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

Расщепление ядер

Наблюдение следов отдельных ядер

Ядра слишком малы, чтобы их можно было увидеть даже в самый сильный микроскоп. Тем не менее, отдельные ядерные события можно сделать наблюдаемыми. Например, проходя сквозь вещество, заряженные частицы ионизируют часть атомов и молекул вещества, и возникшие ионы во многих случаях могут произвести наблюдаемые эффекты.

Вспомогательным средством при регистрации таких процессов служит фотопластинка, которая применяется в ядерных исследованиях со времени открытия Беккерелем радиоактивности. Фотопластинки покрыты эмульсией, содержащей бромистое серебро. Когда сквозь эмульсию проходит заряженная частица, бромистое серебро в результате ее воздействия распадается на серебро и бром. При последующем проявлении пластинки бром удаляется и остается только серебро. Длина следов (треков) частицы в эмульсии мала. Поэтому, чтобы увидеть треки, необходимо просматривать пластинки под микроскопом.

Фотопластинки, используемые в ядерной физике, имеют толстую эмульсию, приблизительно от 0,02 до 2,0 мм толщиной. В этих эмульсиях содержатся значительно большие концентрации бромистого серебра, чем в обычных эмульсиях. Кроме того, можно регулировать их чувствительность к различным типам заряженных частиц.

Другим устройством для наблюдения треков является камера Вильсона, разработанная и построенная К. Т. Р. Вильсоном (рис. 1). Она состоит из цилиндрического резервуара С, содержащего газ, насыщенный парами воды. Камера освещается светом от сильного источника, проникающим в нее через окошко. Треки можно наблюдать или фотографировать через стеклянную крышку G. Они возникают, когда подвижный поршень Р внезапно опускается, вызывая расширение находящегося в камере газа (воздуха).Быстрое расширение приводит к падению температуры воздуха, так что он оказывается пересыщенным водяными парами. Часть пара будет конденсироваться на любой заряженной частице, находящейся поблизости, образуя жидкую капельку. Если, например, альфа-частица движется в воздухе, она будет образовывать от 20 ООО до 50 ООО пар ионов на каждом сантиметре своего пути. При внезапном расширении воздуха пересыщенный водяной пар конденсируется на этих ионах, образуется видимый трек. Длина трека, или пробег альфа-частицы в воздухе, зависит от энергии частицы.

На рис. 2. показана фотография треков альфа-частиц, испущенных радиоактивным веществом — смесью висмута-214 и полония-214. На рисунке видны две различные величины пробегов этих частиц. Треки в высокой степени прямолинейны почти до самого конца пробега. Всякое отклонение от прямолинейности указывает на столкновение альфа-частицы с каким-либо ядром в камере.

Расщепление ядер при бомбардировке их альфа-частицами

Искусственное превращение одного элемента в другой было впервые осуществлено Резерфордом в 1919 г. На рис. 3. изображена схема прибора, использованного им в эксперименте простого типа. В этом опыте камера С наполнялась газом — азотом, и альфа-частицы от радиоактивного источника А двигались в азоте и поглощались в нем. Перед отверстием в боковой стенке камеры находился экран F из серебряной фольги, достаточно толстой, чтобы поглотить альфа-частицы. Снаружи, за отверстием, Резерфорд поместил экран S из сернистого цинка и микроскоп М для наблюдения сцинтилляций, которые могли бы возникнуть на экране. Обнаружив сцинтилляции в наполненной азотом камере, Резерфорд сделал вывод, что они вызываются частицами высокой энергии, вылетающими из

ядер азота при бомбардировке их альфа-частицами. Опыты с магнитным отклонением показали, что высокоэнергетические частицы являются протонами, или ядрами водорода. Затем выяснилось, что другие легкие элементы — от бора до калия — тоже расщепляются под действием альфа-частиц.
Подобное расщепление ядер изучалось также при помощи камеры Вильсона. В этом случае камера наполнялась азотом, а источник альфа-частиц помещался в одном из концов камеры. На рис. 4. показан ряд треков альфа-частиц, возникших в камере Вильсона, наполненной азотом. Большинство треков прямолинейно, но некоторые из них после короткого пути в газе разветвляются в двух направлениях. Более длинный и тонкий трек образован протоном. Трек более короткий и толстый относится к более массивной частице, оказавшейся ядром кислорода.

