Главная страница
qrcode

Гладков К.А. Атом от А до Я (1974)_распознан. Заслуженный работник культуры рсфср кирилл Александрович гладков (1903 1973 гг.) известен советскому к зарубежному читателю как замечательный популяризатор науки и техники. Им написано более десяти книг


Скачать 78.95 Mb.
НазваниеЗаслуженный работник культуры рсфср кирилл Александрович гладков (1903 1973 гг.) известен советскому к зарубежному читателю как замечательный популяризатор науки и техники. Им написано более десяти книг
Дата10.09.2019
Размер78.95 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаГладков К.А. Атом от А до Я (1974)_распознан.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипКнига
#64819
страница4 из 16
Каталог
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

БЕТА-РАСПАД
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНЫХ
ИЗЛУЧЕНИЙ
БОРА АТОМ
БЕТА-РАСПАД. Если рассмотреть превращения ядер атомов одних радиоактивных элементов в другие (см. Радиоактивность и Радиоактивные семейства то видно, что большинство их сопровождается испусканием или электронов (бета-частиц), или аль­
фа-частиц. Испускание альфа-частиц кажется более или менее понятным. Это осколки, отторгающиеся от распадающегося ядра атома. Но вот откуда берутся в ядре атома электроны Ведь оно состоит только из протонов и нейтронов
Возможно единственное предположение электроны рождаются в ядре в результате каких-то внутренних превращений. Это и удалось установить на примере распада ядра атома трития (сверхтяжелого водорода, состоящего из одного протона и двух нейтронов. Вместо него получается ядро изотопа гелия, состоящее из двух протонов и одного нейтрона, и свободный электрон. Куда-то исчез один нейтронно зато вместо него появились протон и электрон. Получается, что рождение и испускание электрона досталось ценой превращения одного из нейтронов в протон.
Известны и другие ядерные реакции, когда вместо электрона ядро атома испускает позитрон — точно такую же частицу, как электронно нес отрицательным, ас положительным электрическим заря­
дом.
Например, радиоактивный изотоп азот, состоящий из семи протонов и шести нейтронов, после распада превращается в ядро атома углерода, у которого уже шесть протонов и семь нейтронов, и испускает при этом один позитрон.
Ответ на естественный вопрос ученых был получен, когда удалось установить, что протоны и нейтроны в процессе радиоактивного распада возбужденных ядер атомов могут превращаться друг в друга, а оказавшийся лишним положительный или отрицательный заряд уносится или электроном или позитроном. В случае электронной радиоактивности, когда один из нейтронов превращается в протона отрицательный заряд уносится электроном, общий положительный заряд ядра атома увеличивается на единицу. А это будет уже ядро изотопа атома нового, более тяжелого элемента периодической таблицы, например, гелия, а не трития. При позитронной радиоактивности, когда протон превра47
1цается в нейтрона положительный электрический заряд уносится позитроном, общий положительный заряд ядра атома уменьшается на единицу, в результате чего появляется ядро атома изотопа нового, более легкого элемента, например,углерода-13, а не азота-13.
После того как все сказанное удачно разложилось по полочкам, возникла новая загадка. Стал не сходиться баланс энергий. При каждом таком переходе ядро теряет определенную энергию, атак как испускаемый им электрон или позитрон обладает самыми различными энергиями, часть энергии и вовсе куда-то пропадает. Некоторые ученые, стоящие на идеалистических позициях, объявили было о крушении закона сохранения энергии. Вскоре было доказано, что одновременно с электроном или позитроном ядро испускает еще одну частичку, не имеющую никакого электрического заряда, обладающую ничтожно малой массой, но летящую с огромной скоростью, равной скорости света. Новую частицу назвали нейтрино (маленький нейтрон.
Она-то и уносит недостающую для точного баланса малую толику энергии.
Таким образом, превращение внутри ядра нейтрона в протон сопровождается испусканием электрона и нейтрино, а превращение протона в нейтрон — испусканием позитрона и нейтрино.
Довольно логическая и понятная картина таких превращений несколько усложнилась после того, как было установлено, что в природе фактически существует не одна, а две разновидности почти идентичных нейтрино. Одно рождается при реакциях, сопровождающихся испусканием ядром атома или какой-либо иной частицей электрона, другое — при распаде элементарной частицы — мю-мезона. Поэтому первое из них называют нейтрино электронное, второе — нейтрино мюонное (мю-мезонное) (см. Нейтрино, Мезоны).
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. Как и любые другие вещества, атомы и молекулы живых клеток под действием рентгеновского и гамма-излучений, атак же потоков заряженных частиц ионизируются, в результате чего в них происходят физико-химиче­
ские изменения, влияющие на характер их последующей жизнедеятельности, в частности на наследственные особенности организма (см. Ионизация).
Согласно одним взглядам, ионизация атомов и молекул, возникающая под влиянием облучения, ведет к разрыву химических связей в сложных белковых молекулах, чрезвычайно чувствительных ко всяким внешним воздействиям. По другим теориям, первичные реакции происходят вводе, из которой в основном состоят ткани организма. Вода при этом разлагается на водород и свободный радикал ОН, которые присоединяются к молекулам белка, вызывая изменения в их химической структуре. Изменения нормальных химических процессов в тканях нарушают обмен веществ, что в ряде случаев приводит к обратному развитию (дегенерации) клеток организма.
Многие ученые считают, что все изменения в живых клетках определяются рефлекторным механизмом, так как на ионизирующие излучения реагирует в первую очередь нервная система. Изменения же в тканях и органах следует рассматривать лишь как вторичные. Интенсивное воздействие излучений наживой организм может вызвать лучевую бо­
лезнь.
БОРА АТОМ. После открытия Э. Резерфордом существования ядра атома, ученых больше всего смущало одно труднообъяснимое обстоятельство
йо законам классической физики (электродинамики) отрицательно заряженные электроны, вращаясь вокруг положительно заряженного ядра, должны были непрерывно терять (излучать) свою энергию ив конце концов упасть на него. Однако этого почему- тоне случалось. Вращаясь вокруг ядра, электроны никакой энергии не теряли и не излучали, и всеобщей гибели Вселенной не состоялось. Естественно, напрашивался вывод либо неверны законы классической физики, либо движение атомных частиц подчиняется каким-то иным законам.
Выход из создавшегося положения был подсказан в 1913 г. известным датским физиком Нильсом Бором, предложившим модель атома, известную как атом Бора — Резерфорда. В основу этой модели были заложены три допущения 1) электроны движутся вокруг ядра атома под действием сил притяжения, реально существующих и имеющих определенную величину 2) атом водорода при его возбуждении испускает видимый свет не сплошным спектром, а только определенной, строго фиксированной частоты (длины волны) и, наконец, 3) фотон света сданной частотой имеет строго определенную величину энергии.
