КАБАРДИН О.Ф. "ФИЗИКА (справочные материалы)", 1991

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ

Ядерные силы. Так как размеры атомных ядер малы, силы кулоновского отталкивания между двумя половинами, например, атомного ядра свинца, содержащего 82 протона, достигают нескольких тысяч ньютонов. Но ядро свинца не разваливается на части под действием кулоновских сил отталкивания, поэтому следует сделать вывод о существовании сил притяжения между протонами и нейтронами, превосходящих силы кулоновского отталкивания между протонами.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре, назвали ядерными силами. Другое название этого взаимодействия - сильное взаимодействие.

Протон и нейтрон по способности к сильному взаимодействию не отличаются друг от друга, поэтому в ядерной физике их часто рассматривают как одну частицу - нуклон - в двух различных состояниях. Нуклон в состоянии без электрического заряда называется нейтроном, нуклон в состоянии с электрическим зарядом называется протоном.

Основные свойства ядерных сил можно объяснить тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами, масса которых больше массы электрона примерно в 200 раз. Такие частицы были обнаружены экспериментально в 1947 г. Они получили название пи-мезонов.

Ядерные силы являются короткодействующими силами. На расстояниях не больших ·10-15 м сильное взаимодействие нуклонов значительно превосходит электромагнитное и гравитационное, но с увеличением расстояния между нуклонами очень быстро убывает.

Масса атомного ядра. Измерение масс атомов и атомных ядер производится с помощью масс- спектрографов. Схема устройства масс-спектрографа представлена на рисунке 309. Положительные ионы исследуемого вещества разгоняются электрическим полем. Специальное устройство пропускает на щель только ионы с некоторой определенной, одинаковой для всех скоростью . Через щель пучок ионов попадает в вакуумную камеру . Камера находится между полюсами магнита, вектор магнитной индукции перпендикулярен вектору скорости ионов.

Рис. 309

Как известно, на электрический заряд, движущийся со скоростью в поперечном магнитном поле с индукцией , действует сила Лоренца, направленная под прямым углом к векторам скорости заряда и индукции магнитного поля:

.

Под действием этой центростремительной силы ион движется по окружности, радиус которой определяется соотношением

Описав полуокружность, все ионы с одинаковой массой попадают в одно место фотографической пластинки. По известным значениям величин и радиуса окружности определяется масса иона:

С помощью масс-спектрографа можно не только измерять массы атомов отдельных изотопов, но и определять по плотности почернения линии масс-спектрографа содержание отдельных изотопов в данном элементе. Очевидно, что интенсивность линии изотопа на спектрограмме прямо пропорциональна содержанию его в элементе.

Установки, не отличающиеся по принципу действия от масс-спектрографов, могут быть использованы для промышленного разделения изотопов с целью получения значительных количеств одного изотопа.

Точные измерения масс атомных ядер с помощью масс-спектрографов показали, что масса любого ядра, содержащего протонов и нейтронов, меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов:

. (86.1)

Энергия связи ядра. Так как масса любого атомного ядра меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, то из закона взаимосвязи массы и энергии (82.4) следует, что полная энергия свободных протонов и нейтронов должна быть больше полной энергии составленного из них ядра. Для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны нужно затратить энергию , равную разности между полной энергией свободных протонов и нейтронов и полной энергией ядра:

(86.2)

где

.

Минимальная энергия , которую нужно затратить для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра. Эта энергия расходуется на совершение работы против действия ядерных сил притяжения между нуклонами.

При соединении протонов и нейтронов в атомное ядро происходит освобождение энергии; освобождаемая энергия равна энергии связи ядра . Эта энергия освобождается за счет работы сил ядерного притяжения между нуклонами.

Удельная энергия связи. Отношение энергии связи ядра к числу нуклонов в ядре называется удельной энергией связи нуклонов в ядре.

Удельная энергия связи нуклонов в разных атомных ядрах неодинакова. Сначала с ростом массового числа она увеличивается от 1,1 МэВ/нуклон у ядра дейтерия до 8,8 МэВ/нуклон у изотопа железа , а далее с ростом массового числа постепенно убывает и снижается до 7,6 МэВ/нуклон у изотопа урана . Зависимость удельной энергии связи нуклона в ядре от массового числа представлена графически на рисунке 310.

