Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 133
Текст из файла (страница 133)
Существен только множитель (пп«/гпр)У/Л ев 1/4000, стоящий перед логарифмом. Он появляется из-за различия масс и зарядов электрона и атомного ядра. Благодаря этому множителю потери энергии частиц при кулоновском торможении на атомных ядрах в гысячи раз меныпе, чем на электронах. Однако изза относительно большой массы ядра кулоновское рассеяние на ядрах может происходить на болыпие углы (и даже назад) уже в результате единичных актов рассеяния. Это как раз тот эффект, который привел Резерфорда к заключению о существовании атомного ядра (см.
3 9). 2. Все частицы, за исключением фотонов, нейтрино, электронов, позитронов и мюонов, способны вступать в сильныс (ядерные) взаимодействия. Такие частицы называются адроивя«и. Сильные взаимодействия положительно заряженных адронов с атомными ядрами начинаются с энергий 20 — 30 МэВ (в случае отрицательно заряженных адронов нет кулоновского барьера). Так как они проявляются на расстояниях порядка размеров атомного ядра, то частица сталкивается с ядром при сильных взаимодействиях примерно в гб(й„,/й,д)а = 10шУ раз реже, чем с электронами при кулоновских взаимодействиях.
Поэтому при движении в веществе частица испытывает ионизационное торможение, но ядерные столкновения претерпевает крайне редко. Это обстоятельство делает возможным рассматривать действие приборов для регистрации заряженных ядерных частиц (например, камеры Вильсона или пузырьковой камеры) без учета ядерных столкновений, а с учетом только ионизационного торможения, при котором, как известно, из-за малости массы электрона путь тяжелой частицы (трек) остается прямолинейным. Зато при каждом ядерном сголкновении часгица либо резко отклоняется в сторону (рассеивается на большой угол), либо поглощается, либо порождает новые частицы.
Эти акты регистрируются по резкому излому трека, изменению его толщины и длины, по появлению новых треков, исходящих из одной точки («звездад). Но при расчете радиационной защиты для релятивистских ускорителей и космических кораблей учет ядерных столкновений необходим. 3. Если скорость заряженной частицы превьппает фазовую скорость света в рассматриваемой среде, то возникает излучение Вав лова— Черепкова (см. 3 6, а также т. Ру', 3 38). Появляются потери энергии частицы на это излучение. Разумеется, они содержатся в найденных нами ранее ионизационных потерях и имеют тот же порядок, что и радиационные потери. По углу О, под которым распространяется черенковское излучение, можно определить скорость частицы,что и делается в черенковских счетчиках.
Если при этом известен импульс частицы а32 Првхвзсденне заряженных частиц через вещество [Гл. Х! (по кривизне траектории в магнитном поле), то можно определить сорт частицы (по релятивистской ионнзации частицы могут быть неразличимы). Поэтому черенковские счетчики — один нз обязательных элементов установки, предназначенной для изучения релятивистских частиц.
4. Позитроны при прохождении через вещество в дополнение к ионизационным и радиационным потерям испытывают еще апнигиллционные потери за счет двухфвтонной анпигиллции с электронами вещества: е~ + е — г у + у. Сечение этого процесса при высоких энергиях меньше сечения ионизации. Но для медленных позитронов оно является определяющим. 5.
Поглощаясь ядром, у-кванты могут вызывать ядерный фото- эффект, т.е, выбивагь из ядра нуклоны (обычно нейтроны), а также расщеплять атомное ядро. Но эти процессы практически не играют роли в поглощении у-излучения. Порог ядерного фотоэффекта соответствует энергии связи нуклона в ядре, т. е. лежит в области энергий 6 — 10 МэВ. Эффективные сечения указанных процессов, как правило, возрастают с увеличением атомного номера У.
Если энергия у-кванта во много раз превышает среднюю энергию связи нуклона, то возможно фоторасщепление ядра с вылетом нескольких нуклонов (нейтронов и протонов). При энергиях у-квантов, превышающих 2т сг = 212 МэВ (т„-- масса мюона)., в кулоновском ноле ядра начинается процесс рождения мюонных пар (д+д ), аналогичный процессу рождения электрон — позигронных пар, Прн (У., > т сг = 140 МэВ (т — масса к-мезона) при взаимодействии с ядрами начинается фотогенерация кмезонов. Поглощение у-излучения за счет перечисленных процессов при высоких энергиях пренебрежимо мало по сравненикз с поглощением их нз-за рождения электрон — познтронных пар в кулоновском поле ядра. 6.
