Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 97
Текст из файла (страница 97)
Введение 1. Первое явление из области ядерной физики было открыто в 1896 г. Анри Беккерелем (1852 — 1908). Это естественяал радиоактивность солей урана, проявляющаяся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызывать ионизацию воздуха и по- чернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри (1859 — 1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867 — 1934) открыли радиоактивность торна и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.
Детальное экспериментальное изучение радиоактивных излучений было произведено Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения состоят из трех гинов лучей, названных соответственно а-, р'- н 7-лучами. Бета-лучи состоят нз отрицательных электронов, движущихся значительно быстрее, чем электроны в катодных лучах, о-лучи — из положительно заряженных частиц (о-частиц, масса когорых равна массе ядра гелия), 7-лучи аналогичны лучам Рентгена, только значительно более жесткие. В соответствии с этим о- н,д-лучи отклоняются магнитным полем, и притом в противоположные стороны, а на 7-лучи магнитное поле не действует.
Наименьшей проникающей способностью и наиболыпим ионнзующим действием обладают а-лучи. Они поглощаются слоем алюминия толщиной всего в несколько микрометров. Для поглощения Д-лучей требуется слой алюминия в среднем толщиной 1 мм. Ионизующая способность Д-лучей много меныпе, чем о-лучей. Нанболыпей проникающей способностью и наименьшим ноннзующим действием обладают 7-лучи.
Для защиты от них применяются свинцовые лисгы толщиной, зависящей от интенсивности излучения. Ядерная природа радиоактивности была понята Резерфордом после того, как в 1911 г. он предложил ядерную модель атома (см. 3 9) и установил, что радноактивныо излучения возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра. С этого момента и ведет свое начало ядерная физика. 2. Долгое время предполагалось, что само атомное ядро состоит из протонов и электронов. Однако такая гипотеза находилась н противоречии с экспериментальными фактами, относящимися к спинам н магнитным моментам ядер (см. 3 68).
Кроме того, присутствие электронов внутри ядра оказалось невозможным совместить с принципом неопределенности Гейзснберга (см. З 65, п. 10). В 1932 г. после открытия Чедвиком (1891-1974) нейтрона было установлено, что лдро состоит 5 63) Введение из протонов и нейтронов (эти частицы получили общее наименование. нрклопов). Такая модель ядра была предложена в том же году независимо друг от друга Д. Д. Иваненко (р. 1904) и Гейзенбергом. Свободный протон — стабильная частица. Масса нейтрона больше массы прогона на 0,14% или 2,5 электронных масс. В соответствии с этим в свободном состоянии нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино: (63.1) и — »р+е +Р,. Среднее время жизни нейтрона близко к 15,3 мин.
Казалось бы, нет смысла говорить о нейтроне как об «элементарной» частице,а следует рассматривать его как «составную» частицу. Однако внутри ядра протон не свободен и ведет себя так же, как составная частица, распадающаяся на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино: р — » и+е++ им (63.2) Поэтому с тем же основанием протон можно считать «сложной» частицей, превращающейся в более «простую» — нейтрон. Это означает, что вопрос о том, какая частица протон или нсйтрон более элементарна, лишен физического смысла.
В этом отношении обе частицы равноправны. Какая из них распадается, зависит от энергегических соотношений. В свободном состоянии нейтрон радиоактивен, а протон стабилен, т.е, идет пропесс (63.1). Внутри же ядра возможны оба процесса (63.1) и (63.2). Тип распада определяется массами рассматриваемого ядра и возможных продуктов распада.
Это обстоятельство и дает возможность рассматривать обе частицы протон и нейтрон как элементарные, взаимно превращающиеся друг в друга. Число протонов в ядре (зарядовое число) принято обозначать через У., число нейтронов — через 1»'. Их сумма А = Л + Х называется массовым числом ядра; число»2 называют также порядковым номером элемента. Атомы с одинаковыми Я (т.е. атомы одного и того же элемента), но различными М называются изотопами, с одинаковыми А, но различными г изобарами, с одинаковыми Ж, но различными Я вЂ” зотонами.