Рис. 310

Удельная энергия связи нуклонов в атомных ядрах в сотни тысяч раз превосходит энергию связи электронов в атомах.

87. РАДИОАКТИВНОСТЬ

Стабильные и нестабильные ядра. Не всякое атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами притяжения, может существовать неограниченно долго. Многие атомные ядра оказываются способными к самопроизвольным превращениям в другие атомные ядра. Устойчивыми являются лишь те атомные ядра, которые обладают минимальным запасом полной энергии среди всех ядер, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться.

Альфа-распад. Альфа-распадом называется самопроизвольный распад атомного ядра на альфа-частицу (ядро атома гелия ) и ядро-продукт. Альфа-радиоактивны почти исключительно ядра тяжелых элементов с порядковым номером . При вылете альфа-частицы из ядра число протонов в ядре уменьшается на два и продукт альфа-распада оказывается ядром элемента с порядковым номером, на две единицы меньшим исходного, массовое число ядра-продукта меньше массового числа исходного ядра на четыре единицы. Например, продуктом альфа-распада ядра изотопа урана является ядро изотопа тория :

.

Начальная кинетическая энергия всех альфа-частиц, испускаемых ядрами одного изотопа, одинакова, или испускаются альфа-частицы с двумя-тремя разными значениями начальной кинетической энергии.

Гамма-излучение при альфа-распаде. При альфа-распаде атомных ядер довольно часто часть энергии альфа-распада может пойти на возбуждение ядра-продукта. Ядро-продукт спустя короткое время после вылета альфа- частицы испускает один или несколько гамма-квантов и переходит в нормальное состояние. Таким образом, альфа-распад радиоактивных ядер может сопровождаться испусканием гамма-квантов. На рисунке 311 схематически изображен альфа-распад ядра изотопа урана . Горизонтальными линиями со штриховкой на схеме отмечены основные энергетические уровни исходного ядра и ядра-продукта. Альфа- распад с образованием возбужденного ядра отмечается косой линией, соединяющей основной уровень исходного ядра с одним из возбужденных уровней ядра-продукта. Переходы возбужденных атомных ядер в нормальное состояние путем испускания гамма-квантов обозначаются вертикальными линиями, соединяющими на диаграмме уровни, между которыми совершаются переходы.

Рис. 311

Бета-распад. Явление электронного бета-распада представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра путем испускания электрона. В основе этого явления лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям. Масса свободного нейтрона больше массы свободных протона и электрона, вместе взятых, - следовательно, запас полной энергии нейтрона больше запаса энергии протона и электрона. Поэтому нейтрон может самопроизвольно превращаться в протон с испусканием электрона и антинейтрино :

.

Ядра, в которых происходят превращения нейтрона в протон, называются бета-радиоактивными. В результате превращения одного из нейтронов в протон заряд ядра увеличивается на единицу. Ядро - продукт бета-распада оказывается ядром одного из изотопов элемента с порядковым номером в таблице Менделеева, на единицу большим порядкового номера исходного ядра. Например, при бета-распаде ядра изотопа калия , девятнадцатого элемента таблицы Менделеева, продуктом распада является ядро изотопа кальция двадцатого элемента:

.

Массовое число ядра - продукта бета-распада остается прежним, так как число нуклонов в ядре не изменяется.

Гамма-излучение при бета-распаде и бета-спектр. Бета-распад, как и альфа-распад, может сопровождаться гамма-излучением. Гамма-излучение сопровождает бета-распад в тех случаях, когда часть энергии затрачивается на возбуждение ядра-продукта. Возбужденное ядро через малый промежуток времени освобождается от избытка энергии путем испускания одного или нескольких гамма-квантов. Пример схематического изображения электронного бета-распада представлен на рисунке 312.

Рис. 312

Гамма-излучение, сопровождающее бета-распад, как и в случае альфа-распада, обладает дискретным энергетическим спектром.

Энергетический спектр бета-частиц сплошной. Бета-частицы имеют всевозможные энергии, начиная от нуля и до некоторого максимального значения, называемого максимальной энергией бета-спектра.

Бета-частицы имеют различные значения энергии, потому что часть энергии бета-распада уносит частица нейтрино.