В силу первого обстоятельства электрон, вполне естественно, стремится притянуться и упасть на ядро. В тоже время он обладает некоторой потенциальной энергией, зависящей от расстояния, на котором этот электрон находится от ядра. На разных расстояниях его потенциальная энергия, естественно, различна. Чем дальше от ядра, тем она больше. Приближаясь к ядру, электрон столь же естественно должен терять и часть своей потенциальной энергии. Короче говоря, каждому радиусу вращения электрона вокруг ядра соответствует и определенный энергетический уровень. Поскольку же возбуж50
ценный атом испускает свет лишь определенной частоты, а тем самыми определенной энергии фотонов, Бор пришел к заключению, что у электрона при вращении вокруг ядра атома могут быть лишь определенные, строго фиксированные энергетические уровни, а следовательно, и орбиты. Пока электрон находится на такой орбите, он не испускает никакого света, а следовательно, и не теряет никакой энергии».
Испускает же он свет только тогда, когда перескакивает с орбиты с более высоким уровнем энергии на орбиту с более низким уровнем энергии. Обычно электрон пребывает на орбите с наименьшим значением энергии. Это его основное состояние. Но атом можно возбудить в такой степени, что он, поглотив извне двойную или большую кратную дозу квантов энергии, может перевести электрон сразу на одну из более удаленных от ядра орбит, возвращаясь откуда в основное состояние, электрон может излучить квант света двойной или большей, но обязательно кратной энергии (частоты. Отсюда следует, что электрон в атоме водорода не может располагаться где угодно — на любом энергетическом уровне, а только настрого определенных орбитах.
Модель Бора прекрасно согласовывалась сданными экспериментов, но лишь для атома водорода. Для других атомов все оказывалось значительно сложнее. Кроме того, она не отвечала на главный вопрос почему все же электрон рано или поздно не падает на ядро?
Ответ на последний вопрос попытался дать французский физик Луи де Бройль. Он предложил рассматривать быстро движущуюся частицу (электрон) одновременно и как частицу, и как волну. Связь между свойствами волны и частицы, по его гипотезе, выражается соотношением X = h/mv, где т —

51
масса частицы v — ее скорость % — длина волны
h — постоянная Планка. Из этого соотношения следует, что чем больше момент количества движения произведение массы частицы на ее скорость, тем короче длина волны. Когда электрон движется подобно волне света и вереница таких волн укладывается целое число раз по-длине окружности орбиты электрона, они усиливают друг друга, те. возникают устойчивые колебания, или так называемые стоячие волны. Приходя же в каждую точку орбиты не в такт, они взаимно гасятся. Эти особые окружности, длина которых кратна длине волны электрона, только и могут быть орбитами элект­
рона.
В последующем модель атома Бора претерпела ряд серьезных, более сложных и тонких изменений в работах таких выдающихся физиков, как Зоммер- фельд, Гейзенберг, Борн, Шредингер, Паули, Дирак и др.
БАРИОН—общее название элементарных частиц, входящих в группу самых тяжелых элементарных частиц, которую образуют нуклоны (протон и нейтрон) и гипероны. Всего барионов 16: нейтрон, протон, ламбда-частица, три сигма-части­
цы, две кси-частицы и соответствующие им античастицы. Основное свойство барионов состоит в том, что они ни при каких реакциях, кроме аннигиляции, не могут превращаться в легкие частицы (см. Элементарные частицы, Ги

пероны).
БЕРИ ЛЛИ Й химический элемент № 4 группы II Периодической системы. Стабильный изотоп с атомной массой 9,013. Искусственный радиоактивный изотоп бериллия (бериллий) с периодом полураспада, равным 53 дням, получаемый путем облучения изотопов лития и лития. Бериллий используется как источник нейтронов, а также в качестве замедлителя быстрых нейтронов и отражателя медленных (тепловых) нейтронов в ядерных реакторах.
БЕТАТРОН — циклический ускоритель электронов. Бетатрон состоит из кольцеобразной вакуумной камеры, по форме напоминающей большую баранку, которая помещается
между полюсами электромагнита, создающего переменное магнитное поле. Внутри камеры расположен источник элект­
ронов.
Движутся электроны в бетатроне по круговой орбите. При изменениях магнитного потока, пронизывающего камеру, возникает вихревое электрическое поле, увлекающее за собой поток электронов. Одновременно магнитное поле создает силу, направленную перпендикулярно движению электронов (к центру круга. Эта сила и удерживает электроны на круговой орбите. Бетатроны позволяют ускорять поток электронов до энергий от нескольких миллионов до
100 — 200 Мэе.
Небольшие бетатроны на энергии в несколько миллионов электронвольт широко используют в технике ив ме­
дицине.
БЕТА ЧАСТИЦЫ так назван один из трех видов излучений, испускаемых ядрами радиоактивных веществ при их распаде представляют собой обычные электроны (см. Атом электричества — электрон).
БИ О ЛОГИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА система экранов или защитных оболочек, ослабляющих интенсивность радиоактивных излучений до уровня, безопасного для организма человека. Эти экраны устанавливают между источником излучения и зоной, где могут находиться люди.
Выбор материала для экрана зависит от вида, интенсивности и проникающей способности излучения, а также от конструктивных особенностей и стоимости устройства. Экраны могут быть однослойными или многослойными. При этом большое значение имеет порядок расположения слоев. Например, для защиты от гамма-излучения требуются материалы из элементов с большим массовым числом. Обычно это экран в виде многометровой бетонной стены или оболочки. Для защиты от альфа- и бета-частиц служат тонкие однослойные экраны, изготовленные из легких металлов или пласт­
масс.
Самой сложной является защита от нейтронов. Поглотив нейтрон, атомы большинства веществ приходят в возбужденное состояние, а затем распадаются, испуская при этом другие частицы и проникающие гамма-кванты. Поэтому экраны, предназначенные для защиты от нейтронов, приходится делать комбинированными первый слой — из легких элементов (вода, графит и т. и, хорошо замедляющих нейтроны, второй слой — из тяжелых элементов (железо, свинец и особенно бетон, ослабляющих вторичные гамма-кван­
ты, образовавшиеся в результате захвата веществом первого
слоя замедлившихся нейтронов. Большую роль при этом играют технические и экономические соображения. В стационарных (неподвижных) реакторах, где веси объем защиты резко не ограничены, можно использовать самые дешевые материалы — обычную воду, бетонит. п. В энергетических реакторах транспортного применения, например в реакторах для морских судов, где снижение веса и объема биологической защиты имеет решающее значение, приходится применять более эффективные и дорогие материалы свинец, карбид бора, бораль, гидриды некоторых металлов, специальную сталь.
Помимо собственно реактора биологическую защиту возводят и вокруг всей системы отвода тепла из него, включая трубопроводы, насосы и теплообменника также все устройства и помещения, в которых автоматически извлекают отработанные стержни, транспортируют их, хранят и т. д.
Защищают также отверстия каналов, по которым вводят в реактор подлежащие облучению вещества, и каналов для вывода из активной зоны пучков нейтронов разных энер­
гий.
