Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 106
Текст из файла (страница 106)
й 222. Искусственная радиоактивность. Исследуя ядерные расщепления, французские физики Фредерик Жолио-Кюри (1900 — 1958) и Ирен Кюри (1897 — 1955) обнаружили (в 1934 г.), что во многих случаях и р о д у к т ы р а с щ е ил е н и й р а д и о а к т и в н ы. Радиоактивные вещества, образующиеся в результате ядерных реакций, получили название искусственно-радиоактивных в отличие от естественно-радиоактивных веществ, встречающихся в природных минералах (см.
3 211). Искусственно-радиоактивные вещества могут получаться при весьма разнообразных ядерных реакциях. Примером может служить реакция захвата нейтронов серебром. Для проведения такой реакции достаточно поместить пластинку 549 серебра поблизости от источника нейтронов, окруженного парафином.
)лак было указано в 3 221, в парафине нейтроны замедляются, а медленные нейтроны легко захватываются ядрами и вызывают ядерную реакцию. Пластинка серебра не претерпевает под действием нейтронов никаких видимых изменений. Однако мы легко можем убедиться, что какие-то изменения произошли, если пластинку серебра, подвергавшуюся в течение нескольких минут облучению медленными нейтронами, поднесем к газоразрядному счетчику. Счетчик обнаружит, что пластинка с т а л а р а д и о а к т и в.
н о й, т, е, испускает излучение, регистрируемое счетчиком; можно убедиться, что нспускаются электроны (р-излучение). При этом обнаруживается, что радиоактивность, приобретенная серебром, постепенно ослабевает, спадая вдвое за каждые 2,3 мнн. Таким образолц в обычнол0 серебре образовалось какое-то радиоактивное вещество, обладаю1цее периодом полураспада в 2,3 мин. Вспомогательные эксперименты, равно как и теоретические соображения, показывают, что данная ядерная реакция происходит по схеме 101Ак ! и 109 л з (222.1) (буква у в правой части (222.1) показывает, что прп этой реакции испускастся у-излучение). Образующиеся при этом атомы изотопа сереора 100Ая оназываются й-радиоактивными и распадаются, испуская электроны и нейтрино (символ и) *) и превращаясь в атомы устойчивого изотопа кадмия: 100Аа 1'0 Сс) + е- + у 1,0 и00 (подпись под стрелкой указывает, что период полураспада равен 2,3 мин).
Радиоактивность изотопа 100Ап объясняет, почему в природном сереоре, представляющем смесь изотопов с массовыми числами !07 и !09, не встречается изотоп с массовым числом 108: такой изотоп обладает малой продолжительностью жизни и распадается практически полностью вскоре после образования. Искусственная радиоактивность — весьма распространенное явление: в настоящее время получено по нескольку искусственно-радиоактивных изотопов для каждого пз элементов периодической системы. Общее число известных искусственно-радиоактивных изотопов превышает 1500, тог. да как естественно-радиоактивных изотопов существует ") См. примечание на с.
529, лишь около 40, а число устойчивых (нерадиоактивных) изотопов равно 250. Все три типа излучений — а, 1э и у. характерные для естественной радиоактивности, — испускаются также и искусственно-радиоактивными веществами ). Однако среди искусственно-радиоактивных веществ часто встречается еще иной тип распада, не свойственный естественно-радиоактивным элементам.
Это — распад с испусканием аозитроноа— частиц, обладающих м а с с о й э л е к т р о н а, но несущих положительный заряд. 1'1о абсолютной величине заряды позитрона и электрона равны. В качестве примера образования позитрокко-активного вещества приведем реакцию, открытую 7Колио-Кюри: ,'а тА!+',Не -- эеР+и. Прн облучении алюминия а-частицами испускается нейтрон н ооразуется изотоп фосфора с массовым числом 30. Встественный фосфор содержит только один изотоп с массовым числом 31.
Получаемый по приведенной реакции изотоп фосфора",,Р является радиоактивным и распадается с испусканием позитронов (символ е ) и нейтрико по схеме Т= 2,Э нип Период полураспада фосфора,",Р равен 2.5 мин; продуктом его распада является устойчивый изотоп кремния",,51.
$ 223. Позитрон. Первые указания на существование позитронов, т. е. легких частиц. отличающихся от электронов только знаком заряда, были получены с помощью камеры Вильсона в 1932 г. В камере. помещенной в магнитное поле, был замечен тонкий след, оставлекный, несомненно, однозарядной очень легкой частицей. подобной электрону, но изогнутый в сторону, соответствующую п о л о ж и т е л ьн о м у з а р я д у (см, упражнение 45 в конце главы и рис. 4!3). В дальнейшем было установлено, что двумя главными процессами образования позитронов являются искусственная радиоактивность и взаимодействие у-квантов большой энергии с атомнгнми ядрами.