Искусственная радиоактивность. Французские физики Фредерик Жолио-Кюри (1900-1958) и Ирен Жолио- Кюри (1897-1956) в 1934 г. обнаружили, что при облучении потоком альфа-частиц ядра изотопа алюминия превращаются в ядра изотопа фосфора , при этом испускаются свободные нейтроны:

Искусственно полученный изотоп фосфора оказался радиоактивным. Ядро изотопа фосфора распадается с испусканием позитрона:

Позитрон возникает в атомном ядре в результате превращения одного из протонов в нейтрон. Энергию, необходимую для такого превращения, протон получает от других протонов и нейтронов ядра. Последующие опыты по бомбардировке атомных ядер стабильных изотопов альфа- частицами, протонами, нейтронами и другими частицами показали, что искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены у всех без исключения элементов.

Рис. 313

Закон радиоактивного распада. Распад большого количества ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется одному закону, который может быть выражен в следующей математической форме:

Это уравнение носит название закона радиоактивного распада. В нем означает начальное количество радиоактивных ядер в момент времени, с которого начинаются наблюдения ( ). Число ядер, не испытавших распада до некоторого произвольного момента времени , обозначено . Символом обозначена постоянная величина, зависящая от типа радиоактивного изотопа. Эта постоянная называется периодом полураспада. Через промежуток времени, равный периоду полураспада ( ), исходное количество радиоактивных ядер убывает вдвое.

На рисунке 313 по оси ординат отложено количество радиоактивных ядер в момент времени , время отсчитывается по оси абсцисс.

88. СВОЙСТВА ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Взаимодействие ядерных излучений с веществом. При движении через вещество быстрые заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов, встречающихся на пути. В результате взаимодействия быстрой заряженной частицы с электроном оболочки последний получает дополнительную энергию и переходит на одну из более удаленных от ядра оболочек или совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение, во втором - ионизация атома. При прохождении вблизи атомного ядра быстрая заряженная частица испытывает торможение в его электрическом поле. Торможение заряженных частиц сопровождается испусканием квантов тормозного рентгеновского излучения. Потери энергии на испускание тормозного излучения увеличиваются с ростом энергии частиц. Особенно велики они у самых легких заряженных частиц - электронов.

Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. Длина пробега увеличивается с возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды. При одинаковой начальной энергии тяжелые частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие. Медленно движущиеся частицы взаимодействуют с атомами более эффективно и быстрее растрачивают имеющийся у них запас энергии.

Бета-частицы, вылетающие из атомных ядер со всевозможными начальными энергиями (от нулевой и до некоторой максимальной), обладают различными пробегами в веществе. Проникающую способность бета-частиц различных радиоактивных изотопов обычно характеризуют минимальной толщиной слоя вещества, полностью поглощающего все бета-частицы. Например, от потока бета-частиц с максимальной энергией частиц, равной 2 МэВ, полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм.

Альфа-частицы, обладающие значительно большей массой, чем бета-частицы, при столкновениях с электронами атомных оболочек испытывают очень небольшие отклонения от первоначального направления движения и движутся почти прямолинейно. Пробеги альфа-частиц в веществе очень малы. Например, альфа-частицы с энергией 4 МэВ обладают длиной пробега в воздухе примерно в 2,5 см. В воде или в мягких тканях животных и человека, плотность которых превышает плотность воздуха примерно в 770 раз, длина пробега альфа- частиц уменьшается во столько же раз и составляет сотые доли миллиметра. Благодаря небольшой проникающей способности альфа- и бета-излучения обычно не представляют опасности при внешнем облучении. Плотная одежда может поглотить значительную часть бета-частиц и совсем не пропускает альфа-частицы. Однако при попадании внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом или загрязнении радиоактивным веществом поверхности тела альфа- и бета-излучения могут причинить человеку серьезный вред.

Гамма-кванты и нейтроны не обладают электрическими зарядами и потому свободно проходят сквозь большинство встречающихся на их пути атомов. Но и для них вещество не является совершенно прозрачным. Пути пробега гамма-квантов и нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе - десятками сантиметров и даже метрами. Гамма-кванты, как и заряженные частицы, взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов. При прохождении вблизи атомного ядра гамма-квант может превратиться в пару частиц электрон - позитрон. Вторичные электроны, возникающие в результате взаимодействия гамма-излучения с веществом, производят ионизацию и возбуждение атомов среды.

Проникающая способность гамма-лучей увеличивается с ростом энергии гамма-квантов и уменьшается с увеличением плотности вещества-поглотителя.