В тех случаях, когда вещество теплоносителя является и рабочим телом для приведения в действие паровых турбин например, в кипящем реакторе, биологической защитой приходится ограждать турбину и все паропроводы, по которым циркулирует перегретый и отработанный пар, включая холодильники.
БОР — химический элемент с атомным номером 5 группы
III Периодической таблицы Д. И. Менделеева. Атомная масса
10,89. Состоит из двух природных изотопов бор (19%) и бор (81 %). Обладает способностью сильно поглощать нейтроны, вследствие чего используется для изготовления управляющих стержней ядерных реакторов. Бори его соединения также используются в качестве материалов для защиты от нейтронного излучения, так как захват нейтронов не сопровождается (в отличие от кадмия) сильным проникающим гамма-излучением. Слабое альфа-излучение (2,8
Мэв)
и мягкое гамма-излучение (0,5
Мэв)
легко поглощаются сравнительно тонкослойными материалами.
БРИ ДЕРН Ы Й РЕАКТОР (см. Реакторы, Размножитель ный (бридерный) реактор).
БЫ СТРЫ Е НЕЙТРОНЫ — нейтроны, энергия которых превышает 1
Мэв.
Такая энергия соответствует движению частиц при температуре в несколько миллиардов градусов в отличие от энергии медленных (тепловых) нейтронов (0,03
эв), соответствующей комнатной температуре (20° С
ВАКУУМ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ (ЭЛЕМЕНТАРНЫХ) ЧАСТИЦ
ВОДОРОД
«ВОЗБУЖДЕННОЕ» СОСТОЯНИЕ ЯДРА АТОМА
ВСТРЕЧНЫЕ ПУЧКИ (УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ)
ВАКУУМ. Окружающий нас физический мир, в том числе беспредельное количество атомов, атомных частиц и фотонов излучений, взятые все вместе, занимают не так уж много места в пространстве. Их разделяет некая физическая среда, называемая в повседневной жизни пустотой. Сейчас она получила более правильное название — вакуум Существует два понятия вакуума — чисто техническое и философское. В прикладной физике и технике вакуумом называют разреженный газ, давление которого таково, что средний пробег его хаотически движущихся частиц (до столкновения с другими частицами или стенками сосуда) больше размеров сосуда, в который заключен газ. Обычно этому соответствует давление газа порядка 10“*—
10"
7
мм рт. ст Тем не менее даже при таких давлениях водном кубическом сантиметре газа содержится около 3-10 10
—3-10* атомов (или молекул. Для исследований, связанных с ядерной физикой, требуется значительно более глубокий вакуум — порядка 10


10
—10
14
мм рт. ст Но ив этом случав водном кубическом сантиметре все еще содержится около е частиц. Наиболее же высокий вакуум в природе существует в межзвездном пространстве. Там на 1 см может приходиться всего 1—3 частицы те. вакуум, в миллион и более раз лучший, чем когда-либо полученный человеком с помощью самых совершеннейших откачивающих устройств.
Если рассматривать пустоту — вакуум — с философской точки зрения, то нельзя не признать, что
то, что мы считаем вакуумом — это физическая реальность, особый вид материи, существующий объективно, независимо от нашего сознания, и способный оказывать при определенных условиях физическое воздействие как на человека, таки на создаваемые им приборы и устройства. Другими словами, вакуум рассматривается не как абсолютная пустота, а как некий вполне материальный фон, на котором разыгрываются самые сложнейшие и тончайшие физические процессы и явления.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ (ЭЛЕМЕНТАРНЫХ) ЧАСТИЦ. Свойства элементарных частиц проявляются в процессе их взаимодействия. Если не считать сил тяготения, которые играют существенную роль только в присутствии очень больших масс, известны три вида взаимодействия элементарных частиц электромагнитное, сильное и слабое.
Несмотря на великое многообразие электромагнитных явлений все они определяются взаимодействием электрических зарядов. Сюда относятся и все явления, связанные с излучением и поглощением электромагнитных волн. Главным действующим лицом ответственным за самую возможность таких взаимодействий — посредником, которым непрерывно как бы обмениваются между собой заряженные частицы, является фотон — квант энергии электромагнитного излучения. Этот вид взаимодействия примерно враз слабее сильных взаимодействий ядер и элементарных частиц.
Понятие сильное взаимодействие появилось после того, как раскрылась тайна внутренней структуры ядра атома, состоящего из заряженных протонов и не несущих никакого заряда нейтронов. Именно сильные взаимодействия соединяют и с огромной силой удерживают нуклоны в ядре атома. Эти силы в отличие от электромагнитных характеризуются очень малым радиусом действия. Они резко обрываются на расстоянии около двух диаметров ядра атома. В основе ядерных сил лежит процесс испускания и поглощения пи-мезо­
нов, которыми непрерывно обмениваются взаимодействующие между собой нуклоны ядра — протоны и нейтроны. Помимо этого, сильные взаимодействия проявляются при столкновениях частиц, обладающих высокой энергией, в процессе которых за счет части энергии этих частиц рождаются мезоны, гипероны и многие другие элементарные частицы.
Однако существуют еще и соударения элементарных частиц, обусловленные слабым взаимодействием. Они зачастую остаются незаметными в океане сильных и даже электромагнитных взаимодействий. Речь идет о многочисленных самопроизвольных распадах — тихих превращениях различных элементарных частиц, которые в принципе ничего общего между собой могли не иметь, например, бета-распад нуклонов (протона или нейтрона, распад мю- и пи-мезонов, захват мю-мезона нуклоном и распады и превращения других частиц.
Процессы, вызванные слабыми взаимодействиями, часто называют медленными, так каких время относительно велико, хотя в ряде случаев оно может длиться всего миллионные доли секунды. За это время, например, распадается мю-мезон. В мире элементарных частиц такой промежуток времени действительно весьма продолжителен, поскольку для сильных взаимодействий характерны процессы, длящиеся 1 0 '
23
сек Это взаимодействие в десятки миллионов раз слабее сильного ив миллиарды раз слабее электромагнитного, хотя соответственно намного сильнее гравитационного взаимодействия.
Носителем слабых взаимодействий является пока еще остающаяся очень загадочной нейтральная частица — нейтрино, не несущая никакого заряда и к тому жене имеющая массы покоя. Она может существовать только в движении со скоростью, очень близкой к скорости света, наподобие фотона, несущего квант электромагнитной энергии. Самое удивительное в этой частице — ее поистине потрясающая проникающая способность. Она может беспрепятственно пролететь, не вступая нив какие взаимодействия с частицами вещества, сквозь чугунную плиту толщиной, в несколько миллиардов раз превышающей расстояние от Земли до Солнца!
