physics_saveliev_3 (535941), страница 74
Текст из файла (страница 74)
В ядерной физике вероятность рнс. 2в5. взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемого эффективного с е ч е н и я о. Смысл этой величины заключается в следующем. Пусть поток частиц, например нейтронов, падает на мишень, настолько тонкуто, что ядра мишени не перекрывают друг друга (рис. 255). Если бы ядра были твердыми шариками с поперечным сечением о, а падающие частицы — твердыми шариками с исчезающе малым сечение»|, то вероятность того, тто падающая частица заденет одно из ядер мишени, была бы равна Р = оиб, где п — концентрация ядер, т, е. число их в едп~шцеобьема мишени, б — толщина мишени (оиб определяет относительную долю площади мишени, перекрытую ядрами-шариками).
Н Напомним, что дейтоном называется ядро атома тяжело~о водорода. Оао состоит из двух нуилонов — протона и нейтрона. 459 Предположим, что плотность падающих частиц ') равна Ж. Тогда количество претерпевших столкновения с ядрами частиц Лй! будет равно АЛ'= ИР =Уппб. (91.4) Следовательно, определив относительное количество частиц, претерпевших столкновения. Лт'!/тт', можно было бы вычислить поперечное сечение а = пгт ядра по формуле ЬУ о= —. Л'лЬ ' (91.5) В действительности ни ядра мишени, ни падающие на нее частицы не являются твердыми шариками.
Однако по аналогии с моделью сталкивающихся шариков для характеристики вероятности взаимодействия берут величину а, определяемую формулой (91.5), в которой под Лй подразумевают не число столкнувшихся, а число провзаимодействовавших с ядрами мишени частиц. Эта величина и называется эффективным сечением для данной реакции (или процесса).
В случае толстой мишени поток частиц будет по мере прохождения через нее постепенно ослабевать. Разбив мишень на тонкие слои, напишем соотношение (91.4) для слоя толщины Фх, находящегося на глубине х от поверхности: йЧ = — й!(х) пи с(х, где М(х) — поток частиц на глубине х, Мы поставили справа знак минус, чтобы с(й! можно было рассматривать как приращение (а не ослабление) потока на пути и!х. Интегрирование этого уравнения приводит к соотношению: ат (6) У е-пла '! Напомним, что плотеюстью потока называется количество аа. стиц, пролетающих в единицу времеви через единичную площадку, перпендикулярную к направлению потока. 460 в котором таз — первичный поток, а й((6) — поток на глубине 6. Таким образом, измеряя ослабление потока частиц при прохождении нх через мишень толщины 6, можно определить сечение взаимодействия по формуле: и= — „!и— ! Уз ла у(а) ' (91.5) В качестве единицы эффективного сечения ядерных процессов принят бари: 1 баря = 10 " ем~, (91.7) Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г.
При облучении азота а-частицами, испускаемыми радиоактивным источником, некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода, испуская при этом протон. Уравнение этой реакции имеет вид: тИы(а, р)зО". Резерфорд воспользовался для расщепления атомного ядра природными снарядами — и-частицами. Ядерная реакция, вызванная искусственно ускоренными частицами, была впервые осуществлена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г.
С помощью так называемого умно- жителя напряжения они ускоряли протоны до энергии порядка 0,8 Мэв и наблюдали реакцию: з(.1'(Р а) зНе'. В дальнейшем по мере развития техники ускорения заряженных частиц множилось число ядерных превращений, осуществляемых искусственным путем. Наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами. В отличие от заряженных частиц (р, д, а) нейтроны не испытывают кулоновского отталкивания, вследствие чего они могут проникать в ядра, обладая весьма малой энергией.
Эффективные сечения реакций обычно возрастают при уменьшении энергии нейтронов. Это можно объяснить тем, что чем меньше скорость нейтрона, тем больше время, которое он проводит в сфере действия ядерных сил, пролетая вблизи ядра, и, следовательно, тем больше вероятность его захвата. Поэтому многие эффективные сечения изменяются как 1/о м Е-'~*.
Однако часто наблюдаются случаи, когда сечение захвата нейтронов имеет резко выраженный максимум для нейтронов определенной энергии Е,. Вкачестве примера на рис. 256 приведена кривая зависимости сечения захвата нейтрона ядром 1)2м от энергии нейтрона Е, Масштаб по обеим осям — логарифмический. В этом случае зависимость о жЕ '* изображается прямой линией, описываемой уравнением; !и о = = сопз( — '/х 1пЕ.
Как видно из рисунка, кроме области 461 -твв ставляет около 5600 лет. Радиоуглерод усваивается при фотосинтезе растениями н участвует в круговороте веществ в п и оде. Количество возни- 4- ввеевев леыщгееа 4ювви веесше аМ77ВВМ7ее.евое р р кающих в атмосфере в единицу времени ядер радиоугле- Рис.
257. рода ЛЛ7, в среднем остается постоянным. Количество распадающихся ядер АИ пропорционально числу имеющихся ядер М: ЛМ = /гУ, Так как период полураспада очень велик, устанавливается равновесная концентрация ядер См в обычном 462 энергий вблизи 7 эа ход )п о с )п Е действительно бли. зок к прямолинейному.
