Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 73
Текст из файла (страница 73)
е. число их в единице объема мишени, б — толщина мишени (олб определяет относительную долю площади мишени, перекрытую ядрами-шариками). ') Наяомиим, что дейтояом назмвается ядро атома тяжелого водорода. Оно состоит из двух нуялоиов — яротона и нейтрона. 459 Предположим, что плотность падающих частиц') равна гт'. Тогда количество претерпевших столкновения с ядрами частиц ЛФ будет равно Ь)т'= 1т'Р л)апб. (91.4) Следовательно, определив относительное количество частиц, претерпевших столкновения, ЬУ/)ч*, можно было бы вычислить поперечное сечение и = пгз ядра по формуле ькг а= —.
йггз (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 и, 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 а(х, находящегося на глубине х от поверхности: ЙЧ = — 1т' (х) пп с(х, 'г Напомним, что плотностью потока вазмваетсн количество гщ. стнц, пролетающих в единицу времени через единичную площадку. перпендикулнрную к направлению потока. где гт'(х) — поток частиц на глубине х. Мы поставили справа знак минус, чтобы с(Ж можно было рассматривать как приращение (а не ослабление) потока на пути с(х. Интегрирование этого уравнения приводит к соотношению: аг (б) аг а-ела в котором гте — первичный поток, а гч'(б) — поток на глубине б.
Таким образом, измеряя ослабление потока частиц при прохождении их через мишень толщины б, можно определить сечение взаимодействия по формуле: и = — !и —. 1 гуа мй У(о) ' (91.6) В качестве единицы эффективного сечения ядерных процессов принят барн: 1 барн = 10 и см'. (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: ,Ь)»'(и, р) О". Резерфорд воспользовался для расщепления атомного ядра природными снарядами — а-частицами. Ядерная реакция, вызванная искусственно ускоренными частицами, была впервые осуществлена Кокрофтом н 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),Не~. 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, »», »х) 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, тел» 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 с».Е 'ь. Однако часто наблюдаются случаи, когда сечение захвата нейтронов имеет резко выраженный максимум для нейтронов определенной энергии Е„, В качестве примера на рис. 256 приведена кривая зависимости сечения захвата нейтрона ядром 1У~' от энергии нейтрона Е. Масштаб по обеим осям — логарифмический.
В этом случае зависимость и амЕ '* изображается прямой линией, описываемой уравнением: !и и = сопз1 — »Ь 1п Е. Как видно из рисунка, кроме области 46» ставляет около 5600 лет. Радиоуглерод усваивается при фотосинтезе растениями и участвует в круговороте веществ в п и оде. Количество возни- ееееЕаае нейтрона .фюзи/ еееааю етсятсжюаияФа Р Р кающих в атмосфере в единицу времени ядер радиоугле- Рис.
257. рода ЛФ, в среднем остается постоянным. Количество распадающихся ядер ЬУ пропорционально числу имеющихся ядер Й: Ь)У = ЙУ. Так как период полураспада очень велик, устанавливается равновесная концентрация ядер См в обычном 462 энергий вблизи 7 эв ход )п о с !п Е действительно близок к прямолинейному. При Е = Е, = 7 эв сечение захвата резко возрастает, достигая 23000 барн. Вид кривой указывает на то, что явление имеет резонансный ха- рактер. Такое резонансное гак поглощение имеет место Юборн 1 ~ исеае в том случае, когда энергия, привносимая нейтроном в составное ядро, в точности равна той энергии, которая необходима для перевода составного ядра на возбужденный энергетический уровень (рис.
257). Подобным же образом для фотонов, Рис. 2йб. энергия которых равна разности энергий между первым возбужденным и основным уровнями атома, вероятность поглощения особенно велика (резонансное поглощение света; см. ф 85). Интересна реакция 75)м(п, р)аС", которая постоянно протекает в атмосфере под действием нейтронов, образуемых космическими лучами. Возин- ш а ~Н у ~сиьС" называется радиоуглеродом, так как он Д--радиоактивен, его период полураспада со- углероде, отвечающая условию: тай+ = сзУ или ст)т'+ —— Й)т'. Специальные исследования показали, что вследствие действия ветров и океанских течений равновесная концентрация См в различных местах земного шара одинакова и соответствует примерно 14 распадам в минуту на каждый грамм углерода.
Пока органическое вещество живет, убыль в нем См из-за радиоактивности восполняется за счет участия в круговороте веществ в природе. В момент смерти организма процеес усвоения сразу же прекращается и концентрация См в обычном углероде начинает убывать по закону радиоактивного распада. Следовательно, измерив концентрацию Ста 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.
ф 92. Деление ядер В 1938 г. немецкие ученые О. Ган 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. Фрншем н Лизой Месйтнс. Они предположили, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две примерно равные части, получившие название о с к о л к о в д е л е н и я.
Дальнейшие исследования показали, что деление может происходить разными пугямн. 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 прн делении (змэ медленными (тепловым н')) нейтронами (масштаб по оси ординат — логарифмический). Из этой кривой видно, что относительное число актов деления, при которых образуются два осколка равной массы (А = 117), составляет 1О '%, в то время ') Гениевыми называются нейтроны, нахалящнеся в тепловом равновесии с атомами вещества. Их энергия равна 0,025 эа.
463 как образование осколков с массовыми числами порядка 95 и 140 (95:140 = 2гЗ) наблюдается в 77а 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.
рнс. 248). Поэтому образовавшиеся д7 ю' Ю Ы )00 УЯ' ФУ 160 Ф Рис. 2Ж осколки оказываются сильно перегруженными нейтронами, в результате чего они выделяют по нескольку нейтронов. Большинство нейтронов испускается мгновенно (за время, меньшее 10 '~ сея). Часть (около 0,757о) нейтронов, получившая название з а п а з д ы в а ю щ н х нейтронов, нспускается не мгновенно, а с запаздыванием от 0,05 сея 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 й -превращений, сопровождаемых испусканием у-лучей. Поясним сказанное примером. Один из путей, которыми осуществляется деление, выглядит следующим образом: м(3~ 4. а м()э~~ ззСзмо+ КЬы+ 2п 464 Осколки деления — цезий и рубидий — претерпевают превращения: Само~-э ыВа~- ~-+лтЕаы~ ~-э~~Сев т и р р р зтКЬ94 Гьэвзгес Г изтУ94 Г-ьчоугм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