Составное ядро

В 1936 г. Бор предложил теорию ядра, в которой предполагалось, что расщепление азота при бомбардировке альфа-частицами происходит в два этапа. На первом этапе альфа-частица захватывается ядром азота, в результате чего образуется составное ядро. На втором этапе происходит немедленное расщепление составного ядра на две частицы, одной из которых является быстро движущийся протон, а другой — ядро кислорода (рис. 5.). Эти два процесса можно представить следующим уравнением, аналогичным уравнениям химических реакций:

Так как общий заряд должен сохраняться, атомный номер составного ядра равен сумме атомных номеров гелия и азота. В данном случае составным ядром является ядро фтора (Z = 9) Поскольку этот изотоп фтора распадается, испуская протон, то остающаяся часть — ядро-продукт — должна быть ядром кислорода с Z = 8.

Основной принцип, согласно которому определяют, какой из изотопов элемента образуется в ядерной реакции, состоит в том, что массовое число составного ядра должно равняться сумме массовых чисел первоначальных частиц, так же как и сумме массовых чисел конечных частиц. Это не то же самое, что закон сохранения массы. Масса может уменьшиться при выделении определенного количества энергии и увеличиться в результате поглощения энергии. Действительно,

начальная и конечная массы атомов неодинаковы; разность масс исходных и конечных частиц представляет собой энергию ядерной реакции Q. Если сумма масс конечных частиц больше суммы масс исходных частиц, то реакция происходит с поглощением энергии за счет первоначальных кинетических энергий частиц и Q имеет отрицательнее значение. Но когда сумма масс конечных частиц меньше суммы масс исходных частиц, то эта разность масс реализуется в виде кинетической энергии конечных частиц и величина Q в этом случае положительна.

В вышеуказанной ядерной реакции, например, массы исходных и конечных частиц следующие:

Масса конечных частиц больше массы первоначальных частиц. Следовательно, значение Q отрицательно и равно — 0,00125 а. е. м., что эквивалентно — 1,16 Мэв. Для того чтобы могла произойти ядерная реакция, эта энергия должна быть заимствована из начальной кинетической энергии альфа-частицы.

Реакции, связанные с захватом альфа-частиц и испусканием протонов, иногда называются (а, р)-реакциями. Типичными являются следующие реакции:

Испускаемые в этих реакциях протоны обладают определенными энергиями. Это подтверждает существование определенных энергетических уровней ядер. Основное состояние ядра- продукта возникает при испускании протона с максимальной энергией. Когда испускается протон с энергией, меньше максимальной, ядро остается в возбужденном состоянии или в состоянии с более высокой энергией и может вернуться в основное состояние только путем испускания гамма-фотона. При изучении этих реакций наблюдались гамма-лучи нужной энергии.

Открытие нейтрона

Захват альфа-частицы не всегда приводит к испусканию составным ядром протона. В реакции, происходящей при бомбардировке бериллия альфа-частицами, было обнаружено испускаемое составным ядром излучение проникающего типа. Различные попытки объяснить свойства этого излучения, считая его гамма-лучами, приводили к ряду противоречий. Наконец, в 1932 г. Дж. Чедвик после многочисленных опытов высказал мысль о том, что это излучение состоит из нейтральных частиц, получивших название нейтронов. Нейтроны обладают массой, очень близкой к массе протонов. В данном случае происходит такая реакция:

где символ оn1 означает нейтрон, обладающий нулевым зарядом и массовым числом, равным единице. Этот тип реакции назы¬вается (а,.n )-реакцией.

На рис. 6. изображено устройство, применявшееся Чедвиком для доказательства существования нейтрона и демонстрации его свойств. Источником альфа-частиц является диск D, на который осажден полоний. Диск и бериллиевая мишень помещены в откачанную камеру С. Нейтроны, вылетающие из бериллия, проходят сквозь тонкую стенку камеры и попадают в ионизационную камеру I через окошко W. Ионизационная камера присоединена через усилитель к регистрирующему устройству, такому как электрический счетчик или громкоговоритель. Поскольку нейтроны не имеют заряда, они не могут произвести какую-либо ионизацию при прохождении через камеру. Но некоторые нейтроны, ударяющиеся о стенки камеры, выбивают ядра, которые затем образуют в камере ионы. Ионы регистрируются электрическим счетчиком или громкоговорителем. Если регистрирующим устройством является громкоговоритель, то каждый раз, когда ядро вызовет интенсивную ионизацию, будет слышен щелчок.

