Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Расщепление атомов при помощи ускорителей

Способы расщепления атомов

В начале тридцатых годов большинство физиков стало поддерживать идею о том, что обычные стабильные атомы можно расщепить, бомбардируя их частицами высокой энергии. Но благоприятные условия для осуществления этого предложения резко ограничивались небольшими запасами радиоактивных изотопов. В частности, во всем мире имелось всего лишь несколько граммов радия. К тому же энергия таких снарядов, как альфа-частицы, бета-частицы и гамма-кванты ограничивались несколькими миллионами электрон-вольт. Физики нуждались в новых устройствах, которые могли бы ускорять заряженные частицы до высоких энергий, и они начали их проектировать и строить.

Единственным способом увеличения энергии заряженной частицы является воздействие на нее электрическими силами. Это можно сделать, приложив к ней электрическое поле. Поле можно создать при помощи напряжения — разности потенциалов, поддерживаемой между двумя точками, или посредством изменения со временем магнитного поля в той области, где находится заряженная частица. Второй способ является основой принципа действия бетатрона. Постоянное магнитное поле играет незначительную роль в этом процессе, поскольку оно не влияет на энергию заряженной частицы.

Подробный разбор конструкций ускорителей частиц, разработанных в последние годы, принес бы читателю мало пользы, поэтому мы постараемся дать лишь представление об общих принципах этих установок, основываясь на устройстве самого известного ускорителя — циклотрона, построенного в 1931 г. Эрнестом О. Лоуренсом и М. С. Ливингстоном.

Общая цель физиков заключается в том, чтобы выяснить сущность ядерных сил, природу частиц, находящихся в ядре, и характер происходящих там процессов. Уже получено большое количество новых сведений и открыто около двадцати новых частиц.

Циклотрон

Основной деталью циклотрона, разработанного Лоуренсом и Ливингстоном, является короткий полый цилиндр, разделенный на две части А и В (рис. 1). Каждая половина называется «дуантом» (так как она отчасти напоминает букву D). Дуанты расположены в воздухонепроницаемой металлической камере, и все это устройство помещено между полюсами огромного электромагнита, имеющими диаметр от 75 до 150 см. Магнитное поле перпендикулярно основанию цилиндра, образованного дуантами. Внутрь цилиндра подается газ, такой как водород, гелий или дейтерий, который поддерживается при низком давлении. Его необходимо ионизировать. Ионы либо создаются посредством бомбардировки атомов газа электронами от нагретой нити накала внутри устройства, либо образуются в отдельном источнике и подаются внутрь цилиндра через отверстие в его крышке. Дуанты подключены к источнику высокочастотного переменного тока; знак заряда каждого из них меняется несколько миллионов раз в секунду.

Когда дуант А положителен, а В отрицателен, положительные ионы, находящиеся между ними, испытывают ускорение в направлении к дуанту В. Когда ионы попадают внутрь дуанта В, магнитное поле заставляет их двигаться по круговому пути. Напряженность поля устанавливают таким образом, чтобы ионы могли завершить полоборота за время, в течение которого напряжение меняет знак и дуант В становится положительным, а А — отрицательным. Ионы вновь получают дополнительное ускорение, когда они вторично пересекают зазор, двигаясь от дуанта В к А. Внутри дуанта А они будут двигаться с большей скоростью и при этом радиус кругового пути тоже будет больше. На прохождение увеличившегося полукругового пути внутри дуанта А будет затрачиваться то же самое время, и ион достигнет края зазора в нужный момент, чтобы вновь ускориться в направлении к дуанту В. Ион будет продолжать двигаться по полуокружностям с увеличивающимися радиусами, причем каждый раз, проходя от одного дуанта к другому, он будет получать дополнительную энергию.

После того как ионы пройдут много полукруговых путей и окажутся на периферии цилиндра, вспомогательное электрическое поле отклонит их в сторону окошка в камере. Теперь эти ионы высокой энергии можно использовать для бомбардировки ядер веществ, помещаемых вблизи окошка. Для изучения продуктов этой бомбардировки нужны соответствующие приборы.