Потребовалось около 25 лет, чтобы доказать существование этой частицы. Собственно говоря, ученые зарегистрировали не само нейтрино, а противоположную ему частицу — антинейтрино, точнее, след его взаимодействия с другими частицами. Трудно представить себе, чем отличается эта нейтральная частица от своего нейтрального же двойника, поскольку обе они не несут никаких электрических зарядов и имеют одинаковые массы. Однако это все же разные частицы. Одно нейтрино — электронное, другое — мюонное
(мю-мезонное). Электронное нейтрино участвует во всех взаимодействиях, в которых рождается или исчезает электрона мюонное — только в паре с мю-мезоном.
Самое важное при всех взаимодействиях частиц заключается в том, что масса и энергия никогда не создаются и не исчезают. Общее количество массы и энергии, которое вступает в реакцию, равно общему количеству массы и энергии, которое остается после реакции (см. Нейтрино).
ВОДОРОД — самый легкий, простейший и самый распространенный из всех химических элементов в природе, составляющий около 93% всего вещества Вселенной по объему и 76% повесу. И только 3% приходится на долю гелия и немногим больше 1% —
58
на все остальные элементы углерод, железо, свинец, уран и другие.
Атом водорода состоит всего из двух элементарных частиц положительно заряженного протона и вращающегося вокруг него отрицательно заряженного электрона.
Водород при нормальных условиях — газ. Как и у большинства других газов, его молекула состоит из двух атомов. Электронная связь, с помощью которой они соединены в молекулу, — одна из самых прочных и важнейших связей в природе. Чтобы перевести водород в атомарное состояние, те. разорвать его молекулу на два отдельных атома, необходимо затратить определенное (и довольно значительное) количество энергии.
Практически известны два устойчивых изотопа водорода легкий водород (Н, называемый протием и составляющий 99,98% этого элемента, и тяжелый водород (Н) — дейтерий, количество которого не превышает 0,015%. Массы этих изотопов соответственно равны 1,008 и 2,015 а.е.м.
В результате непрерывной бомбардировки космическими частицами в атмосфере Земли обнаруживаются
ничтожно малые количества радиоактивного изотопа водорода, испускающего только бета-частицы,— трития (Й, период полураспада которого равен
12,3 года. В сколько-нибудь ощутимых количествах этот изотоп можно получить только искусственным путем — в ускорителях, бомбардируя потоком тяжелых частиц (протонами и дейтронами) дейтерий и бериллий, или же в ядерных реакторах, облучая потоком нейтронов ядра атомов лития. Поглотив нейтрон, литий распадается на два осколка ядро атома гелия (альфа-частицу) и ядро атома трития.
Из всех газов водород обладает наибольшей теплопроводностью, в силу чего он нашел широное применение в технике и производстве, а успехи физики низких температур позволили использовать сжиженный водород в самых разнообразных областях научных исследований.
«ВОЗБУЖДЕННОЕ» СОСТОЯНИЕ ЯДРА АТОМА. Так называют состояние, в которое приходит ядро атома, поглотившее извне какое-то количество излишней для него энергии, при столкновении с какой-либо другой частицей или при ее захвате. Обычно этот избыток энергии тотчас же испускается в виде гамма-квантов.
ВСТРЕЧНЫЕ ПУЧКИ УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ) — новое и весьма перспективное направление в области создания ускорителей частиц сверхвысоких энергий — порядка сотен и тысяч миллиардов электронвольт.
Со времен Резерфорда одним из главных направлений физических исследований было изучение структуры и тончайших деталей строения вещества методом рассеяния быстрых частиц на ядрах исследуемых атомов и составляющих его частиц. Чем меньше размеры изучаемых частиц, тем больше должна быть энергия бомбардирующих частиц. Отсюда постоянное стремление к увеличению мощности ускорителей, достигших к настоящему времени буквально циклопических размеров. Физика элементарных частиц превратилась в физику высоких энергий.
Столкновения элементарных частиц при высокой энергии и скорости движения, близкой к скорости света, являются основой изучения их взаимодействий друг с другом, гибели одних и рождения других частиц, взаимопревращения одних в другие. Энергия, которую необходимо сообщить частицам, чтобы произошли реакции, предсказанные экспериментом и теорией, растет непропорционально росту энергии современных ускорителей, а в десятки раз больших пропорциях. Происходит это потому, что когда скорость налетающей частицы приближается к скорости света, основная часть ее энергии при столкновении с покоящейся частицей бесполезно переходит в энергию последующего движения всей системы сталкивающихся частиц как целого, и только малая доля идет на реакцию между частицами. Например, если разогнанная даже до энергии
1000 млрд, эв частица столкнется с покоящейся частицей, тона долю реакции между ними придется энергия, равная всего лишь 50 млрд, эв, те. всего лишь 5% первоначальной энергии. Отсюда возникла
идея разгонять исследуемые частицы навстречу друг другу стем, чтобы их соударения осуществлялись лоб в лоб, те. методом встречных пучков, когда, по существу, мишень движется навстречу потоку бомбардирующих ее частиц. Тогда энергия реакции между ними составит не небольшую долю энергии, затраченной на разгон только одной частицы, а будет равна их суммарной энергии. Так, при лобовом столкновении двух пучков частиц, ускоренных до энергии, допустим, 130 млн. эв, можно получить (в результате превращения части массы сталкивающихся частиц в энергию) частицы с энергией взаимодействия, равной даже не 260 млн. эва уже
70 млрд, эв, на что при обычных методах потребовалась бы энергия такого гиганта, как Серпуховский ускоритель. А эти частицы были получены на ускорителе диаметром всего около 43 см!
Однако для того, чтобы реакции происходили достаточно часто, в каждом таком пучке должно быть очень и очень много частиц — в миллионы и миллиарды раз больше, чем их способен дать самый мощный ускоритель. В микромире расстояния между мчащимися в самом плотном потоке частицами оказываются, если принять соответствующие масштабы, не меньше, чем между звездами в нашей Галактике. Поэтому, чтобы повысить вероятность столкновений, одни и те же частицы заставляют встречаться друг с другом миллиарды раз. Это осуществляется или непосредственно в вакуумной камере (дорожке) кольцевого ускорителя, или в устройстве, называемом накопительным кольцом Еще больший интерес вызвали эксперименты на установках со встречными пучками электронов и позитронов. Сконструированная в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР установка ВЭПП-2 позволяет получать встречные элект- рон-позитронные пучки с энергией 2 x 6 7 0 млн. эв. Пущенная в работу в 1972 г. первая очередь установки ВЭПП-3 позволила поднять уровень энергии встречных пучков до 2 x 3 ,5 млрд. эв.
Здесь же были созданы установки для встречных протон-протонных пучков и, наконец, ведутся работы по освоению установки ВЭПП-4 с протонантипротонными пучками на энергию около
2 x 2 5 млрд. эв. Несомненно, метод встречных пучков в ближайшие годы станет одним из главных методов физики элементарных частиц.