Нейтроны при движении в веществе с электронными оболочками атомов не взаимодействуют и возбуждать или ионизировать атомы не могут. При столкновении с атомными ядрами они испытывают рассеяние или вызывают ядерные реакции с выходом из ядра заряженных частиц и гамма-квантов. Таким образом, конечными результатами взаимодействия с веществом любого вида ядерного излучения являются ионизация и возбуждение атомов среды, а иногда, при осуществлении ядерных реакций, и образование новых элементов или изотопов.

Гамма-лучи и потоки нейтронов - наиболее проникающие виды ионизирующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.

Доза ионизирующего излучения. Мерой воздействия любого вида ядерного излучения на вещество является поглощенная доза излучения. Доза излучения есть отношение энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества.

Единица поглощенной дозы получила название грэй (Гр):

Используется и единица рад: 1 рад = 0,01 Гр.

Биологическое действие ионизирующих излучений. Физическое воздействие ионизирующей радиации любого вида на ткани живого организма заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул среды. Возбужденные атомы и ионы обладают высокой химической активностью; поэтому в клетках организма появляются новые химические соединения, чуждые здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются отдельные сложные молекулы и элементы клеточных структур. Лучевое поражение, нанесенное при небольшой дозе облучения, живой организм может перенести легко, без каких-либо болезненных симптомов; большие дозы облучения могут привести к серьезному заболеванию или к смерти.

Современные методы медицинского обследования позволяют обнаружить признаки лучевого поражения организма при дозах рентгеновского или гамма-излучения, превышающих 0,25 Гр (25 рад). Дозы общего облучения человека в 2 Гр (200 рад) приводят к лучевой болезни, дозы в 7-8 Гр (700-800 рад) и более почти всегда смертельны.

Многолетняя практика работы с источниками ионизирующих излучений в исследовательских лабораториях и использования ядерных излучений и рентгеновских лучей в медицине позволила установить предельно допустимую дозу общего облучения человеческого организма, не причиняющего ему никакого заметного вреда. По современным данным, такой дозой рентгеновского или гамма-излучения является доза в 0,05 Гр в год (5 рад в год).

При одном рентгеновском обследовании доза облучения человека в несколько раз меньше допустимой дозы.

Хотя малые дозы облучения не вызывают каких-либо изменений в человеческом организме, обнаруживаемых современными методами, их действие не является совершенно безвредным. В результате действия ионизирующих излучений на организм человека увеличивается вероятность некоторых заболеваний, возрастает вероятность повреждения клеток, несущих генетическую информацию. Поэтому общим правилом при работе с радиоактивными изотопами и другими источниками ионизирующей радиации является сведение уровня облучения человека к возможному минимуму.

89. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Газоразрядные счетчики. Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества. Газоразрядный счетчик был изобретен немецким физиком Г. Гейгером, затем усовершенствован совместно с В. Мюллером. Поэтому газоразрядные счетчики часто называют счетчиками Гейгера - Мюллера. Цилиндрическая трубка служит корпусом счетчика, по оси ее натянута тонкая металлическая нить. Нить и корпус трубки разделены изолятором. Рабочий объем счетчика заполняется смесью газов, например аргоном с примесью паров метилового спирта, при давлении около 0,1 атм.

Для регистрации ионизирующих частиц между корпусом счетчика и нитью прикладывается высокое постоянное напряжение, нить является анодом. Пролетающая через рабочий объем счетчика быстрая заряженная частица производит на своем пути ионизацию атомов наполняющего газа. Под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду, положительные ионы движутся к катоду. Напряженность электрического поля вблизи нити анода счетчика настолько велика, что свободные электроны при приближении к нему на пути между двумя соударениями с нейтральными атомами приобретают энергию, достаточную для их ионизации. В счетчике возникает коронный разряд, который через короткий промежуток времени прекращается.

С включенного последовательно со счетчиком резистора на вход регистрирующего устройства поступает импульс напряжения. Принципиальная схема включения газоразрядного счетчика для регистрации ядерных излучений представлена на рисунке 314. По показаниям электронного счетного устройства определяется число быстрых заряженных частиц, зарегистрированных счетчиком.

