !часто его называют третьим видом ()-распада) существенно отличается от йе-распадов, прн которых вылетают две частицы, между которыми и распределяется энергия распада. Примерам электронного захвата может служить превращение радиоактивного ядра бернллия 4Ве и стабильное ядро зЫ: т т т еВе+ 1е — з1.!+ате а т а й 264. Открыгие нсйтрона, Ядерные реакции под действием нейтронов Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, не испытывают кулаковского отталкивания н поэтому легко проникают в ядра и вызывают разнообразные ядерные превращения. Ядерные реакции под действием нейтронов не только сыграли огромную роль в развитии ядерной физики, но н привели к появлению ядерных реакторов (см.$ 267).
Краткая история открытия нейтрона такова. Немецкие физики В. Боте (!89!— 1957) н Г. Беккер в 1930 г., облучая ряд элементов, в частности ядра бернллня, а-частнцамн, обнаружили возникновение излучения очень большой проникающей способности. Так кзк сильно проникающими могут быть только нейтральные частицы, то было высказано предположение, что обнаруженное нзлучение — жесткие у-лучи с энергией примерно 7 МэВ (энергия рассчитана по поглощению) .
Дальнейшие т Пн монны фннннн п~ннн~ гн н Чш н нн ч~члн1пп~, нощно эксперименты (Ирен и Фредерик Жолио- Кюри, 1931 г.) показали, что обнаруженное излучение, взаимодействуя с водородосодержащими соединениями, например парафином, выбивает протоны с пробегами примерно 26 см. Из расчетов следовало, что для получения протонов с такими пробегами предполагаемые у-кванты должны были обладать фантастической по тем временам энергией 50 МэВ вместо расчетных 7 МэВ! Пытаясь найти объяснение описанным экспериментам, английский физик Д.
Чэдвик (! 89! — 1974) предположил (1932), а впоследствии доказал, что новое проникающее излучение представляет собой не у-кванты, а поток тяжелых нейтральных частиц, названных им нейтронамн. Таким образом, нейтроны были обнаружены в следующей ядерной реакции: оВе+~хНе — ~~оС+ол. Эта реакция ие является единственной, ведущей к выбрасыванию из ядер нейтронов (например, нейтроны возникают а реакциях ',!3 (а, л) оВ и ~!В (а, л) ~т~(н(). Характер ядерных реакций под действием нейтронов зависит от их скорости (энергкн). В зависимости от энергии нейтроны условно делит на две группы: медленные и быстрые. Область энергий медленных гц и ~ ранов включает в себя область ультрахолодных (с энергией до 1О ' эВ), очень холодных (10 ' — 10 ' эВ), холодных (!О ' — 1О ' зВ), тепловых (!О' '— 0,5 эВ) и резонансных (0,5 в !О' эВ) нейтронов.
Ко второй группе можно отнести быстрые (10' — 10" эВ), высокоэнергетичные (10' — 10' эВ) и релятивистские ( ) !О'н эВ) нейтроны. Замедлить нейтроны можно пропуская их через какое. либо вещество, содержащее водород (например, парафин, вода). Проходя через такие вещества, быстрые нейтроны испытывают рассеяние на ядрах и замедляются до тех пор, пока их энергия не станет равной, например, энергии теплового движения атомов вещества-замедлителя, т.
е. равной приблизительно л Т. Медленные нейтроны эффективны для возбуждения идерных реакций, так как они относительно долго находятся вблизи атомного ядра. Благодаря этому вероятность захвата нейтрона ядром становится довольно большой. Однако энергия медленных нейтронов мала, потому они пе могут вызывать, например, неупругое рассеяние. Для медленных нейтронов характерны упругое рассеяние иа ядрах (реакция типа (л, л)) и радиационный захват (реакция типа (л, у)). Реакция (л, у) приводит к образованию нового изотопа исходного венгестаа: хХ+о~л ~~ хУ+У, например 4оСо) +пл — и оо( г)+у' Часто в результате (л, у) реакции образуются искусственные радиоактивные изотопы, дающие, как правило, 8 -распад.
Например, в результате реакции з~ ~ зо |оР+оп -«ыР+у образуется радиоактивный изотоп „Р,презх терпевающий (У '-распад с образованием стабильного изотопа серы. зз зг о ,оР г к ',о5+,е. Под действием медленных нейтронов на некоторых легких идрах наблюдаются также реакции захвата нейтронов с ис.
пусканием заряженных частиц — протонов и а-частиц (под действием тепловых нейтронов): з ~ з оНе+ол,Н+,р, 'о~В+пол — н зд(.!+о~Не (используется для обнаружения нейтронов) или нз(з'+ о~л — ',Н+,'Не (используется для получения трития, в частности в термоядерных взрывах; см. $268). Реакции типа (л, р) и (л, а), т. е. реакции с образованием заряженных частиц, происходят в основном под действием быстрых нейтронов, так как в случае медленных иентронов энергии атомного ядра недостаточно для пребдоления потенциального барьера, препятствующего вылету .1 1'1" 1ыиюлы фи.д«, дпо1ноп1 9.191 А 1 А ' 1 2Х+дп -'- 2Х +дп', 237() 92 протонов и и-частиц. Эти реакции, как и реакции радиационного захвата, часто ведут к образованию )) -активных ядер.
Зля быстрых нейтронов наблюдается неупругое их рассеяние, совершающееся по схеме где вылетающий из ядра нейтрон обозначен как дл', поскольку это не тот нейтрон, 1 который проник в ядро; дп' имеет энергию, меньшую энергии дп, а остающееся после вылета нейтрона ядро находится в возбужденном состоянии (отмечено звездочкой), поэтому его переход в нормальное состояние сопровождаетсн испусканием у-кванта. Когда энергия нейтронов достигает значений 10 МэВ, становятся возможнымн реакции типа (и, 2п).
Например, в результате реакции 239 1 1 237 1 92Ь +дп 92() + 29п образуется () -активный изотоп претерпеваюший распад по схеме 237 237 9 ю"-1 951чр+ '. 2п'1. Р. ы11и7~ 71ел:пиА идпп К началу 40-х годов работами многих ученых — Э. Ферми (Италия), О. Гана (1879 — 1968), Ф. ((!трассмана (1902— 1980) (ФРГ). О. Фриша (190А — 1979) (Великобритания), Л. Мейтнер (1878— 1968) (Австрия), Г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