Если используемым в циклотроне газом является водород, то частицами высокой энергии будут протоны. Если применяется дейтерий, то частицами высокой энергии будут дейтоны, а при подаче в камеру гелия, мы получим искусственный источник альфа-частиц высокой энергии. Энергии этих нескольких сортов частиц достигают десяти миллионов электрон-вольт.

Существует практический предел для количества энергии, которое можно сообщить частицам в циклотроне с постоянной частотой. Он обусловлен тем, что масса частицы растет при увеличении скорости, т. е. вследствие релятивистского эффекта. В результате этого нарушается синхронность движения ионов и частоты переменного тока, подаваемого на дуанты. Это ограничение снимается в циклотроне с частотной модуляцией, известном также под названием синхроциклотрона. Успешная работа ускорителя частиц этого типа зависит от свойства, известного под названием фазовой стабильности, которая была открыта в 1945 г. В Векслером в СССР и независимо от него Э. М. МакМилланом в США. Фазовая стабильность связана с движением заряженных частиц в условиях комбинации магнитного поля одного определенного направления и переменного электрического поля с меняющейся частотой.

Поскольку масса частицы возрастает при каждом дополнительном увеличении ее скорости, то некоторое количество энергии, передаваемой частице, оказывается связанным с этим увеличением массы, и только часть энергии идет на увеличение кинетической энергии частицы. Такая частица будет приходить с опозданием к ускорительному промежутку, в котором приложено переменное напряжение. Однако Векслер и МакМиллан показали, что частица может получать дополнительную энергию, если уменьшить частоту переменного напряжения или напряженность магнитного поля.

В циклотроне с частотной модуляцией (рис. 2) магнитное поле остается постоянным, в то время как частота напряжения постепенно убывает. Этот тип циклотрона дал возможность получить протоны с энергией около полумиллиарда электрон-вольт. В некоторых циклотронах с частотной модуляцией ядра бериллия Ве++++ и углерода С++++++ ускоряются до энергий, достигающих одного миллиарда электрон-вольт (сокращенно 1 Бэв).

Специально сконструированные протонные синхротроны, такие как Космотрон в Брукхейвенской национальной лаборатории, могут ускорять протоны до 3 Бэв, в то время как в Беватроне Калифорнийского университета в Беркли протоны можно ускорять до 6 Бэв. Каждый вновь достигаемый уровень энергии ведет к открытию новых частиц и новых ядерных процессов.

Расщепление атомов при помощи протонов

При помощи протонов высокой энергии, получаемых в настоящее время, можно осуществить много различных типов ядерных реакций. Когда один из таких протонов приближается к ядру атома, он отталкивается положительным зарядом Ze ядра с атомным номером Z. Чтобы проникнуть в ядро, несмотря на это отталкивание, протон должен обладать достаточным количеством кинетической энергии. Попав внутрь ядра, протон оказывается под действием специфических ядерных сил, точная природа которых до сих пор еще не установлена. Об этих силах известно лишь, что они имеют малый радиус действия. Этот радиус, по всей вероятности, не превышает размеров ядра, которые меньше 10 в -12 степени см.

Внутри ядра протон становится частью нового ядра с атомным номером Z + 1. Оно называется также составным ядром. Например, если протон налетает на ядро лития, Z = 3 и А = 7, то образующееся составное ядро будет ядром бериллия Z = 4 и А = 8. Этот изотоп бериллия нестабилен и может распасться несколькими способами. Два из них даются следующими ядерными уравнениями:

Другой возможный путь для осуществления этой реакции состоит в том, что составное ядро испускает гамма-квант и переходит в основное состояние, после чего расщепляется на две альфа-частицы, обладающие меньшей кинетической энергией. Первая из этих реакций иногда обозначается как (p, а)-реакция; такое обозначение указывает на то, что бомбардирующей частицей является протон, а одним из продуктов — альфа-частица. Вторая реакция носит название (p, у)-реакции, а иногда ее называют реакцией захвата протона.

Другим типом реакции, в которой в качестве бомбардирующих частиц используются протоны, является (p, d)-реакция. При этом одной из конечных частиц является дейтон.

Г.Семат, Г.Э. Уайт - Физика атомного века /
Перевод с английского А.В.Давыдова

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору! 
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник
Яндекс.Метрика