Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 103
Текст из файла (страница 103)
Ь Ь х с со д х Я х 1, ~4 з Ю х,' Ч ао х х о хо со 5 о сс х х" с с| о, х о сс о *х с х я о со ~ с. о н д сЧ ) х " о. д о с:ъ с4 я рс х х х х х с х х с о о с'с о, 1 Во сс о". о а х а-распад ядра 'тх() ") приводит, согласно правилам смещения, к образованию ядра с зарядом 92 — 2=:90 н массовым числом 238 — 4=234, т. е. изотопа тори я ",,'ТЬ. Этот изотоп тория, называемый иначе (ЗХг (ураннкс-однп), также оказывается радиоактивным веществом, испускающим р-частицы. Продуктом )з-распада ',"„'ТЬ оказывается '-"„",Ра — изотоп элемента п рота кт и н и я с атомной массой 234, называемый иначе Т)Хз.
Этот изотоп опять- таки радпоактивен и т. д. Цепочка последовательных продуктов распада урана, так называемое радиоактивное селгейслпво урана, изображена на рнс, 389. Только после !4 следующих друг за дру.гом распадов атом урана превращается в нерадиоактивный или, как говорят, стабильный изотоп свинца -'„",'РЬ. Распад урана приводит в конечном счете к накоплению свинца. И действительно, урановые руды всегда содержат свинец. В урановых рудах накапливаются, конечно, и все промежуточные продукты цепи распада урана.
Р а д и й является пятым продуктом в этой цепи. КаК, о котором шла речь выше,— седьмой продукт в цепи распада радия. Первым потомком радия является Кп — радиоактивный инертный газ р а до н (называемый иногда эманацией радия). Накопление радиоактивных продуктов превращения ограничивается их распадом. Чем м е н ып е период полураспада вещества, тем быстрее оно распадается и тем м е н ьш е его содержание в материнском веществе (уране нли радин). Всякое радиоактивное превращение связано, как мы знаем, с испусканием либо сс-, либо ))-частицы.
Некоторые превращения сопровождаются еще и у-излучением. Сюда относится, например, превращение КаС в КаС' (рис. 389). Помимо семейства урана, в природе существуют еще два радиоактивных семейства.. Родоначальником одного из них является торий, родоначальником другого — редкий изотоп урана ",",Ы. $216. Прнменення радиоактивности. !. Бнаюгнчесхне действия радиоактивные нзлучення гибельно действуют ва живые клетки. Механизм этого действня связан с ноннзацней атомов н разложением молекул внутрн клеток прв прохождення быстрых заряженных частиц.
Особенно чувствнтельны к воздействию излучений клетка, находящпеся в состоянии быстрого роста н размножения. Это обстоятельство используется для леченая раковых опухолей. ') Напомним, что числа, сопровождающие хнмнческнй символ элемента, означают: нпжнее число — порядковый номер, верхнее число— массовое число рассматрнваемого изотопа. Для целей терапии употребляют радиоактивные препараты, испускающие т-излучение, так как последние без заметного ослабления проникают внутрь организма. При не слишком больших дозах облучения раковые клетки гибнут, тогда как организму больного не причиняется существенного ущербз.
Следует отметить, что радиотерапия рака, так же как н рентгенотерапня, отнюдь не является универсальным средством, всегда приводящим к излечению. Чрезмерно большие дозы радиоактввных излучений вызывают тяжелые заболевания животных и человека (так называемая л у ч е в а я б о л е з и ь) и могут привести к смерти.
В очень малых дозах радиоактивные излучения, главным образом а-излучевие, оказывают, напротив, стнмулнрующее действие на организм. С зтим связан целебный аффект радиоактивных минеральных вад, содержащих небольшие количества радия нли радона. 2. Сеешли(иесл составы. Люминесцирующие вещества светятся под действием радвоактивных излучений (ср. 4 213). Г!рибавляя к люмннесцнрующему веществу (например, сернистому цинку) очень небольшое количество соли радия, приготовляют постоянно светящиеся краски.
Эти краски, будучи нанесены на циферблаты и стрелки часов, прицельные приспособления и т. п., делают их видимыми в темноте. 3. Определение возраеша Земли. Атомная масса обыкновенного свинца, добываемого из руд, не содержащих радиоактивных злементов, со. ставляст 20Т,2. Как видно вз рис. 389, атомная масса свинца, образующегося в результате распада урана, равна 206. Атомная масса свинца, содержащегося в некоторых урановых минералах, оказывается очень близкой к 206. Отсюда следует, что зги минералы в момент образования (кристаллизации из расплава или раствора) не содержали свинца; весь наличный в таких минералах свинец накопился в результате распада урана.
Используя закон радиоактивного распада, можно по отношению ко. лнчеств свинца и урана в минерале определить его возраст (см. упражненве 32 в конце главы), Определенный таким методом возраст минералов различного про. псхождення, содержащих уран, измеряется сотнями миллионов лет. Возраст древнейших минералов превышает 1,5 миллиарда лет.
Возрастал| Земли принято считать время, прошедшее с момента абразонания твердой земной коры. По многим измерениям, основанным на радиоактивности урана, а также торна и калия, возраст Земли превыша. ет 4 миллиарда лет. В 217. Ускорители. Пучки быстрых а-чзстнц, даваемые рзднозктнвнымн препарзтзмн, оказались незаменимым средством зондирования атомов 8 203). Пожалуй, еще большую роль сыгралп пучки быстрых частиц в изучении а т о мн ы х я д е р (гл.
