yavor2 (553175), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Вылет р-частиц может быть зарегистрирован тем или иным счетчиком (3 81.8). Удобные для исследовательских целей периоды полураспада обусловили широкое применение метода «меченых» атомов в науке и технике. $82.3. Возникновение и уничтожение электронно-позитроиных пар 1. В 1932 г., за два года до открытия супругами Жолио-Кюри искусственной радиоактивности, Андерсон обнаружил позитроны среди частиц, входящих в состав космических лучей (5 83.2). Вскоре выяснилось, что позитроны возникают в процессе образования пар.
Так называется процесс превращения у-кванта большой энергии в пару час»лип — электрон и позитрон. Этот процесс, происходящий по схеме у-»-,еь+,е', вызывается столкновением у-кванта с какой- либо заряженной частицей, например атомным ядром, в поле которого и образуется электронно-позитронная пара. 405 Возникновение пары экспериментально может быть обнаружено, например, в камере Вильсона, находящейся в магнитном поле. Под действием силы Лоренца, действующей на движущийся заряд в магнитном поле, происходит отклонение заряда.
Электрон и позитрон, имеющие противоположные по знаку заряды, отклоняются в противоположные стороны. На рис. 82.3 приведена фотография пары, образовавшейся в газе, наполняющем камеру Вильсона, под действием жестких у-квантов. 2. Образование пары «электрон + позитрон» должно происходить в соответствии с законами сохранения энергии и импульса. Из закона сохранения энергии следует, что для создания пары у-фотон должен иметь энергию не меньшую, чем 2теса, т.
е. йт ~ 2т„са =1,022 МэВ, где т,с" = =0,511 МэВ есть энергия покоя каждои из образовавшихся частиц. Закон сохранения импульса накладывает дополнительные ограничения на процесс образования пары. Дело в том, что при образовании из фотона двух частиц с массой покоя пзе г ь 0 суммарный импульс обеих частиц меньше, чем импульс фотона Йтгс *).
Поэтому в системе «фотон — электронно-познтронная пара» закон сохранения импульса оказывается нарушенным. Рас. 82 3. Это означает, что для образования пары нужно участие еще одной, третьей частицы, принимающей на себя часть импульса фотона, превышающую суммарный импульс обеих частиц. Такой частицей обычно является атомное ядро, но может служить и один из электронов электронной оболочки атома вещества, в котором происходит торможение жестких у-лучей, В этом последнем случае электрон отдачи получает импульс, который может быть обнаружен по следу этого электрона в камере Вильсона. Импульс ядра отдачи при образовании пары также может быть зарегистрирован экспериментально.
Возникновение пары частиц (электрона и позитрона), обладающих каждая спином, равным Ь2, из у-фотона требует, помимо выполнения законов сохранения энергии и импульса, чтобы фотон обладал целым спином (в единицах г»), равным 0 или 1. Ряд веских соображений, в обсуждение которых мы не входим, привел к выводу, что фотон не может быть бесспиновой частицей и что, следовательно, спин фотона равен гь.
*) Предлагаем читателю доказать ато аесложиым путем. 3. Кроме процесса возникновения электронно-позитронной пары, возможен обратный процесс соединения этих частиц, при котором пара уничтожается и возникают в подавляющем большинстве случаев два у-кванта. Этот процесс может быть описан следующим образом: (82.5) „о(.,еа Появление при таком процессе двух у-квантов вытекает из закона сохранения импульса.
В самом деле, если до воссоединения частиц,е' и +,е' суммарный импульс обеих частиц в системе координат, связанной с центром масс системы «электрон — позитрон», был равен нулю, то для сохранения импульса неизменным после уничтожения пары должн«я образоваться два у-кванта, импульсы которых направлены в противоположные стороны. Каждый из уквантов уносит энергию, равную Ьч = тс» = 0,511 МэВ.
Прямым экспериментальным доказательством существования эффекта уяичтожения пары являются опыты Л. А. Арцимовича„ А. И. Алиханова и А. И. Алиханьяна. Они воспользовались тем, что в свободном состоянии позитрон может существовать весьма недолго. Проходя через вещество, он воссоединяется с одним из электронов атома вещества и при этом возникают два у-кванта. В описываемых опытах источник позитронов помещался внутри свинцовой оболочки, которая располагалась между двумя счетчиками. Толщина оболочки выбиралась такой, чтобы все позитроны внутри нее соединялись с электронами, а образовавшиеся у-кванты проходили наружу и фиксировались счетчиками.