ВАН-ДЕ-ГРААФА ГЕНЕРАТОР. В самых ранних конструкциях ускорителей заряженных частиц в качестве источника высокого напряжения использовались генераторы Ван- де-Граафа, которые и поныне, вследствие простоты конструкции и сравнительно высокого генерируемого напряжения, продолжают использовать в лабораторной практике для высоковольтных и ядерных исследований.
Практический предел напряжения, создаваемого таким генератором, — 15 млн. в а при последовательном соединении двух генераторов — до 25 — 30 млн. в Однако получаемый от такого генератора электрический ток под нагрузкой обычно не превышает 1
ма
(1/1000 а).
ВЗАИМОСВЯЗЬ МАССЫ И ЭНЕРГИИ
(см.Эквивалент­
ность массы и энергии).
ВОДОРОДНАЯ БОМБА (головка, снаряд) — разновидность атомного оружия колоссальной разрушительной силы
Созданная на основе использования реакции синтеза ядер атомов легких элементов в ядра более тяжелых элементов см. Термоядерная реакция при которой выделяется огромное количество энергии. Наиболее эффективным считается использование в водородной бомбе смеси дейтерия (тяжелого водорода) и трития (сверхтяжелого водорода. При слиянии одного ядра атома дейтерия (дейтрона) с ядром атома трития (тритона) образуется ядро атома гелия и выделяется энергия, равная 17,6 Мэе — примерно в семь раз больше энергии, получаемой при делении ядер атомов урана или плутония. Температуру в несколько десятков миллионов градусов и высокое давление, необходимые для возникновения термоядерной реакции, создают путем взрыва внутри оболочки водородной бомбы достаточно мощной атомной бомбы.
ГЕЛИЙ — химический элемент с порядковым номером 2 и атомной массой 4,004. Инертный газ. Природный гелий состоит из двух устойчивых изотопов гелия и незначительной примеси гелия. Изотоп гелий накапливается в природе главным образом в результате распада урана, тория и других радиоактивных элементов, в процессе которого испускаются альфа-частицы ядра атомов гелия, лишенные всех своих электронов).
Искусственным путем удалось получить радиоактивные изотопы гелий с периодом полураспада менее 10"
2
секи гелий с периодом полураспада
0,8 сек.
Атом гелия состоит из ядра и двух электронов. Ядро атома гелия, содержащее два протона и два нейтрона, — сравнительно устойчивое ядерное образование энергия связи всех его частиц равна
28,2 Мэв.
ГАММА-ЛУЧИ
(ГАММА-КВАНТЫ) - один из видов излучений, испускаемых ядрами атомов природных, а также искусственных радиоактивных элементов, представляющий собой электромагнитное излучение с чрезвычайно короткой длиной волны Аи короче) и вследствие этого обладающий исключительно большой проникающей способностью. Гам­
ма-излучение возникает также при торможении заряженных частиц (см. Тормозное излучение при аннигиляции пар античастиц электрон — позитрон, протон — антипротон и др, при самопроизвольном и искусственном расщеплении ядер атомов урана и плутония и при некоторых других ядерных реакциях.
Так как волновые свойства — дифракция и интерференция — у гамма-излучения (с длиной волны менее А) выражены очень слабо, его принято рассматривать как линейный поток частиц — гамма квантов. Однако энергия гамма-квантов растет с частотой колебаний, что свидетельствует об их истинной электромагнитной природе. Чем выше частота, тем большую энергию несет в себе гамма- квант.
Благодаря большой энергии - до 5 Мэв у природных радиоактивных веществ и до 20 Мэв при искусственных ядерных реакциях — гамма-излучение не только легко ионизирует различные вещества, но способно также вызывать некоторые ядерные реакции ив частности, порождать электрон-позит- ронные пары и образовывать некоторые элементарные частицы. Именно из-за опасности, которую представляет гамма-излучение для людей и живых организмов, приходится окружать бетонными стенами — биологической защитой — ядерные реакторы, хранить в контейнерах с толстыми свинцовыми стенками естественные и искусственные радиоактивные вещества, создавать другие сложные и дорогостоящие защитные устройства.
Гамма-излучение от естественных радиоактивных источников и возникающее при искусственных ядерных реакциях нашло широкое применение в науке и технике. Сего помощью уничтожают раковые опухоли, в лабораториях и на заводах просвечивают огромные слитки металла (толщиной до 250 мм и готовые изделия для обнаружения скрытых дефектов, консервируют и стерилизуют пищевые продукты и лекарства, ведут научные исследования во многих областях современной науки.
ГИПЕРОНЫ. В последние годы сначала в космическом излучении, а затем и на ускорителях частиц были обнаружены частицы, масса которых оказалась больше массы нуклона (протона или нейтрона. Эти крайне неустойчивые, быстро распадающиеся частицы были названы сверхпротонами или гиперонами. Они могут быть и заряженными, и нейтральными.
В группу гиперонов входят 12 частиц ламбда- частица, три сигма-частицы, две кси-частицы и соответственно все античастицы названных частиц см. Элементарные частицы Относительно изученным оказался нейтральный гиперон (ламбда-части­
ца). Его масса равна 2182 массам электрона, те. примерно на 340 электронных масс тяжелее протона. Появившись, он живет не больше 3-10“
10
секи распадается на протон и отрицательно заряженный пи-мезон или нейтрон и нейтральный пи-мезон.
ТИПЕ РЯД РА. Каждый атом состоит из ядра и окружающих его электронов. В свою очередь ядро тоже имеет сложную структуру и составлено из частиц, называемых нуклонами — положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов (см Нуклоны Атомный номер элемента всегда равен числу протонов в ядрено число входящих в состав данного ядра нейтронов неопределенно. Элемент, как правило, может иметь несколько разновидностей атомов, отличающихся друг от друга числом нейтронов в ядре. Это так называемые изотопы. Соотношение протонов и нейтронов в ядре атома в значительной степени влияет на устойчивость ядра. Установлено, что наиболее прочной структурой обладают ядра, содержащие 2, 8, 20,
50, 82, 126 протонов или нейтронов.
Нейтроны относятся к группе элементарных частиц, называемых барионами. Остальные барионы, называемые гиперонами, более тяжелые и сами по себе очень неустойчивы, те. быстро распадаются. Самый легкий после нуклона — барион, называемый лам б дача ст и ц ей. Также как и нейтрон, она электрически нейтральна. Время ее жизни около 10
10
сек.
Из теоретических рассуждений вытекает, что в некоторых случаях один из нейтронов в ядре атома может быть заменен гипероном — ламбда-частицей. Такое ядро впервые было обнаружено в космическом излучении в
1952 г. польскими учеными М. Дандышем и Е. Пневским и названо ими г и пе рЯ др о.
Самым простым гиперядром является гипертри- тий, состоящий из 1 протона, 1 нейтрона и 1 ламбда- частицы. Позже был получен изотоп гипертрития с протоном, 2 нейтронами и 1 ламбда-частицей в ядре, а затем гипергелий, состоящий из 2 протонов нейтронов и 1 ламбда-частицы, а позже — разновидность гипергелия, в ядре которого, как ив ядре обычного гелия, имеется 2 протона, но всего 1 нейтрон и 1 ламбда-частица.