Тормозное излучение электронов сопровождается возникновением мощных потоков у-квантов, испускаемых преимущественно вперед. От таких погоков требуется усиленная защита, так как проникающая способность у-квантов значительно превосходит проникающую способность электронов. Электрон, позитрон или у-квант, если их энергия достигает 1 ГэВ или выше, распросграняясь в веществе, порождают электрон — позипгроняые ливни. Это явление заключается в следующем. Первичная частица, например электрон, тормозясь в электрическом поле ядра, испускает у-квант высокой энергии. Этот у-квант рождает злектронпозитронную пару в электрическом поле другого ядра.
Электронпознтронные пары в свою очередь порождают тормозные у-кванты и т. д. Так возникает поток частиц, летящих практически в направлении первичной частицы, так как все зти частицы релятивистские. Этот поток и называется ливнем. В веществе поток частиц ливня после 3 83) /~рувие проявления вза модейотвия 533 своего возникновения сначала резко усиливается, но после прохождения некоторого расстояния начинает уменынаться. Когда энергия отдельных частиц ливня уменьшается настолько, что ионизационные потери начинают преобладать над радиационными, ливень прекращается. Подобные множественные процессы образования частиц, но более разнообразные по составу вызываются и тяжелыми заряженными частицами (протонами, пи-мезонами и пр.).
Сначала они наблюдались в земной атмосфере и вызывались частицами космических лучей высоких энергий (см. 3 103, п. 12). Каскады таких частиц, порождаемые первичными частицами с энергией й > 10в ГэВ, содержат 10в — 10э частиц и называются широкими атмосферными ливнями. Отдельный ливень покрывает площадь земной поверхнос"ги в несколько квадратных километров. С появлением ускорителей на высокие энергии основные исследования множественных процессов стали производиться на ускорителях 7. Налетающие часгицы достаточно высоких энергий при неупругих столкновениях с атомными ядрами могут частично разрушать их, например выбивать протоны, нейтроны или вызывать другие ядерные превращения.
В результате образуются новые атомные ядра и новые изотопы химических элементов. Они, как правило, радиоактивны, так что в веществе возникает паведепн я радиоактивность. Реакции выбивания протонов или нейтронов из ядра и прочие ядерные реакции, производимые электронами и у-квантами, сильно эндотермичны и имеют порог около 10 МэВ. Но даже выше этого порога из-за слабости электромагнитных взаимодействий сечения этих процессов очень малы на несколько порядков меньше площади эффективного сечения самого атомного ядра. Проникновению протонов и о-частиц в ядро препятствует кулоновский потенциальный барьер, особенно высокий в случае тяжелых ядер. Поэтому протоны и а-частицы могут создать заметную наведенную активность лишь при сравнительно высоких энергиях (во всяком случае, больше примерно 10 МэВ).
Заметим еще, что и- и Д-частицы, а также у-кванты, возникающие в результате радиоактивных распадов ядер, обладают энергией всего в несколько мегаэлектронвольт. Такие радиоактивные излучения, как правило, создать дополнительную наведенную радиоактивность не могут. Глава ХП ИСТО'ЧНИКИ И МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ЯДЕРНЫХ НАСТИЦ й 84. Ускорители 1. Единственный способ изучения ядер и элементарных частиц, за исключением получения некоторых статических характеристик ядер (спины, магнитные и электрические квадрупольные моменты), состоит в осуществлении столкновений одних частиц с другими и регистрации последствий столкновений. Сначвла для этой цели (в опытах Резерфорда и др.) использовались а- и р'-частицы, возникающие в результате распада естес гвенных радиоактивных ядер, а также частицы высоких энергий, содержащиеся в космических лучах.
С изобретением ускорителей основные исследования рассматриваемого типа осуществляются с заряженными частицами, ускоряемыми для этой цели в электрических и магнитных полях. Ускорители — очень сложные установки. Их устройство и работа— это вопрос не ядерной физики, а физической электротехники. Но роль ускорителей в ядерной физике и в особенности в физике элементарных частиц настолько велика (можно сказать решающая), что понимание принципов их работы абсолютно необходимо. Краткое изложение этих принципов и является целью настоящего параграфа. При этом мы оставим в стороне многие технические и даже физические детали, хотя они и весьма существенны для работы ускорителей. Помимо физических применений, ускорители начинают все болыпс и болыпс использоваться за пределами физики (химия, биофизика, геофизика) и в прикладных целях (стерилизация продуктов, дефектоскопия, лучевая терапия и т.
п.). Однако рассматривать подобные применения мы не будем. При осуществлении столкновений более тяжелые частицы обычно покоятся и называются частицами мишени, а более легкие налетают на них в виде пучка ускорепных частиц. В ускорителях на встречных пучках частицы движутся навстречу друг другу, так что их деление на частицы мишени и частицы пучка теряет смысл. Кроме того, мишенями могут служить только частицы и ядра, которые входят в состав макроскопических тел и живут достаточно долго (не менее нескольких минут), а также протон и электрон.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
