1626435893-691da8e1223766775fc277661dcb4565 (844331), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Однако очень часто массу частиц выражают непосредственно в единицах энергии мега- электрон-вольт, 2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ ЯДЕР Для определения точных значений масс атомных ядер используются следующие методы: а) масс-спектрометрия; б) энергетический анализ ядерных реакций; в) баланс ег-распада; г) баланс [3-распада; д) микроволновая радиоспектроскопия. Ниже дана краткая характеристика метода масс-спектрометрии и сделана оценка даваемой им точности. Другие методы рассмотрены в соответствующих главах 6 34, п. 1; 0 17, п.
2; 0 18, и. 2; 0 5, п. З,в). Принцип действия масс-спектрометра, впервые предложенный в 1907 г. Дж. Дж. Томсоном, заключается в использовании фокусирующих свойств электрических и магнитных полей по отношению к двигающимся в них заряженным частицам с данным се/т. Атомы являются нейтральными системами, поэтому, для того чтобы воздействовать на движение атомов электрическими и маппггными полями, их предварительно ионизируют. Первые масс-спектрометры с достаточно высокой разрешающей способностью были построены в 1919 г. Астоном и Демпстером. В массспектрометре Астона из ионного источника попускались ионы по заданному направлению, но с разными скоростями и использовался принцип фокусировки ионов по скоростям. В массспектрометре Демпстера все ионы имели одинаковую скорость, но выходили из источника широким пучком, и фокусировка производилась по направлениям.
На рис. 1 изображена схема масс-спектрометра Демпстера. Ионы создавались в ионном источнике рврг электронной бомбардировкой паров исследуемого вещества, ускорялись ДО ЭНЕРГИИ ТивЕУ МЕЖДУ ЩЕЛЕВЫМИ ДИафРаГМаМИ Дз И Д и выходили достаточно широким пучком в вакуумную камеру ВК. Скорость о движения ионов определяется соотношением е)г=-Мпз/2.
[2.1б) [Рассуждения проводятся для однозарядных ионов. Для ионов с зарядом г, отличным от единицы, в левую часть формулы [2.16) следует добавить множитель ж1 ' Точное значение переводного множителя равно (931,501бк0,0020) Мзв. ! 2. Масса ядра и нукяонов 35 ! ао оО у О УО ЗО М Н Рис.
! Рис. 2 В камере на движущиеся ионы действует перпендикулярное (плоскости орбиты) однородное магнитное поле Н. Под его действием ион начинает двигаться по окружности, радиус которой г можно найти из равенства лоренцевой и центробежной сил: еОН!О=Ми )г. (2.17) Исключая из уравнений (2.16) и (2.17) скорость частицы О, находим условие, связывающее между собой 1', М, Н и г: М гъН ае)2 уса (2.18) Условие (2.18) означает, что при заданной напряженности магнитного поля Н радиус г круговой траектории .
иона с данной массой М определяется только значением ускоряющего потенциала К Плавно изменяя потенциал 1; можно добиться того, что радиус орбиты г совпадет с радиусом камеры Л и ионы через щель Д, попадут на собирающий электрод Э, соединенный с электрометром, который покажет увеличение тока. При этом нет необходимости создавать направленный пучок ионов, так как фокусирующее действие магнитного поля по отношению к траекториям данного радиуса Я проявляется в достаточно широком интервале начальных углов вылета ионов из источника (штриховые линии на рис.
1). На рис. 2 приведена типичная кривая зависимости тока в электрометре 1 от ускоряющего потенциала Р' (масштабы по оси ординат для левого н правого максимумов различаются в 5 раз). По положению максимумов на этой кривой можно определить отношение масс исследуемых атомов, так как из уравнения (2.18) следует, чта Г,: !' =М:М,. 36 Глава Х Свойства стабильных ядер и ядерных сил Таблица! Прибор Демпстера обладает хорошей разрешающей способностью. Это видно из рис. 2, который соответствует анализу изотопов калия с массовыми числами 41 и 39.
В дальнейшем масс-спектрометры постоянно совершенствовались. Были созданы, например, приборы, в которых в качестве детектора вместо электрометра используется фотопластинка. В этом случае ионы, различающиеся массами, дают на пластинке почернение в разных местах (масс-спектроско пня). В современных масс-спектрометрах используется метод двойной фокусировки: по скоростям и направлениям. Благодаря этому разрешающая способность таких приборов очень высока. Они позволяют измерять разности масс с погрешностью, не превышающей 10 ~ — 10 а а.
е. м., что дает для относительной погрешности измерения массы значение ЬМ/М-10 а-:1О '. Развитие техники масс-спектрометрии позволило подтвердить высказанное Содди в 1910 г. предположение о том, что дробные атомные массы объясняются существованием изотопов.
Астон и др. с помощью масс-спектрометров обследовали все элементы периодической системы и почти у всех нашли по нескольку изотопов. В табл. 1 приведено несколько значений масс легких атомов с указанием современной погрешности измерения. 'Очевидно, что масса соответствующего ядра равна разности между массой атома и суммой масс У электронов атомной оболочки (с точностью до энергии связи этих электронов). Из таблицы видно, что масса любого атома (и ядра), если ее выразить в атомных единицах массы, оказывается близкой к массовому числу А. Это объясняется малостью энергии связи ЛИс любого ядра по сравнению с его массой (см. 9 3, п.
