yavor2 (553175), страница 92
Текст из файла (страница 92)
Причина этого состоит в том, что нейтроны, связанные в ядре, находятся в иных состояниях, чем свободные нейтроны. Это, конечно, относится также и к протонам, Протоны в ядрах могут переходить в нейтронные состояния. В этом, как мы увидим, состоит процесс р,-радиоактивности некоторых искусственно радиоактивных ядер (982.2). ГЛАВА 82 ИСКУССТВЕННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР $82.1.
Превращение азота в кислород. Открытие нейтрона 1. Изучение естественной радиоактивности сыграло большую роль в исследовании строения и свойств атомных ядер. Возникла возможность зондировать ядра с помощью а-частиц, обладающих достаточно большими энергиями и способных проникнуть внутрь ядра. Так начали изучать ядерные реакции — искусственные превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с частицами или друг с другом. Первая ядерная реакция была осуществлена в 1919 г. Эрнес- лт том Резерфордом с помощью о-частиц, испускаемых полонием „Ровы и имеющих энергию около 7,5 МэВ.
Схема опыта изображена на рис. 82.1. В камере К, которая наполнялась различны- Рис. 82.1, ми газами, помещался радиоактинный полониевый источник С. Сцинтилляции, вызванные попаданием каких-либо частиц на экран 5, наблюдались в микроскоп М. Прн тех давлениях газов, которь1е создавались в камере, и-частицы имели такие длины пробегов, что алюминиевая фольга г', поставленная перед экраном 5, полностью поглощала все а-частицы, испущенные полонием. Таким образом, в микроскопе не должны были наблюдаться сцинтилляции, вызванные а-частицами. Опыт же показал, что при наполнении камерь1 азотом сцинтилляции наблюдались. При заполнении камеры другими газами, например, кислородом или углекислым газом, сцинтилляций не было. 2.
Детальное изучение этого явления с помощью автоматизированной камеры Вильсона позволило получать стереоскопические 401 снимки треков частиц и производить измерение пробегов пролетающих частиц. Фотографии следов поназали, что изредка след а-частицы заканчивался вилкой, изображенной на рис. 82.2. В точке О исчезает след частицы, поглощенной ядром азота, и вместо него образуются два следа: короткий жирный след ядра кислорода,О", испытавшего отдачу, и длинный тонкий след, явно не принадлежащий а-частице.
Исследование частиц, дающих длинный тонкий след, с помощью магнитного поля позволило найти их удельный за- ряд 0)гп. Он оказался таким же, кан и для р ядра водорода — протона. Это навело Резерфорда на следующую (7 интерпретацию результатов опыта. В точке «х О происходит столкновение а-частицы с ядром азота и в результате образуются две заряженные частицы, одной из ноторых является протон.
Определить характер втоРис. 82.2. рой частицы можно, если принять, что в данном процессе выполняются законы сохранения массового числа и электрического заряда, нак и при естественном радиоактивном распаде. Это дает для второй частицы массовое число, равное 4+14 — 1=17, а заряд ядра 2+7 — 1=-8. Следовательно, второй частицей является ядро изотопа кислорода ,О" и ядерная реакция должна иметь вид Не«+ Х»4 р»+ «О»'. (82.1) Такая схема реакции была подтверждена и другим путем — применением законов сохранения энергии и импульса к продуктам реанции.
В результате было найдено, что отношение масс образовавшихся частиц равно 17: 1, что соответствует ядерной реакции по уравнению (82.!). Для того чтобы реакция (82.1) произошла, необходимо «прямое попадание» а-частицы в ядро. Это происходит чрезвычайно редко, потому что атомное ядро имеет весьма малые размеры (2 80.6) и концентрация ядер-мишеней в газообразном азоте тоже мала.
Поэтому фотографии вилок наблюдались очень редко. Ядерная реакция (82.1) явилась первым искусственным превращением одного химического элемента в другой. 3. После осуществления первой искусственной ядерной реакции были предприняты обширные исследования превращений ядер атомов бора, алюминия, фтора, калия и других элементов под действием а-частиц. В общем виде все эти реакции можно записать следующим образом: зХл-)-,Не« вЂ” з„,Ул+» 1 р», (82.2) где хХ" — исходное ядро, облучаемое а-частицей, х„,У~+' — ядро, получившееся в результате реакции. Примером ядерной реакции может служить ядерная реакция превращения ядра алюминия „А1" 402 в ядро нремния»«3!пп: А1»» ! Ие«51»п ! р« В этой реакции были обнаружены протоны с длиной пробега около 0,9 м.
Такой большой пробег протонов объясняется тем, что в этой реакции выделяется энергия, равная 2,26 МэВ. 4. Ядерные реакции под действием а-частиц привели н открытию нейтронов, которые, как известно из предыдущего, входят в состав атомных ядер. В 1930 г. при облучении ядра бериллия «Ве' а-частицами было обнаружено возникновение весьма сильно проникающего излучения. Предположили, что ядро бериллия, захватив а-частицу, превращается в возбужденное ядро изотопа углерода ,С", переход ноторого в нормальное состояние сопровождается испусканием квантов жестких у-лучей. Оценки энергии предполагаемых у-лучей по их поглощению привели к тому, что у-квант должен иметь энергию, близкую к 7 МэВ. В !931 г.