3*
67
Открытие гиперядер привело к созданию нового раздела физики, которым занимаются ученые враз ных странах. В настоящее время получены путем бомбардировки ядер пи-мезонами и Я-частицами гиперядра многих других элементов, например лития, бериллия, бора, углерода и еще более тяжелых элементов.
Из-за неустойчивости самого гиперона все гипер­
ядра тоже крайне неустойчивы — они живут около одной десятимиллиардной доли секунды.
В 1963 г. М. Дандыш и Е. Пневский открыли первый случай двойного гиперядра (ядро, содержащее кроме нуклонов 2 гиперона) — ядро бериллия, содержащее 4 протона, 4 нейтрона и 2 ламбда-час­
тицы, а американский физик Д. Пройс — гиперге- лий-6, состоящий из
2 протонов, 2 нейтронов и
2 ламбда-частиц.
Получение гиперядер позволяет судить о характере взаимодействия между гиперонами и нуклонами, способствуя развитию физики элементарных частиц, и расширяет область сведений по физике обыкновенных ядер атомов и составляющих его частиц.
ГАМ М А-ДЕФ ЕКТОСКОП И Я — метод обнаружения дефектов в слитках металлов, отливках, сварных швах и любых иных изделиях путем просвечивания их рентгеновскими лучами больших энергий и гамма-излучением, испускаемым природными и искусственными радиоактивными веществами. В настоящее время такой контроль широко применяют в самых различных отраслях промышленности и строительства. Для этой цели источник гамма-излучений устанавливают на определенном расстоянии по одну сторону контролируемого изделия, а детектор, регистрирующий излучения (чаще всего фотоэмульсия, — с другой стороны. В зависимости от толщины, состава и плотности соответствующего участка интенсивность излучения, прошедшего через изделие, будет различной, что и зафиксируется на фотографии вместе со всеми возможными дефектами (раковины, трещины, поры, непроваренные швы, неправильная сборка, посторонние предметы, обрывы и т. п. Выбор радиоактивного изотопа в основном определяется толщиной просвечиваемого изделия и плотностью материала, а также чувствительностью детектора излучений, особенностями работы и другими условиями.
Применение для целей дефектоскопии гамма-излучения требует строжайшего соблюдения правил обращения с радиоактивными веществами, их хранения и правил техники безопасности как самими работающими сними, таки всеми окружающими лицами.
ГЕЙГЕРА — МЮЛЛЕРА СЧЕТЧИК. Мир атома и атомных явлений из-за своей малости совершенно недоступен непосредственному восприятию органами чувств человека. Но физикам нужно отличать одну частицу от другой, измерять е энергию, скорость и направление их движения, подсчитывать I точное количество частиц. Учитывая ограниченные возможности ионизационной камеры, немецкий физик Г. Гейгер предложил конструкцию счетчика заряженных частиц, позднее усовершенствованную им совместно с другим физиком — В. Мюллером.
Устройство счетчика чрезвычайно просто. Это заполненная каким-либо разреженным газом (до 100 — 200 мм рт. ст стеклянная трубка, по оси которой протянута тонкая металлическая нить. Между нитью и металлизированной внутренней поверхностью трубки приложено высокое электрическое напряжение — порядка 500—1000 в и выше. Обычно нить служит положительным электродом. Пролетая через трубку, заряженная частица ионизирует атомы заключенного в ней газа. Выбитые из атомов газа электроны, попав в сильное электрическое поле, существующее между нитью и стенками трубки, разгоняются в нем до очень большой скорости и на своем пути сами начинают разбивать на ионы атомы газа
Электроны второго поколения тоже ускоряются и ионизируют новые атомы и т. д. В результате образуется уже целая лавина электронов, импульс (или ток) которой зависит от энергии и скорости первоначально пролетевшей через трубку частицы. Этот импульс можно измерить, а если он слишком слаб, то предварительно его следует усилить. Чувствительность такого прибора может быхь сколь угодно велика. При необходимости он может обнаружить появление даже одиночной заряженной частицы.
Однако одной только хорошей чувствительности прибора для исследовательских целей недостаточно. Поэтому к усилителю счетчика Гейгера — Мюллера обычно подключают еще и довольно сложное устройство — счетчик частиц, вернее, создаваемых ими электрических импульсов, который автоматически сортирует их по энергиям, зарядам, скоростям, направлениям, а затем молниеносно подсчитывает. Приборы этого типа позволяют обнаруживать и измерять рентгеновское и гамма-излучения, хотя они, как известно, являются не потоком заряженных частица электромагнитными колебаниями сочень короткой длиной волны. Падая на металлизированную поверхность трубки, гамма-кванты выбивают из атомов металла электроны. Те, попадая в электрическое поле, ускоряются и летят к нити, и далее все идет, как и при прохождении через трубку заряженных частиц.
Д ля того, чтобы определить направление, откуда летяг частицы, устраивают своеобразные телескопы — целые батареи трубок, счетчики которых настроены так, чтобы срабатывать только в том случае, если исследуемая частица пролетает, допустим, слева направо, сверху вниз или в любом ином направлении. Такие приборы выпускаются во многих модификациях в зависимости оттого, какие скорости у этих частиц и т. д. Они находят исключительно широкое применение во всех отраслях ядерной техники. Их делают большими и маленькими, стационарными и переносными, слабо чувствительными для измерения больших потоков частиц и высокочувствительными для обнаружения единичных частиц, при поисках слаборадиоактивных урановых и ториевых руд и Т' ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ЛЕТО ИСЧИСЛЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ. Если бы исходные вещества трех ветвей радиоактивных элементов урана, тория и актиния — имели сравнительно короткий период полураспада, они очень давно перестали бы существовать на Земле, и мы сегодня даже и не подозревали бы, что у хорошо известного и безобидного свинца были столь необычные предки
Сейчас уже точно известно, что период полураспада урана равен 710 млн. лет, урана — 4,5 млрд, лета тория — даже 13,9 млрд, лет И чем точнее удается ученым определить время распада тех или иных радиоактивных элементов и изотопов, тем надежнее становятся методы измерения при их помощи сроков существования геологических образований Земли — этих удивительных часов, без устали идущих на протяжении миллиардов лет, не забегая впереди не отставая, и отсчитывающих свое особое, бесконечно долгое космическое время.
Допустим, в каком-то минерале обнаружен уран. Здесь же неминуемо должны присутствовать и некоторые промежуточные, наиболее долгоживущие продукты его распада и, безусловно, конечный продукт — изотоп свинца-206.
Можно легко высчитать, что за миллион лет в 1 г природного урана должно образоваться 0,000137 г свинца. Тщательно измерив количество оставшегося урана и образовавшегося свинца, удается с относительно большой точностью (других ведь способов нет) определить время образования данного минерала.