Наряду с термином ядро атома используется также термин ирклид. 3. Основное различие между протоном и нейтроном состоит в том, что протон заряже»»»»ал частица, заряд которой е = 4,803 СГСЭ = = 1,602 10 '"' Кл. Это элементарньш" заряд, численно равный заряду электрона. Нейтрон же, как показывает уже его название, элеи»прически нейтрален. Спины протона и нейтрона одинаковы и равны спину электрона, г.
е. 1/2 (в единицах 5), - . обе частицы являются фермионами и подчиняются статистике Ферми — Дирака. Массы протона и нейтрона почти равны: масса протона тр — †18,15т„ масса нейтрона т„= 1838.,68т,, где т, — масса электрона; т, = 9,1095 10 э" г. Масса частицы связана с ее полной энергией соотношением Эйнштейна й„,ч = тс . Поэтому в ядерной физике и физике элементарных частиц массу принято измерять в единицах энергии, причем за единицу энергии принимается мегаэлектронвольт (МэВ).
В этих (Гл. Ч1!1 Статические свойства атомного ядра 392 единицах тп, = 0,511 МэВ, тр — — 938,3 МэВ, гпв = 939,6 МэВ. При этом в указанных разделах физики под т понимается всегда масса покоя частицы (обозначение те не применяется). Принято также массу частицы измерять в так называемых атомных единицах массы (а. е, м). За атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы нейтрального атома углерода щС, Нетрудно подсчитать, что ! а.
е. м. = 931,502 МэВ. 4. Малое различие в массах и совпадение спинов протона и нейтрона является проявлением общего свойства этих частиц — если отвлечься от различия, связанного с наличием у прогона электрического заряда, и от различия в значениях магнитных моментов, то во всех остальных отношениях протон и нейтрон весьма сходны между собой. Это сходство, имеющее фундаментальное значение в ядерной физике, с особой отчетливостью проявляется в свойствах гзеркальныхь ядер. Зеркальными называются два ядра с одинаковыми массовыми числами А каждое нз которых получается из другого заменой всех протонов нейтронами, а всех нейтронов -- протонами. Примером такой пары могут служить сами протон и нейтрон.
Другими примерами являются '~~Н и э~Не, ~~Во и 11 1 11 В и 'вС, 'зьС и '~~ к! юХ и 'вО, ыО и 'тР агэВ! и ггээ Р и т д, (более тяжелое ядро в каждой из этих пар радиоактивно). Как показывает опыт, оба зеркальных ядра имеют почти одинаковые энергии связи, сходное строение спектра возбужденных уровней энергии, одинаковые спины и пр. Это указывает на сходство сил, действующих между двумя протонами и двумя нейтронами. На малых расстояниях (например, внутри ядра) между этими частицами действую"г мощные ядерные силы, цо сравнению с которыми электромагнитные силы в сотни раз слабее. В пренебрежении электромагнитными силами протон и нейтрон обладают одинаковыми свойствами: при прочих равных условиях ядерные силы, действующие между двумя протонами, равны ядерным силам, действующим между двумя нейтронами, а также между нейтроном и протоном. Это свойство называется зарядовой симметрией лдерныт сил.
Оно являегся проявлением еще более глубокой закономерности, называемой ивотопической инвариантностью. 5. В настоящее время еще не создана последовательная законченная теория атомного ядра. Причина этого заключается прежде всего в том, что до сих пор неизвестна аналитическая зависимость ядерных сил от определяющих их параметров. Поэтому в отношении ядерных сил приходится вводить различные заведомо упрощенные и ограниченно применимые предположения, подобранные так, чтобы в определенной области явлений достигнуть согласия с экспериментальными данными.
В атомной физике, даже не зная закона Кулона, можно было бы в значительной степени восстановить его, изучая энергетический спектр атома водорода, поскольку последний содержит очень много уровней. В физике же ядра из-за короткодействующего хэрактера ядерных сил такой возможности нет., так как имеется всего одно связанное состояние из двух нуклонов — дейтрон, состоящий из прогона и нейтрона. Дейтрон же имеет всего один энергетический уровень (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