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что «бериллиевое излучение»„проходя через водородосодержащие соединения, например парафин, интенсивно выбивает протоны, обладающие длиной пробега до 26 см. Для получения протонов с такими пробегами у-кванты должны были бы иметь энергию не? МэВ, а 55 МэВ. Дальнейшие исследования показали, что излучение, ното- рому вначале приписывали электромагнитный характер, вызывает появление ядер отдачи в таких газах, как азот, аргон и даже сравнительно тяжелый криптон.
Причем при наблюдаемых в аргоне пробегах ядер отдачи у-кванты должны были иметь энергию почти на порядок величины ббльшую, чем та, ноторую фактически имели частицы проникающего излучения, возникшего в бериллии. Выход из этого затруднения был указан в 1932 г. Д. Чадвиком. Он доказал, что наблюдаемые в различных газах пробеги и скорости ядер отдачи могут возникнуть при соударении этих ядер не с у. квантами, а с частицами, масса ноторых близка к массе протона. Этн частицы и были названы нейтронами (,и').
В самом деле, нейтрон с массой покоя т„и скоростями о, и о, до и после упругого центрального соударения с неподвижным ядром, имеющим массу М, сообщит этому ядру скорость о, которая находится из законов сохранения импульса и энергии: 2тп оо т +М и Для случаев прохождения нейтронов через азот (М =- 14) и водород (М = 1) отношение скоростей ядер отдачи равно тп+ ! пн тп+ !4 Из экспериментальных даннь»х о скоростях ядер отдачи отношение он1он оказалось равным приблизительно 0,13. Это дает для и„ 403 значение, близкое к единице. Отсутствие у нейтрона электрического заряда объясняет большую проникающую способность нейтронов. Не испытывая электрического взаимодействия с электронами атомов и кулоновского взаимодействия с ядрами, нейтроны взаимодействуют с ядрами благодаря ядерным силам н наличию магнитного момента у ядер н нейтрона.
Это взаимодействие и приводит к появлению ядер отдачи, наблюдаемых экспериментально. Таким образом, ядерная реакция, в которой впервые были получены нейтроны, имеет следующий вид: ,Ве'+,Не' — еС" +,и'. (82.3) В дальнейшем нейтроны сыграли выдающуюся роль в качестве частиц, вызывающих ядерные реакции. 2 82.2.
Явление искусственной радиоактивности 1. Как указывалось (5 80.7), устойчивое ядро характеризуется определенными числами протонов и нейтронов: на основе капельной модели ядра получена формула (80.16), определяющая число протонов в устойчивом ядре, а следовательно, и число нейтронов в нем. Если искусственно, путем облучения ядра какими-нибудь частицами, нарушить равновесие между протонами и нейтронами в нем, то ядро окажется искусственно-радиоактивным, Если в легком ядре окажется избыточный нейтрон, то в нем произойдет превращение нейтрона в протон по формуле (81.18), сопровождающееся выделением электрона.
2. Легкие ядра, а которых искусственно создано избыточное число нейтронов по сравнению с протонами,т.е. такие ядра, где нарушено условие их стабильности (80.16), являются, как правило, р -радиоактивными. Типичным примером является превращение стабильного изотопа натрия „Хам под действием нейтронов в радиоактивный изотоп „Ха". Этот изотоп является () -радиоактивным и превращается в стабильный изотоп магния мМд", причем процесс сопровождается выбросом электрона, электронного антинейтрино от, (5 81.12) и у-кванта: „Ка-~ .„Мд" +,со+,т.'+у Радиоактивный изотоп углерода,С", возникший из стабильного ядра азота .,Мм под действием нейтронов (с выделением протоков), распадаясь, вновь превращается в устойчивый изотоп азота: Радиоактивный изотоп кобальта „Со", испуская электроны, превращается в стабильный изотоп никеля .,М".
3. Условие (80.!6) устойчивости ядер может быть нарушено также путем введения в ядро избыточных протонов. Это приведет к возрастанию энергии ядра по сравнению с ее минимальным значением, соответствующим условию (80.!6), и к появлению у ядра ра- 404 диоактнвных свойств. Такие ядра могут претерпевать радиоактивный распад, соответствующий превращению избыточного протона в нейтрои по схеме »р "оп + ~-»е + ьте ° (82.4) Возникающая при этом частица э,е' с положительным единичным зарядом имеет массу, равную массе электрона, и спин Ь2; она называется оозитрояол.
Реакция сопровождается выбрасыванием электронного нейтрино,ч,— незаряженной частицы с массой покоя, о равной нулю, что вытекает из тех же соображений, которые были изложены в 3 81.12 при обсуждении 11 -распада. 4. Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Облучая ядра алюминия, бора и других легких элементов а-частицами и исследуя продукты реакции с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитном поле, они обнаружили непускание позитронов.
Причем непускание позитронов не прекращалось с окончанием облучения а-частицами, а продолжалось и после этого, убывая со временем по экспоненциальному закону М = 1«',е "', характерному для радиоактивного распада. Реакции, приводящие к искусственной радиоактивности, происходили по следующей схеме: Изотоп фосфора „Р" (радио-фосфор) р -радиоактивен; период полураспада Т = 2,5 мин. Аналогично образуется радио-азот: ,В" +,Не' — гч»»+,и', Х»»,С" +,е'+ т~ Период полураспада радиоактивного азота равен 14 мин. При позитронной () -радиоактивности вместе с позитроном излучается электронное нейтрино. Правильность написанных реакций подтвердил химический анализ, Явление искусственной радиоактивности «метит»атомы радиоактивных изотопов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
