Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 105
Текст из файла (страница 105)
Это происходит потому, что число быстрых частиц, даваемых ускорителями или радиоактивными препаратами, сравнительно мало (см. упражнение 38 в конце главы), и, кроме того, только малая доля этих частиц производит ядерные реакции. Например, одно ядерное превращение приходится на сто тысяч — миллион бомбардирующих а-частиц. Причину такого малого числа ядерных реакций нетрудно понять. Чтобы проникнуть внутрь атомного ядра, налетающая заряженная частица должна преодолеть огромные силы электростатического отталкивания, ибо и частица, и бомбардируемое ядро обладают положительным зарядом.
Поэтому ядерные превращения могут производить только достаточно быстрые частицы, способные преодолеть электростатическое отталкивание. Но, двигаясь в веществе, быстрые частицы расходуют свою энергию на ионизацию и *) Вызывать ядерные реакпии могут ядра и более тяжелые, чем гг-частицы, если их энергия достаточна для преодоления сил электростатического отталкивания.
В настоящее время больщой интерес привлекают ядерные реакции> вызываемые релятивистскими тяжелыми ионами. возбуждение атомов. Очень скоро они полностью затормаживаются, захватывают электроны и превращаются в нейтральные атомы. Ввиду малых размеров ядер (см. 2 203) лишь немногие частицы сталкиваются с ядром до того, как они растратят свою энергию. Только такие р е д к и е случаи и приводят к ядерным расщеплениям.
Мы увидим в 3 226, что в условиях, существующих на звездах, ядерные реакции, раз начавшись, продолжаются сами собой подобно тому, как огонь, охватывая новые и новые порции топлива, горит до тех пор, пока последнее не исчерпается. Подобные самоподдерживающиеся, или, как говорят, незатухающие, цепные реакции удается осуществить и в земных условиях (см. 3 227). В цепных ядерных реакциях превращение атомов осуществляется уже в больших масштабах, не уступающих зачастую масштабам, в которых происходит превращение молекул в химических реакциях.
2 220, Свойства нейтронов. Непускание нейтронов было обнаружено впервые (в 1932 г.) при облучении бериллия се-частицами. Происходящая при этом ядерная реакция состоит в захвате а-частицы ядром бериллня, в результате чего образуется ядро углерода и испускается нейтрон. Уравнение реакции записывается так: ',Ве — , ','Не — ",С+и. (220. 1) Здесь символ п означает нейтрон.
В дальнейшем было открыто много других ядерных реакций, в которых также выделяются нейтроны. Однако реакция а-частнц с бериллисм по-прежнему применяется для получения нейтронов. До сего времени в качестве компактных н с т о ч н и к о в н е й т р о н о в пользуются ампулами, заполненными смесью а-радиоактивного вещества с порошком бериллия.
Поместим такой источник нейтронов возле работающей камеры Вильсона, внутри которой укреплена пленка вещества, содержащего водород (например, парафина С„Н,„). На фотографии в камере мы увидим следы, исходящие из пленки и представляющие собой следы протонов, как об этом можно судить по характеру ионизации (см. схематический рис. 394). Все следы идут от пленки вперед, если смотреть из источника. Эти следы созданы протонами, выбитыми из пленки в результате ударов быстрых нейтронов, летящих из источника. Следов самих нейтронов, пересекших камеру, на 18 Элементаримй учебник физики, т. Н! 545 снимках нет, Нейтроны, следовательно, не п роизводят заметной и он и за ции, т.
е. в отличие от заряженных частиц практически не взаимодействуют с электронами. При прохождении через вещество нейтроны взаимодействуют только с атомными ядрами, но так как размеры ядер очень малы, то нейтроны сталкиваются с ними очень редко 1см. упражнение 40 в конце главы). Этим объясняется способность нейтронов свободно проходить сквозь толстые 1измеряемые сантиметрами) слои вещества (например, стенки источника и камеры в опыте, изображенном на рис.
395). Как видно пз рис. 395, наибольшую длину следа (а значит, наибольшую энергию) имеют протоны, выбитые в направлении движения нейтрог нов, а не под заметным углом к пену, Эту особенность нетрудно понять, рассматривая столк- с С новения нейтрона с протоном 1 как удар упругих шаров р а вн о й и а с с ы, Ударяемый шар летит точно вперед только прн лобовом у даре (рис.
396). Но в этом случае ударяющий шар останавливается, т. е. передаст ударяемому шару в с ю свою энергию. Движению протона под углом к нану правлению начальной скорости нейтрона соответствует б о к оп о й у д а р (рис. 397). При боковом ударе ударяющий шар не останавливается, но изменяет направление движения, передавая второму шару лишь ч а с т ь своей энергии. При столкновении не равин ы х п о м а с с е шаров передача энергии не столь велика, как при столкновении шаров равной массы, и тем меньше, чем больше различие в массах шаров. В самом деле, при ударе о тяжелый шар легкий шар отскакивает назад, сохраняя почти всю свою энергию. Тяжелому шару передается поэтому малая доля энергии легкого шара 1см.