Более точное определение возраста Земли дает калий­
аргоновый метод. Природный калии состоит из двух стабильных изотопов — калия (93,08%) и калия (6,91%) — и одного нестабильного изотопа — калия, период полураспада которого равен 1,3 «10° года. В природе калий очень распространен и входит в состав главнейших породообразующих минералов, отличаясь завидным постоянством своего | изотопного состава.
Радиоактивный калий распадается двумя путями
88% его атомов образуют устойчивый изотоп кальций, а
12% превращаются в неустойчивый изотоп аргон, который после испускания гамма-кванта переходит в основной стабильный изотоп — аргон. Распад калия постепенно ведет к убыванию его в природном элементе и к накоплению продуктов распада — аргона и кальция. Измеряя и сопоставляя количества этих изотопов, удается определить абсолютный возраст тех или иных горных образований.
ГЕТЕРОГЕННЫ Й ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР — реактор, в котором ядерное топливо и замедлитель располагаются на некотором расстоянии друг от друга в виде правильной геометрической решетки из отдельных блоков, тем самым представляя собой неоднородную среду для нейтронов.
ГОМОГЕННЫЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР — реактор, в котором ядерное топливо и замедлитель смешаны друг с другом и представляют собой однородную среду для нейтронов
Это может быть смесь в виде тонких порошков или суспензия мелких частиц.
ГО Р Я ЧАЯ ЗАЩИТНАЯ) КАМЕРА, ГОРЯЧАЯ (ЗАЩИТНАЯ) ЛАБОРАТОРИЯ специально оборудованная лаборатория для работы с радиоактивными веществами, обладающими высокой активностью.
Все работы и операции в таких камерах или больших лабораториях осуществляются автоматически или с помощью дистанционных манипуляторов, управляемых операторами, надежно укрытыми от проникающих излучений за многометровыми стенами биологической защиты. Лабораторию оборудуют также средствами, исключающими опасность заражения воздуха в помещениях, где находятся люди, радиоактивной пылью, аэрозолями и парами жидкостей.
ГРАМ М -ЭКВИВАЛЕНТ РАДИЯ количество гамма- излучающего вещества, которое при одинаковых условиях создает туже дозу излучения, что и 1 ГРАВИ ТАЦ И Я ТЯГОТЕНИЕ свойство тел взаимно притягиваться согласно закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном в 1687 г. Сила тяготения, действующая между двумя телами, пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Г Р А ФИТ разновидность чистого углерода, применяемого в ядерных реакторах для замедления нейтронов (путем многократных их столкновений с ядрами углерода. Изготовляется из особо чистого нефтяного кокса, спрессованного в кирпичи на связке и нагретого затем до высокой темпера­
туры.
ДЕЙТЕРИЙ — природный устойчивый изотоп водорода с атомной массой 2,0147, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, те. вдвое тяжелее обычного водорода (протия
Дейтерий широко распространен в природе. На каждые шесть тысяч атомов обычного водорода приходится один атом дейтерия. 1/6000 доля огромной массы воды Мирового океана состоит из молекул тяжелой воды — соединения двух атомов дейтерия с атомом кислорода.
Дейтерий широко применяется в ядерной технике, в частности в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Сталкиваясь с ядрами дейтерия, нейтроны благодаря близости их массы к массе ядра дейтерия быстро замедляются до тепловых энергий (скоростей. Ионизованные (лишенные электронов) ядра дейтерия используют в ускорителях частиц в качестве тяжелых бомбардирующих частиц. Соединения дейтерия, например слитием, могут служить ядерным взрывчатым веществом в водородной (термоядерной) бомбе.
Д ЕЛЕН И Е АТОМНОГО ЯДРА (РЕАКЦИЯ) - особый вид ядерной реакции, при которой ядра тяжелых элементов, например урана или плутония, поглотив нейтрон, приходят в сильно возбужденное состояние Спустя короткое время они делятся на два осколка — ядра атомов элементов, расположенных в середине ПериодическойтаблицыД. И. Менделеева
выбрасывая при этом целый фейерверк частиц электронов, фотонов, гамма-квантов и два-три быстрых нейтрона. В результате этой реакции высвобождается энергия. Например, при делении ядра урана выделяется энергия, равная примерно 200 Мэв. Несколько свободных нейтронов, оказавшихся лишними для ядер вновь образовавшихся атомов, при некоторых условиях могут начать каждый свою цепочку делений соседних ядер атомов урана или плутония, благодаря чему в слитке этих веществ может возникнуть саморазвивающаяся цепная ядерная реакция.
Деление ядер атомов тяжелых элементов может происходить не только при поглощении нейтронов, но и под действием облучения другими частицами, ускоренными до очень высоких энергий протонами, дейтронами, альфа-частицами, гамма-квантами и т. п. Однако широкое промышленное применение нашел только один вид деления — посредством облучения делящихся веществ потоком нейтронов в специальных установках — ядерных реакторах Существует еще один вид деления — так называемое спонтанное (самопроизвольное) деление ядер атомов урана (открыто в 1940 г. советскими физиками КА. Петржаком и Г. Н. Флёровым), когда некоторые ядра атомов урана самопроизвольно, без ка­
кого-либо видимого внешнего воздействия, делятся надвое. Это случается очень редко — не более 20 делений в час в 1 г урана. Однако при некоторых благоприятных условиях, обычно создаваемых в ядерных реакторах, этого оказывается вполне достаточно для возбуждения цепной ядерной реакции без необходимости прибегать к какому-либо внешнему затравочному) источнику нейтронов.
Чтобы можно было хоть сколько-нибудь наглядно представить механизм деления ядра атома тяжелого элемента, например урана, при поглощении им
нейтрона, еще в х годах советским физиком Я. И. Френкелем, а в США Уилером была предложена так называемая капельная модель строения ядра атома, те. модель, напоминающая своим поведением каплю жидкости, заряженную положительным электричеством. В ней частицы — нуклоны (протоны и нейтроны, из которых сложено ядро, — представлялись расположенными таким же образом и по очень сходным законам, что и молекулы в сферической капле жидкости. Электрические заряды одноименно заряженных молекул жидкости довольно энергично отталкивают их друг от друга, вследствие чего молекулы слабо связаны между собой и очень подвижны, а капля в целом жидкая и стремится разбухнуть — разорваться. Примерно также расталкиваются и стремятся разлететься в стороны и положительно заряженные протоны сферического ядра атома.
Но в капле жидкости действуют и другие силы — это поверхностное натяжение наружной молекулярной пленки, которое удерживает (сжимает) молеку- П лы жидкости, вследствие чего она и принимает единственно возможную для очень подвижных и слабосвязанных друг с другом частиц форму строго сферической капли. Однако силы поверхностного натяжения имеют свои, очень ограниченные пределы действия, зависящие от свойств жидкости — плотности, вязкости и т. п. Поэтому и размер капли не бывает больше некоторой предельной величины. И здесь можно найти очень близкую аналогию с ядерными силами, удерживающими ядерные частицы, главным образом протоны, в небольшом объеме ядра и не позволяющими им разлетаться со страшной силой в стороны. Существует и резкая граница действия таких ядерных сил (примерно два диаметра ядра атома, за пределами которой даже этих необыкновенно мощных сил не хватает, чтобы преодолеть огромные силы электростатического отталки­
вания.