ХХ!т(). Однако для нсследовзння атомных ядер понадобились заряженные частицы более быстрые, в большем числе и в большем ассортименте (не только сс-чзстнпы н электроны, но также протоны, дейтроны з) н ядра всех хкмнческнх элементов), чем могут дать рздпозктпвные препараты. Для удовлетворения этой потребности были разрзботзны различные типы так назь1ваемых ускорителей— ') Дейтронами называют ядра тяжелого водорода (дейтерня).
приборов для искусственного ускорения заряженных частиц до больших энергий. История ускорителей ведет начало с 1932 г„когда сотрудники Резерфорда — английский физик Лжон Кокрофт (1897 — ! 967) и ирландский физик Эрнест Уолтон (р. 1903) — построили установку для получения протонов с энергией до полумиллиона электронвольт. За истекшие годы техника ускорителей достигла большого развития: в настоящее время существуют приборы, сообщающие частицам энергию в сотни миллиардов электронвольт. Рке. 390. Общий вид вакуумиой камеры аиклотрака Чтобы сообщить заряженной частице энергию, достаточно заставить ее пройти ускоряющую разность потенциалов. Увеличивая эту разность потенциалов, мы увеличим энергию частицы.
Нельзя, однако, идти по этому пути очень далеко из-за опасности пробоя изоляции при высоком напряжении. Практическим пределом является напряжение 6 — 8 МВ (мегавольт). Напряжения такого порядка получаются с помощью электростатических генер а т о р о в (см. том П, э 3!). Чтобы преодолеть этот предел, поскольку разность потенциалов свыше 8 Л1В осуществить невозможно, остается ускорять частицы од н о й и т о й ж е разностью потенциалов многократно. Идея м н о г о к р а т н о г о ускорения заряженной частицы сравнительно небольшой разностью потенциалов и лежит в основе большинства современных ускорителей. Примером осуществления этой идеи служ»т так называемый а)иклоларои, предложенный в 1936 г.
американским физиком Эрнестом Лоуренсом (1901 — 1968). 535 Принцип действия циклотрона состоит в следующем. Два полых электрода (называемь|х дуантаэяи) монтируются в непрерывно откачиваемой до высокого вакуума камере и помещаются между полюсами сильного магнита (рис.
390— 392). К дуантам прикладывается быстропеременная разность потенциалов. В центре камеры между дуантами Рис. Зэп Общий вяд Ннклотрона, ускоряющего протоны до энергии аб Мэп', ! — вакуумная камера, 2 — ярмо электрамагюыа, о — полюсы электромагнита с надетыми на ннх намагннннвающнмн обмоткамя устанавливается источник ионов (например, газовый разряд в атмосфере водорода) (рис. 392). В те полупериоды переменного тока, когда электрическое поле направлено от дуанта 1 к дуанту 2. из щели источника 3 вытягиваются положительные ионы.
Проходя промежуток между дуантами, ионы приобретают некоторую энергию, зависящую от разности потенциалов между дуантами. В поле магнита ионы движутся по окружности Я 198). Замечательной особенностью движения в однородном магнитном поле является независимость времени ооращения от скор ости частицы, так как с увеличением скорости частицы увеличивается и радиус круговой траектории частицы. Действительно, согласно (198.1) радиус окружности, описываемой частицей в поле В, г = то1дВ. 536 Отсюда время одного оборота равно 2пг 2п тп 2нгн и о дВ ЧВ' т. е.
при постоянных т, д и В время т не зависит от о, а значит, и от энергии частицы. Пусть период переменной разности потенциалов, приложеннойкдуантам,в точности равен времени Рис. 392 Схеча каттеры инклотрона: 1, 2 — дуантьь Луанты представляют собой нечто вроде половинок очень плоской консервной банки, разрезанной по диаметру; д — источник ионов, 4 — вводы переиеиного напряжения на дуанты, 5 — пластина, заряженная отрипательно н служагчая для отклонения ускоренных ионов в окно 6, через которое ускоренный пучок ныводнтся наружу. Штриховая спираль — траектория иона о б р а щ е н н я т. В этом случае, когда пон, описав полуоборот в дуанте 2 (рис, 392), подойдет во второй раз к зазору между дуантами, электрическое поле в зазоре будет направлено уже от 2 к 1, т.
е. по направлению движения иона. Следовательно, пройдя зазор, ион удвоит свою энергию. Опясав теперь полуоборот в дуаите 1, иоп встретит н зазоре поле, направленное снова от 1 к 2, и еще увеличит свою ввергаю и т, д. По мере увеличения скорости иона радиус его траектории возрастает согласно (198.1). Траектория нона в циклотроне напоминает поэтому раскручивающуюся спираль.
Нетрудно, используя (198.!), рассчитать энергию ионов, оказавшихся в результате ускорения на расстоянии Я от источника: гное о'Вша К =.= — = 2 2т 537 Из-за явления магнитного насыщения железа (см. том П, й 150) магнитная индукция поля в циклотроне не может превысить 1,5 Тл. Поэтому для увеличения энергии частиц Вис. 393. Впа уиастка кольцевого зала серпуховского ускорители иа 76 ГаВ: диаметр орбитм 472 м, масса железа в магните 20 000 т приходится увеличивать радиус полюсов магнита. Так, в циклотроне, дающем пучок протонов с энергией около 400 Мэй, диаметр полюсов магнита равен 4,5 м. Когда кинетическая энергия ускоряемой частицы становится не малой по сравнению с энергией покоя частицы 538 т,сз, начинает сказываться зависимость массы частицы от ее энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