2). В заключение отметим, что благодаря совместному применению всех перечисленных в начале п. 2 методов измерения у л. Масса ядра и нуклоноо 37 Р! а Рлао РЬ Ра б) Рло.о Рис. 4 Рис. 3 удалось получить около 2000 взаимно согласованных значений масс ядер, многие из которых известны с большой точностью. Для анализа свойств атомного ядра особенно важно иметь точные значения масс протона и нейтрона, являющихся составными частями всех атомных ядер.
Как видно из табл. 1, современная масс-спектроскопия позволила получить для массы атома водорода (и, следовательно, для массы протона) значение с семью десятичными знаками. Ниже приведены приближенные значения для массы атома водорода и массы протона в разных единицах: М„(,'Н) =1,007825 а.
е. м. =938,79 МэВ/с'= 1837,2ло,; сл =1,007276 а. е. м.=938,28 МэВ/с~=1836,2т,. Методы определения массы нейтрона рассмотрены в п. 3. 3. МАССА НЕЙТРОНА Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому для определения его массы нельзя использовать метод массспектрометрии. Первая грубая оценка массы нейтрона была сделана одновременно с его открытием в 1932 г. Чедвиком, который проанализировал с помощью законов сохранения импульса и энергии результаты опытов по облучению нейтронами водорода и азота. В опыте Чедвика (рис. 3) нейтроны, полученные в результате бомбардировки бериллиевой мишени и-частицами полония (см. 3 39), направлялись в ионизационную камеру ИК, которая поочередно наполнялась азотом и водородом. В результате соударения нейтронов с ядрами газа, заполнявшего камеру, возникали быстро движущиеся ядра отдачи, которые создавали на своем пути ионы, регистрировавшиеся и онпз ационной камерой в виде импульсов тока.
Энергия ядра отдачи зависит от энергии нейтронов и характера столкновения (рис. 4). Очевидно (рис. 4, б), что для лобового соударения нейтронов с ядрами водорода и азота энергии ядер отдачи будут 38 Глава К Свойства стабильямх ядер и ядврямя сил максимальны '. В этом случае легко получить следующее соотношение между ними и массами нейтрона и ядер: (Тн) М(~7Х) м( 7Х)+Щ (Тн) „М(',Н) М() ьН) + т„ Подстановка в формулу (2.19) измеренных на опыте значений (Тн) „„,= 5,7 МэВ и (Т„)„„,=1,2 МэВ дает для массы нейтрона т„1 а. е.
м. При этом точность эксперимента была такой, что с достоверностью можно было утверждать только приблизительное равенство масс нейтрона и протона: т„жт . Точное значение массы нейтрона можно найти из энергетического баланса ядерных реакций с участием нейтрона. Такими ядерными реакциями могут быть реакции, идущие под действием нейтронов, и реакции, в результате которых образуются нейтроны. Простейшей реакцией второго типа является реакция расщепления дейтрона под действием. уквантов: У+ аьН -ь и+Р. (2.20) Запишем закон сохранения энергии для этой реакции: Е,+МИН)е'=т„са+Т„+теса+Те. (221) Здесь Е,— энергия у-кванта; М(аьН)с', т„е' и т,с' — соответственно энергии покоя дейтрона, нейтрона и протона; Т„ и Т„ †кинетическ энергии нейтрона и протона (дейтрон предйолйгается покоящимся). В опыте были использованы у-кванты ТЬ Сл('ов",П), имеющие энергию 2,62 МэВ.
Измерения с помощью камеры Вильсона дали Т, = 0,2 МэВ. В то же время из простых соображений следует, что Т„х Т . Действительно, в опыте Чедвика получено, что т астр. Кроме того, (р„)-~р„~, так как у-квант с энергией 2,62 МэВ имеет значительно меньший импульс, чем протон с энергией 0,2 МэВ. Таким образом, в уравнении (2.21) известны все величины, кроме т„са, которую можно найти. Легко видеть, что точность определения массы нейтрона т„ зависит только от точности, с которой известны массы протона и дейтрона и энергии у-кванта и протона. Приближенность соотношений ~р„~ ж~р ~ и Т„х Т не сказывается на точности результата, так как ее ' Подробнее упругое рассеяние рассмотрено в 1 24, и.
1. в 3. Энергия связи ядра 39 можно исключить повторным вычислением, сделанным с массой нейтрона, найденной при первом подсчете (метод последовательных приближений). Таким образом, было найдено, что т„=1,00866 а. е, м. В настоящее время наиболее точное значение массы нейтрона лг„=(1,00866522+6 1О в) а. е. м., а приближенное гп„ж в1,00867 а. е. м. =939,57 МэВ= 1838,7 т,. Таким образом, масса нейтрона на 2,5ги, (на 1,3 МэВ) больше массы протона. Поэтому энергетически возможен радиоактивный распад нейтрона на протон и электрон (сопровождающнйся вылетом антинейтрино 9., см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