При Е = Е, = 7 эв сечение захвата резко возрастает, достигая 25 000 бари. Вид кривой указывает на то, что явление имеет резонансный ха- рактер. Такое резонансное 7ев поглощение имеет место лщев в том случае, когда энергия, привносимая нейтроном в составное ядро, в точности равна той энергии, которая необходима для перевода составного ядра на нозбужденный ) энергетический уровень (рис. 257). Подобным же образом для фотонов, Рис.
255. энергия которых равна разности энергий между первым возбужденным и основным уровнями атома, вероятность поглощения особенно велика (резонансное поглощение света; см. ф 85). Интересна реакция 7Хы(н, р),С", которая постоянно протекает в атмосфере под действием нейтронов, образуемых космическими лучами. Возни- С си С.~ .С называется радиоуглеродом, так как он ))--радиоактивен, его период полураспада со- углероде, отвечающая условию: ЛМ+ = бм или Л)ре = й!и'. Специальные исследования показали, что вследствие действия ветров и океанских течений равновесная концентрация С" в различных местах земного шара одинакова и соответствует примерно 14 распадам в минуту на кагкдый грамм углерода. Пока органическое вещество живет, убыль в нем Сга из-за радиоактивности восполняется за счет участия в круговороте веществ в при.
роде. В момент смерти организма процесс усвоения сразу же прекращается и концентрация Сы в обычном углероде начинает убывать по закону радиоактивного распада. Следовательно, измерив концентрацию См в останках организмов (в древесине, костях и т. п.), можно определить дату их смерти или, как говорят, их возраст, Проверка этого метода на древних образцах, возраст которых точно определен историческими методами, дала вполне удовлетворительные результаты. 9 92.
Деление ядер В !938 г. немецкие ученые О. ран и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы — барий и лантан. Объяснение этого явления было дано немецкими учеными О. Фришем и Лизой Мейтнер. Они предположили, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две примерно равные части, получившие название осколков деления. Дальнейшие исследования показали, что деление может происходить разными путями. Всего образуется около 80 различных осколков, причем наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2: 3.
Кривая на рис. 258 дает относительный выход (в процентах) осколков разной массы, возникающих при делении ()ам медленными (тепловыми' )) нейтронами (масштаб по оси ординат — логарифмиче. ский). Из этой кривой видно, что относительное число актов деления, при которых образуются два осколка равной массы (А = !17), составляет 10 ао/о, в то время '! Тепловыми называются иейтроиы, пахолящиеся в тепловем равновесии с атомами вещества. Их энергия раааа 0,025 ав. 463 как образование осколков с массовыми числами порядка 95 и 140 (95: 140 = 2: 3) наблюдается в 7тс случаев. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, для ядер средней массы значительно больше, чем у тяжелых ядер (см. рис.
249).. Отсюда следует, что деление ядер должно сопровождаться выделением большого количества энергии. Но особенно важным оказалось то обстоятельство, что при делении каждого ядра высвобождается несколько нейтронов, Относительное количество нейтронов в тяжелых ядрах заметно больше, чем в средних ядрах (см. рис. 248). Поэтому образовавшиеся 10 ь 107 '$ 3 10-' 10ч 60 00 100 120 М~ 160 .4 Ряс. 25з. осколки оказываются сильно перегруженными нейтронами, в результате чего они выделяют по нескольку нейтронов.
Большинство нейтронов испускается мгновенно (за время, меньшее 10" сек), Часть (около 0,75%) нейтронов, получившая название з а п а з д ы в а ю щ и х нейтронов, иснускается не мгновенно, а с запаздыванием от 0,05 сек до 1 мин. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 выделившихся нейтронов. Выделение мгновенных и запаздывающих нейтронов не устраняет полностью перегрузку осколков деления нейтронами.
Поэтому осколки оказываются в большинстве радиоактивными и претерпевают цепочку р -превращений, сопровождаемых испусканием у-лучей. Поясним сказанное примером. Один из путей, которыми осуществляется деление, выглядит следующим образом; ()зм+ и ()зм ~ Самс+ ЯЬэ4+ 2п 464 Осколки деления — цезий и рубидий — претерпевают превращения: мСз"в — ь веВаы~ Р.ь вт(.аы~ р— ввСемо, а азтйЬв' Г-ь„5г 4 Т~,Ум г м4,2гж. Ф Ф а а- а Конечные продукты — церий Сеыв и цирконии Хгм— являются стабильными.
Кроме урана, при облучении нейтронами' ) делятся также торий (ввТЬ) и протактиний (мРа) „а также транс- урановый элемент плутоний (яьРп). Нейтроны сверхвысоких энергий (порядка нескольких сотен Мэв) вызывают деление и более легких ядер. Ядра азль и Рпвтв делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Для тепловых нейтронов эффективное сечение деления сРзв составляет 580 бары, а Рп'зв — 750 барн. Тепловыми нейтронами делятся также ()ззз и Т»тв", но эти изотопы в природе не встречаются, они получаются искусственным путем. Ядра с»™ и встречающихся в природе изотопов ТЬ и Ра делятся только быстрыми нейтронами (с энергиями, не меньшими 1 Мэв). При меньших энергиях нейтроны поглощаются ядрами Н™ без последующегЬ их деления. В результате образуется ядро ~Р", энергия возбуждения которого выделяется в виде у-фотона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