Рис. 314

Сцинтилляционные счетчики. Устройство простейшего прибора, предназначенного для регистрации альфа-частиц, - спинтарископа - представлено на рисунке 302. Основными деталями спинтарископа является экран 3, покрытый слоем сульфида цинка, и короткофокусная лупа 4. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня 1 примерно против середины экрана. При попадании альфа-частицы в кристаллы сульфида цинка возникает вспышка света, которую можно зарегистрировать при наблюдении через лупу.

Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией. Сцинтилляция представляет собой одну из разновидностей явления люминесценции. В современных сцинтилляционных счетчиках регистрация световых вспышек производится с помощью фотоэлементов, которые преобразуют энергию световой вспышки в кристалле в энергию импульса электрического тока. Импульсы тока на выходе фотоэлемента усиливаются и затем регистрируются.

Камера Вильсона. Одним из самых замечательных приборов экспериментальной ядерной физики является камера Вильсона. Внешний вид демонстрационной школьной камеры Вильсона показан на рисунке 315. В цилиндрическом сосуде с плоской стеклянной крышкой находится воздух с насыщенными парами спирта. Рабочий объем камеры через трубку соединяется с резиновой грушей. Внутри камеры на тонком стержне укреплен радиоактивный препарат. Для приведения камеры в действие грушу сначала плавно сжимают, затем резко отпускают. При быстром адиабатическом расширении воздух и пары в камере охлаждаются, пар переходит в состояние пересыщения. Если в этот момент из препарата вылетает альфа-частица, вдоль пути ее движения в газе образуется колонка ионов. Пересыщенный пар конденсируется в капли жидкости, причем образование капель происходит в первую очередь на ионах, которые служат центрами конденсации пара. Колонка капель, сконденсировавшихся на ионах вдоль траектории движения частицы, называется треком частицы.

Рис. 315

Для выполнения точных измерений физических характеристик регистрируемых частиц камеру Вильсона помещают в постоянное магнитное поле. Треки частиц, движущихся в магнитном поле, оказываются искривленными. Радиус кривизны трека зависит от скорости движения частицы, ее массы и заряда. При известной индукции магнитного поля эти характеристики частиц могут быть определены по измеренным радиусам кривизны треков частиц.

Первые фотографии треков альфа-частиц в магнитном поле получил советский физик П.Л. Капица в 1923 г.

Метод применения камеры Вильсона в постоянном магнитном поле для изучения спектров бета- и гамма-излучений и исследования элементарных частиц впервые разработал советский физик академик Дмитрий Владимирович Скобельцин.

Пузырьковая камера. Принцип действия пузырьковой камеры состоит в следующем. В камере находится жидкость при температуре, близкой к температуре кипения. Быстрые заряженные частицы через тонкое окошко в стенке камеры проникают в ее рабочий объем и производят на своем пути ионизацию и возбуждение атомов жидкости. В тот момент, когда частицы пронизывают рабочий объем камеры, давление внутри нее резко понижают и жидкость переходит в перегретое состояние. Ионы, возникающие вдоль пути следования частицы, обладают избытком кинетической энергии. Эта энергия приводит к повышению температуры жидкости в микроскопическом объеме вблизи каждого иона, ее вскипанию и образованию пузырьков пара. Цепочка пузырьков пара, возникающих вдоль пути движения быстрой заряженной частицы через жидкость, образует след этой частицы.

В пузырьковой камере плотность любой жидкости значительно выше плотности газа в камере Вильсона, поэтому в ней можно более эффективно проводить изучение взаимодействий быстрых заряженных частиц с атомными ядрами. Для наполнения пузырьковых камер используют жидкий водород, пропан, ксенон и некоторые другие жидкости.

Метод фотоэмульсий. Фотографический метод является исторически первым экспериментальным методом регистрации ядерных излучений, так как явление радиоактивности было открыто Беккерелем с помощью этого метода.

Способность быстрых заряженных частиц создавать скрытое изображение в фотоэмульсии широко используется в ядерной физике и в настоящее время. Ядерные фотоэмульсии особенно успешно применяются при исследованиях в области физики элементарных частиц и космических лучей. Быстрая заряженная частица при движении в слое фотоэмульсии создает вдоль пути движения центры скрытого изображения. После проявления появляется изображение следов первичной частицы и всех заряженных частиц, возникающих в эмульсии в результате ядерных взаимодействий первичной частицы.

⇦ Ctrl предыдущая страница / следующая страница Ctrl ⇨

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ 

cartalana.orgⒸ 2008-2020 контакт: koshka@cartalana.org