упражнение 41 в конце главы). Аналогия с ударом шаров приводит к следующему выводу. При соударенилх с ядрами нейтроны теояют энергию, с с т, е, эалгедляготся. Замедляюшее действие соударений тем больше, чем легче ядро, т. е. чем ближе масса ядра к массе а) Рис. 396. Лобовой удар упр)тих шаров равной массы: а) до удара; б) после удара. Ударяющий шар останавливается, передавая свою скорость ударяемому ф ,з а) Рис. 397.
Боковой удар упругих шаров равной массы: а) до удара; б) удар; а) после удара. Ударяемый шар летит под углом к начальному направлению днижения ударяющего шара и воспринимает лишь часть энергии последнего нейтрона. Особенно с и л ь н о е з а м е д л е н и е и р оисходит при соударениях нейтронов с равными им по массе протонами. ф 221. Ядерные реакции под действием нейтронов. Столкновение быстрого нейтрона с ядром в большинстве случаев приводит к р а с с е я н и ю нейтрона, т. е. к изменению направления его полета и передаче при этом ядру части энергии.
Возможен, однако, и другой результат столкновения: нейтрон захватывается ядром, и благодаря этому происходит ядерная реакция. Примером ядерной реакции под 18 а 547 действием нейтронов является расщепление бора: ",В+ п з(.1+',Не. (221. 1) Ядро бора, захватывая нейтрон, расщепляется на ядра лития и гелия, разлетающиеся с большой скоростью.
Реакцию бора с нейтронами можно наблюдать, поместив в камеру Вильсона тонкий слой бора. Облучая камеру быстрыми нейтронами, мы увидим на снимках жирные следы и) б) Рнс. 398. Схема опыта по наблюдению расщепления бора быстрыми (а) и медленными (б) нейтронами: ! — источник нейтронов, з — тонкая борная пленка в камере Вильсона, 3 — парафиновая сфера.
Короткие жирные следы вызваны ядрами зь1, более длинные — а-частицами. т Штриховой линией указан путь одного иа нейтронов в парафиновой сфере ядер лития и гелия, выходящих во все стороны из слоя (рис. 398, а). Окружим источник нейтронов веществом, содержащим много водорода, например парафиновой сферой диаметром 15 — 20 см. Теперь на пути в камеру нейтроны будут испытывать соударения с ядрами углерода (А =12) и, что особенно существенно, с протонами, При этом, как мы выяснили в нредыдущем параграфе, нейтроны будут замедляться и попадут в камеру Вильсона с энергией, во много раз меньшей своей начальной энергии '). Действие парафина ") Источники испускают нейтроны с энергией, как правило, свыше 1 МэВ.
Лапта ась в большой толще парафина, нейтроны замедляются настолько, что их энергия снижается до энергии теплового движения атомов среды (0,03 — 0,04 эВ), 548 будет неожиданным: число следов на снимках, а значит число расщеплений ядер бора, многократно увеличится (рис. 398, б), Следовательно, чем медленнее нейтроны, тем с болыией эффективностью они захватываются ядрами и производят ядерные реакции. Помимо скорости нейтрона, эффективность, с которой нейтроны захватываются веществом, зависит еще от рода атомов.
Наблюдая прохождение м е д л е к н ы х нейтронов через слой бора, обнаружим, что они почти полностью задерживаются слоем бора толщиной в доли миллиметра. Подобные же опыты показывают, что, кроме бора, сильными поглотителями медленных нейтронов являются кадмий, литий, хлор, серебро и др. Напротив, такие вещества, как бериллий, тяжелая вода, углерод, висмут, поглощают медленные нейтрокы крайне слабо. Сильное поглощение ядрами медлекных нейтронов объясняется отсутствием сил электрического отталкивания (так как кейтрон лишен заряда) и с у щ е с т в о в а н и е м сил притяжения между ядрами и нейт р о н а м и (см.
9 225). Быстрьш нейтрон пролетает мимо ядра за такой короткий промежуток времени, что силы притяжения ие успевают отклонить его и втянуть в ядро. Чем медленнее движется иейтрок, тем большее время находится он под действием сил притяжения со стороны ядра и тем легче захватывается им. Захват ядрами является одной из причин, почему нейтроны не существуют длительно в свободном виде. Второй причиной является р а д и о а к т и вн о с т ь нейтрона, Опыты показывают, что свободный иейтрон с течением времени превращается в протон, испуская при этом электрон и нейтрино (см, э 230). Период полураспада нейтрона — около 15 мин.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