Первый из этих процессов мы рассмотрели в предыдущем параграфе. Для изучения второго процесса может быть использована камера Вильсона, установленная в магкитном поле и облучаемая узким пучком у-излучения. На некоторых сним- *) Испусканне ст-частнц наблюдается только у элементов, расположенных в конце вернодичесней системы Менделеева, 55! ках на пути пучка у-излучения наблюдаются своеобразные п а р н ы е с л е д ы. Один такой след изображен на рис. 399. При движении а газе заряженная частица теряет энергию на ионизацию атомов газа и ее скорость непрерывно уменьшается. Но чем меньше скорость частицы, тем сильнее магнитное поле искривляет ее траекторию (сьь 9 193). Рпс.
399. Пара электрон — позитрон, образованная т-квантом в камере Вильсона. Левый след принадлежит электрону, правый — позптрону Внимательное рассмотрение следа показывает, что у каждой из его ветвей искривление возрастает при удалении от точки излома следа.
Это доказывает, что мы имеем дело не с и зл о м а н н ы м следом о д н о й ч а с т и ц ы, а со следами п а р ы ч а с т и ц, исходящих из одной точки. По степени ионизации оба следа пары подобны следам электронов. Они заворачиваются магнитным полем в противоположные стороны, т. е. принадлежат противоположно заряженным частицам.
Из приведенной совокупности дацных следует, что 552 одна из этих частиц является э л е к т р о н о м„а вторая — п о з и т р о н о м. Итак, проходя через вещество (газ в камере Вильсона), у-кванты образуют позитроны, и притом не в одиночку, а в паре с электронами. Это явление получило название образования пар электрон — позитрон. Теория указывает, что образование пары происходит в результате взаимодействия у-кванта с электрическим полем одного из атомных ядер вещества; у-квант при этом превращается в пару электрон — позитрон, а ядро остается без изменений.
Используя радиоактивные вещества в качестве интенсивных источников позитронов, удалось детально изучить свойства последних. В частности, былодоказано, что масса позитрона в точности равна массе электрона, т. е. составляет примерно !.2000 массы протона. Рнс. 400. Объсдинснис позитронз с электроном, порождающее у-квинты; а] электрон и позитрон притягиваются друг к другу; б) в результате соудзрения электрон и позитрон превратились в двз у-квзнтэ Выл обнаружен также и процесс, обратный образованию пар; оказалось, что электрон и позитрон, сблизившись под действием сил электрического притяжения, могут п р ев р а т и т ь с я в два у-кванта, которые разлетаются в противоположные стороны (рис. 400). Процесс объединения электрона с позитроном, сопровождающийся превращением их в у-кванты, получил название а н н и г и л я ц и и в).
Аннигиляция является причиной отсутствия на Земле позитронов. Каждый позитрон через ничтожное время после своего образования соединяется с одним из электронов среды, превращаясь в два у-кванта. э) Лнннгиляния — довольно неудачное название, происходящее от лвтннсного п!НП! — ничто, 553 Явления образования пар электрон — позитрон из у-квантов и объединения электронов с позитронами, ведущего к образованию двух у-квантов, представляют собой процессы совершенно н о в о г о типа, в которых происходит взаимное превращение электромагнитного поля излучения (у-кванты) и частиц вещества (электроны и позитроны). Свойства частиц и свойства электромагнитных полей (света) во многих отношениях сильно отличаются. Наиболее разительно это отличие свойств сказывается в том, что все окружающие нас тела построены из частиц; свет же, казалось бы, выполняет только функции передачи энергии от одних тел другим.
Ввиду этого еще в начале нашего века представлялось, что между светом (электромагнитным полем) и веществом лежит непроходимая пропасть. В дальнейшем были открыты квантовые свойства света — оказалось, что свет совмещает со свойствами волны также и свойства потока частиц, фотонов, С другой стороны, у частиц вещества были обнаружены волновые свойства (см. 99 209, 210), которые раньше считались отличительным признаком света.
Уже эти открытия уменьшили разрыв в наших представлениях о свете и веществе. Теперь же, после обнаружения взаимных превращений света (у-кванты) и частиц вещества (пары электрон — позитрон), стало ясно, что между светом и веществом имеется глубокое единство: частицы вещества и фотоны (электромагнитные поля) — это две различные формы материи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