Когда нейтроны из бериллия попадают непосредственно в камеру, регистрируется только несколько отсчетов в минуту. Это число отсчетов не меняется существенным образом при помещении перед камерой тонкого свинцового экрана, но оно заметно возрастает, если между камерой С и ионизационной камерой I ввести тонкую пластину парафина. Это увеличение числа отсчетов в минуту связано с тем, что нейтроны, соударяясь с ядрами атомов водорода, содержащихся в парафине, передают большую часть своей энергии этим протонам и выбивают их из парафина. Протоны попадают в ионизационную камеру, где регистрируются по производимой ими ионизации.

Со времени открытия нейтронов для их получения использовалось много различных ядерных реакций. При помощи этих исследований была точно определена масса нейтрона. Она оказалась равной 1,00899. Благодаря тому, что нейтроны не имеют заряда, они могут легко проникать в атомные ядра. Изучение реакций, в которых образуются нейтроны, должно дать ценные сведения о ядерных реакциях и свойствах ядер.

Открытие позитрона

Другая новая частица—позитрон — была открыта в 1932 г., в том же году, когда был обнаружен нейтрон. Ученый, открывший позитрон, Карл Д. Андерсон, обнаружил его во время исследований свойств космических лучей при помощи камеры Вильсона. Космические лучи состоят из разнообразных излучений, непрерывно пересекающих атмосферу Земли. Природа и происхождение первичных космических лучей в точности неизвестны, но при изучении вторичных космических лучей на различных Глубинах атмосферы, отсчитываемых от ее верхней границы, было обнаружено несколько новых частиц и новых видов ядерных реакций.

В опыте Андерсона камера Вильсона помещалась в магнитное поле. Через определенные интервалы времени в камере производились расширения и фотографировались треки, образовавшиеся во время расширений. На одной из фотографий был обнаружен трек по внешнему виду такой же, как трек электрона, но с кривизной, противоположной той, которую имеет трек электрона с отрицательным зарядом. Чтобы с точностью установить природу частицы, Андерсон поместил в середину камеры свинцовую пластинку толщиной 6 мм и сделал новые снимки (рис. 7). Пройдя сквозь свинцовую пластинку, частица потеряла часть своей энергии. Кривизна ее пути над пластинкой оказалась больше, чем под ней, следовательно, частица должна была возникнуть в нижней части камеры. По известным направлениям магнитного поля и кривизне траектории было сделано заключение о том, что частица заряжена положительно. Эта частица получила название позитрона; измерения показали, что у нее такая же масса, как и у электрона, и такой же заряд, но противоположного знака. Для обозначения ее часто употребляется символ +ie°, иногда ее также называют β+-частицей.

Искусственная или наведенная радиоактивность

Бомбардируя ядра некоторых легких элементов альфа-частицами, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри заметили, что бомбардируемое вещество продолжает испускать излучения даже после того, как источник альфа-частиц удален. Измерения ионизации и опыты с магнитным отклонением показали, что излучения состоят из позитронов. Кроме того, было отмечено, что интенсивность излучения убывает со временем так же, как и у естественных радиоактивных веществ. В каждом случае был измерен период полураспада для позитронного излучения; это был первый опыт, когда в веществе была вызвана радиоактивность.

Одна из исследованных реакций происходила при бомбардировке бора альфа-частицами, причем испускались нейтроны. Уравнение этой реакции имеет вид:

Образующийся азот с массовым числом 13 не является стабильным изотопом. Он распадается, испуская позитрон. Этот процесс описывается уравнением:

Соответствующий период полураспада Т = 10 мин. Символ +ie° означает позитрон; его заряд равен заряду протона, а массовое число равно нулю. Атом углерода с массовым числом 13 является стабильным изотопом углерода. Отождествление радиоактивного атома с азотом было с определенностью проведено при помощи химического анализа. В каждом случае были разработаны специальные методы анализа, поскольку доступные для этой цели количества вещества ничтожно малы. Например, для осуществления реакции с бором мишень изготавливалась из нитрида бора. После облучения альфа-частицами в течение нескольких минут мишень нагревалась с каустической содой. Одним из продуктов этой химической реакции был газообразный аммиак. Было обнаружено, что он обладает радиоактивностью с периодом полураспада 10 мин; это показывало, что азот в аммиаке являлся радиоактивным элементом.

Со времени открытия искусственной радиоактивности появилась возможность возбудить радиоактивность всех элементов, создавая, по крайней мере, один радиоактивный изотоп для каждого известного элемента. Появилась также возможность получить новые элементы как для того, чтобы заполнить пустые места в периодической таблице, так и для того, чтобы расширить число элементов за пределы ста номеров. Эти достижения стали возможны благодаря двум совершенно различным устройствам: ускорителям частиц и ядерным реакторам.

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