Опыты показали, что в каждом акте воссоединения позитрона с электроном возникали два у-кванта, летящих в противоположные стороны. Измерения интенсивности у-лучей позволили измерить энергию Ьт квантов, оказавшуюся близкой к 0,5 МэВ. 4. Явления возникновения и уничтожения электронно-позитронной пары представляют интерес как пример взаимосвязи различных форм материи. Мы встречаемся здесь с превраи1епием материи в форме вещества в материю в форме электромагнитного поля и с обратным превращением.
Разумеется, при этих превращениях выполняются все законы сохранения. Так, масса у-кванта, из которого образуется пара, оказывается в точности равной массе образовавшихся частиц. Поэтому не может быть речи ни о каком «уничтожении» или «рождении» массы, а тем более материи в этих процессах. Именно поэтому следует избегать термина «аннигиляция» («превращение в ничто») пары. Этот термин иногда встречается в литературе при описании процесса превращения пары в у-кванты. 2 82.4.
Составное ядро, Общая характеристика ядерных реакций 1. В любых ядерных реакциях, за исключением спонтанного деления ядер Ц 82 8), атомные ядра сталкиваются с частицами (нейтронами, с»-частицами, протонами) или между собой. Однако эти 407 столкновения отличаются от соударений тел и частиц, которые изучаются в классической механике (см.
й ! 7.1), а также от соударений частиц с электронной оболочкой атомов и молекул. В неядерных столкновениях рассматривается передача импульса и энергии от налетающей частицы какой-либо одной частице мишени, с которой происходит столкновение. Например, при возбуждении или ионизации атома соударепием его с ионом происходит передача энергии от иона к какому-либо электрону атома. В результате этот электрон либо переводится в возбужденное энергетическое состояние, либо, в случае иоиизации, удаляется из атома. 2.
В ядерных столкновениях мы встречаемся с принципиально иной ситуацией. Ядро представляет собой плотное образование, и когда в него попадает налетающая частица, она не взаимодействует с каким-либо одним нуклоном. Проникая в ядро, частица «застревает» в нем, причем энергия частицы передается не одному, а многим нуклонам. Захват ядром попавшей в него частицы приводит к образованию промежуточного, так называемого сосни«вного ядра.
В этом состоит первый этап ядерной реакции. 3. Н. Бор, Л. Д. Ландау и Я. И. Френкель, развившие теорию составного ядра, показали, что энергия, которую приносит с собой частица, за весьма малое время равномерно распределяется между всеми частицами составного ядра. Согласно теории составного ядра, оно, как и любое возбужденное тяжелое ядро (с большим массовь|м числом), может рассматриваться как статистическая система частиц, совершающих неупорядоченные движения, подобные движению частиц в капле жидкости.
По своим свойствам составное ядро должно быть аналогично капле жидкости (580.7), поскольку быстрое перераспределение энергии между частицами в ядре возможно лишь при частых столкновениях частиц, что характерно для перераспределения энергии между частицами жидкости. Если составному ядру с массовым числом А сообщена энергия «г, то средней энергии возбуждения на одну частицу 8/А должна соответствовать некоторая «ядерная температура» Т, определяемая из условия — = — кТ, з где я — постоянная Больцмана (см.
й 26.9). Мерой ядерной температуры является средняя кинетическая энергия, приходящаяся на одну частицу составного ядра. Например, при А = 100 и е7 = = 1О МэВ «ядериая температура» оказывается по порядку величины равной 1О' К. Огромное значение Т показывает условность этого понятия. 4. Статистическое рассмотрение составного ядра-капли оказалось очень плодотворным для описания общих закономерностей протекания ядерных реакций, в частности для понимания второго этапа ядерной реакции — вылета из составного ядра тех или иных частиц. В результате случайных отклонений от равномерного распределения энергии возбуждения между частицами составного яд- ра, на одной из них может сконцентрироваться энергия, достаточная для вылета этой частицы из ядра. Этот процесс можно рассматривать как «испарениеэ частицы из составного ядра-капли.
Между первым этапом ядерной реакции н вылетом из составного ядра тех или иных частиц, как правило, проходит время, много большее так называемого ядерного времени. За ядерное время принимается время, необходимое для того, чтобы частица с энергией порядка 1 МэВ и скоростью 1О' — 1О' м/с прошла расстояние, по порядку величины равное диаметру ядра 10 " м, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