Когда капля приобретает размеры больше допускаемых поверхностным натяжением данной жидкости, она под действием молекулярных электрических сил отталкивания делится на части. Ноне вдруг, а сначала деформируется, удлиняется, затем середина ее суживается, капля принимает вид гантели и, наконец, разрывается на две части.
Сходным образом при попадании в ядро атома липт- него для него нейтрона ядро приходит в возбужденное состояние. Благодаря внесенной при этом извне энергии, равной 7 Мэв, движение частиц, составляющих это ядро, резко убыстряется или, что одно и тоже, резко увеличивается температура нуклонного вещества. Расталкиваемое участившимся числом взаимных столкновений, ядро как бы набухает, ив ка­
кой-то момент некоторые его части выдавливаются наружу и оказываются в области ослабления действия удерживающих их внутриядерных сил. Равновесие сил отталкивания и сил сжатия в ядре нарушается силы отталкивания протонов начинают преодолевать ядерные силы. Ядро теряет свою сферическую форму, удлиняется, в каком-то месте истончается и, превратившись в гантель, наконец, рвется надвое. Эти половинки, ставшие ядрами атомов средних элементов, с огромной скоростью разлетаются, неся в себе около 150 Мэв кинетической энергии. (Деление натри или четыре осколка случается крайне редко.)
Эти осколки, оказавшись перенасыщенными нейтронами, выбрасывают их и, испытав ряд последовательных бета-распадов (испуская электроны, превращаются уже в стабильные ядра атомов средних элементов Периодической таблицы Д. И. Менделеева
ДЕФЕКТ МАССЫ. В 1932 г. два английских физика, Д. Кокрофт и Э. Уолтон, в который раз обстреливали пучком ускоренных протонов мишень из изотопа лития, надеясь обнаружить после этого что-либо новое и интересное. Это новое не заставило себя долго ждать. Снимки, сделанные в камере Вильсона, показали, что некоторые ядра лития, поглотив попавший в них протон, исчезали, выбрасывая две альфа-частицы, те. целиком превращались в два ядра атома гелия. Это событие можно записать так:
}Н + gLi Не + |Не.
Результат, безусловно, поразительный Но по- настоящему потрясло ученых совсем другое. Когда попробовали с карандашом в руках подсчитать баланс масс и энергий всех частиц, участвовавших в этой, на первый взгляд, очень простой ядерной реакции, то обнаружили непонятные прибыли и убытки. Масса всех участвовавших в этой реакции частиц равнялась 7,0182 (ядро лития) -f- 1,0081 протон) = 8,0263 а.е.м., а масса получившихся двух отдельных альфа-частиц в сумме давала всего лишь 4,004x2 — 8,008 а.е.м. Неизвестно, куда исчезала масса вещества, равная 8,0263 — 8,008 =
— 0,0183 а.е.м.! Одновременно, и тоже неизвестно откуда, появлялась весьма значительная прибавка энергии движения у двух разлетающихся альфа- частиц по сравнению с энергией протона, первоначально разбившего надвое ядро лития-7.
Крушение закона сохранения массы и энергии?
Ни тони другое. Что именно таки должно было происходить, теоретически предсказал еще в 1905 г. выдающийся физик нашего века Альберт Эйнштейн- творец теории относительности, одной из самых смелых и дальновидных научных идей современности
Одним из важнейших выводов этой теории было то, что никакое тело не может двигаться в пустоте со скоростью, равной скорости света — 300 000 км/сек— или превышающей ее. Это утверждение шло вразрез с господствовавшим прежде законом механики Ньютона, по которому масса тела не зависит от скорости и, следовательно, любое дополнительное усилие, приложенное к движущемуся телу, должно пропорционально, а следовательно, и беспредельно увеличивать его скорость. Согласно же теории относительности, следует различать массу покоя пг
0
и массу т зависящую от скорости движения данного тела. Для малых скоростей масса т практически равна массе покоя т однако, если скорость движения тела становится сопоставимой со скоростью света, масса т очень быстро увеличивается, стремясь к бесконечности. Например, при скорости 282 100 км/сек масса электрона почти утраивается при
298 500 км/сек она увеличивается в 10,79 раза скорость 299 400 км/сек утяжеляет электрон уже в
20,58 раза и т. д. Отсюда следует и другой вывод любое тело можно разогнать до скорости, сколь угодно близкой к скорости света, но никогда нельзя достичь ее.
Основываясь на опытах русского физика П. Н. Ле­
бедева, установившего факт светового давления, те. доказавшего наличие массы у световых волн, на экспериментально подтвержденном факте утяжеления электрона при движении со скоростями, близкими к скорости света, и на других открытиях века, А. Эйнштейн вывел свое знаменитое, вызвавшее множество споров и кривотолков, соотношение, связывающее массу (меру инерции) и энергию (физическую меру движения материи);
Е = тс
2
,
78
т. ё. энергия эквивалентна массе тела, умноженной на квадрат скорости света.
Следовательно, любое вещество обладает определенным запасом энергии, строго пропорциональным его массе и, наоборот, каждому материальному телу, обладающему энергией, соответствует строго определенная масса. Чем больше масса тела, тем больше скрыто в нем энергии. Увеличивая энергию какого- либо тела, например нагревая его или разгоняя до близких к световой скоростей, мы тем самым увеличиваем и его массу. Если возбужденный атом вещества излучает квант света (фотон, то вместе с энергией он теряет и определенную массу.
При всем изобилии энергии атом отдает ее крайне скупо. Чтобы преодолеть силы, связывающие частицы в ядре и препятствующие его перестройке, нужно сначала затратить какое-то количество энергии. Только тогда распадающееся или перестраивающееся ядро атома выделит связанную с уменьшением его массы энергию. Однако не во всех случаях энер- П гия, выделяющаяся при распаде или перестройке J U ядра, превышает энергию, затрачиваемую на разрушение или перестройку. Следовательно, для получения энергии выгодно разрушать или перестраивать ядра атомов только тех элементов, у которых затраты меньше прибыли. Обычно это ядра атомов или самых легких, или самых тяжелых элемен­
тов.
Как известно, ядро атома гелия (альфа-частица) сложено из двух протонов и двух нейтронов. Чтобы разделить такое ядро на составляющие его элементарные частицы, надо преодолеть огромные силы притяжения, удерживающие их все вместе, которые, как выяснилось позже, действуют только на расстоянии, равном примерно двум диаметрам ядра. Сделать это можно, попав в ядро атома гелия какой-либо
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

перейти в каталог файлов


связь с админом